微藻生物固碳技术研究和应用情况

龙菲平，迟庆雷

（1.国投生物科技投资有限公司；2.国投微藻生物科技中心；3.微藻生物能源与资源北京市重点实验室）

1 引言

随着全球气候变暖和极端天气频发，世界各国纷纷提出碳减排目标，“双碳行动”是应对气候变暖国际行动的一部分，欧盟国家是“碳中和”的首倡者，他们提出要在2050年达到碳中和。我国2020年9月承诺，2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。政府间气候变化专门委员会（IPCC）曾指出，要实现巴黎协议中规定的将全球气温上升控制在1.5℃以下的目标，负排放技术不可或缺（见表1）[1]。

表1 全球主要的负排放技术[2]

微藻固碳技术就是利用微藻将二氧化碳转化为生物质的技术。微藻大多是光合自养微生物，可直接利用太阳能，固定CO2的效率是其他植物的10 倍～50倍[3]，生长周期短，远高于高等植物[4]，而且环境适应能力强，不与粮争地[5]。

2 可用于微藻固碳的藻种

目前已发现的微藻种类超4万种[6]，但不同微藻的固碳效率有所不同，开展微藻固碳工作的前提就是筛选优质高效的藻种。小球藻属是目前最常用于固定CO2的藻种，固定CO2速度为0.11-0.85g·L-1·d-1，最高能耐受60%浓度的CO2（详见表2）。

表2 用于微藻固碳的藻种及特点

3 微藻生产设备

微藻生产设备的研究和开发是微藻生产的重要环节，微藻主要生产设备为光生物反应器，通过查询国内外相关专利，主要专利技术包括罐体式、培养池、管道式、柱式、板式、固定式和袋式培养装置（见图1）。

图1 微藻培养装置相关专利技术分布

目前最广泛使用的微藻培养装置为开放式跑道池反应器和管道式光生物反应器，前者结构简单、固定投入相对低，但培养条件不易控制，易发生污染；后者为封闭式光生物反应器，培养条件易控制，能有效防止污染，产率高[14]。

4 固碳效率计算

一般认为微藻细胞中碳含量约占50%，生成1kg的微藻则会固定1.83kg CO2[2,12]，这是当前应用最多的一种快速简单的估算方法。

5 微藻固碳技术专利申请情况

经查询，全球微藻固碳专利申请于1979年～2001年处于萌芽期，年申请量仅在30 件以下，自2004年开始进入发展期，年申请量达到100件以上，从2011年开始进入稳定期，如果去除中国申请的海外专利可以看到其他国家申请数量处于下降趋势，说明2011年开始中国申请的专利成为全球总申请量的主力军，而且自2019年快速上升（见图2）。

图2 微藻固碳技术全球专利和海外专利申请趋势

中国、美国、日本和韩国是主要的微藻固碳技术专利的申请国，中国申请数为967项，大于其余国家的总和。排名前8的全球申请人中国占了6位，日本2 位[15-41]（见图3）。申请的专利主要涉及藻种选育、培养及反应装置、培养工艺和固碳应用4 个方面的内容，占比分别为17%、24%、44%和15%。

图3 全球专利申请人排名

6 微藻生物固碳研发投入和应用情况

2016年国家科技部组织的“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项“二氧化碳烟气微藻减排技术”项目，浙江大学为牵头单位，项目在鄂尔多斯市鄂托克旗乌兰镇螺旋藻产业园区建立了示范工程。青岛能源所与新疆庆华集团于2012年曾合作开展微藻培养进行二氧化碳固定和处理工业废水联产生物柴油的项目。深圳特别合作区碳中和示范基地微藻固碳暨干冰转化项目于2021年7月在华润海丰电厂动工，建成后将达到每年固定20 万t 煤化工烟气CO2[42]，标志着二氧化碳捕集、封存和利用的产业化道路又向前迈上了一步。

国投生物微藻中心于2016年开展了微藻固定电厂排放二氧化碳技术的研究，结果表明使用烟道气培养时，微藻生长情况优于使用纯二氧化碳的培养，GT2 号藻种在烟道气中试规模培养产率可提高30%以上。在一个培养周期内，烟道气中CO2的平均去除率达88.4%。其在国投某发电厂厂区内建设了烟道气减排示范项目，反应器体积为7 万L，直接使用电厂烟道气培养微藻，微藻最大生长速率超过0.8g·L-1·d-1，相当于每天最大可减排二氧化碳2.83t。

美国肯塔基大学能源应用研究中心（CAER）和杜克能源公司东湾电厂合作建设了19000 L 体系的微藻固碳示范项目，微藻夏季平均产量超过30g·m-1·d-1，CO2去除率平均为44%。对固碳后收获的微藻进行组分分析发现，除42.27%的碳和66.54%的易挥发性物质，无砷、铯、铬和汞等重金属元素，表明微藻固碳后的产品可用于生产高附加值产品。CAER获得了来自美国能源部120万美元的资助用于基于藻类的碳利用项目。2021年1月份，全球最大水务公司苏伊士环境集团与法国Fermentalg 公司（法国著名微藻企业）成立合资公司，致力于开发微藻固碳光生物反应器与生物固碳应用，计划将这些固碳光反应器应用于城市环境固碳和工业废气固碳。

微藻生产具有不占用耕地、生长周期短、光合效率高等特点，受到排碳大户们的广泛关注。将微藻生产技术与火电厂、钢铁厂、化工厂和食品发酵厂等不同行业的结合，不仅可减排二氧化碳，而且生产得到的微藻生物质可用于饲料、食品、化工产品和能源。中国二氧化碳捕集利用与封存2021年报告中指出，生物固碳与捕集等负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障[42]。

目前微藻生物固碳技术的应用仍处于中试阶段，最关键的问题仍是降低成本，使固碳得到的微藻生物质能满足应用行业可接受的成本，若碳交易价格能达到欧洲的水平（50欧元/t），或可冲抵部分微藻生产成本。随着国内外微藻科研持续投入及成果与产业融合，微藻固碳技术将为实现碳中和目标贡献力量。