微藻生物碳捕獲和利用實現(xiàn)可持續(xù)的CO2生物固定和生物質轉化

2022-08-16 16:57:57 0 雙良環(huán)境

　　• CO2排放和氣候變化是緊迫的全球性危機。

　　• CCU技術已發(fā)展到利用CO2作為前體物生產精細化學品。

　　• 傳統(tǒng)的碳捕獲技術與微藻生物CCU兼容。

　　• CO2通過光合作用被轉化為有價值的化合物。

　　• 微藻生物CCU減少碳足跡，增加碳手印。

　　研究進展

　　不斷增加的CO2排放是一種普遍的危害，迫切需要決策者和科學家之間的合作行動。國際條約(如《巴黎協(xié)定》(有196個簽署國))反映了人為氣候變化作為全球公眾真正關心的問題的重要性。為實現(xiàn)氣候恢復的目標，采用最廣泛的CO2減少戰(zhàn)略(包括碳捕獲和儲存(CCS)，碳捕獲、利用和儲存(CCUS))，本文對碳捕獲與利用(CCU)技術進行了綜述。在這些方法中，CCU通過回收捕獲的CO2并將其作為一種資源來產生排放中性或負增值產品(VAPs)，顯示了最大的潛力。在CCU方法中，微藻生物CCU (biological-CCU)是一種有前途的生物技術，可大幅度減少CO2排放。因此，本文闡述了光合作用封存CO2并被吸收轉化為有價值的生物分子的機理。微藻細胞利用CO2作為合成大分子的前體物(包括脂類、蛋白質、碳水化合物和色素)，并在產業(yè)相關性和市場價值的框架內討論這些內容。微藻產生的無數(shù)VAPs的碳含量清楚地證明了它們的生物固定潛力。此外，本文還提出了生物CCU減少碳足跡(通過排放前碳捕獲)和增加碳手印(通過消耗CO2中性或負產物減少碳排放)的途徑。最后，對現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和認知不足進行了描述，并對未來的研究需求提出了建議。

　　研究需求與展望

　　微藻生物煉制要成為工業(yè)規(guī)模上普遍適用的CCU方法，還需要克服許多障礙。每100噸干微藻產生的生物量中，微藻大約固定183噸CO2，但有效利用這一能力的第一個挑戰(zhàn)是使高濃度的CO2以穩(wěn)定的速率被微藻利用。為此，碳捕獲方法需要進一步研究改進。胺吸收和物理吸附等方法都有可能將CO2轉移到液體微藻培養(yǎng)基中，但它們各自有各自的缺點(在CO2到達微藻生物反應器之前)。已知胺具有特別的腐蝕性，而吸附劑選擇有限，對CO2的捕獲效果較差。此外，關于吸附劑對pH中性微藻生長介質傳質效果的研究很少;在CO2吸附與微藻生物CCU串聯(lián)使用之前，必須填補這一知識空白。其他CO2捕獲技術，如膜分離和低溫蒸餾，成本太高，無法用微藻VAPs的經濟回報來抵消。然而，如果未來的研究能夠解決財務和能源成本，這些方法在技術上與微藻生物CCU兼容。

　　為了抵消微藻生物CCU的養(yǎng)殖費用，微藻生物量可以升級為大量可銷售的生物產品，可再生能源是一個有吸引力的升級途徑。按照慣例，微藻脂類已成為生物燃料生產的目標。過去20年的勤奮研究不斷改善了微藻生物生產的缺點，提油藻渣可用于產生其他形式的生物能源(如通過厭氧消化產生沼氣或通過發(fā)酵途徑產生酒精)。還有一些研究將水熱合成技術(傳統(tǒng)上用于升級石油燃料)應用于整個微藻生物質，以產生燃燒特性更有利的液體生物燃料，由于水熱升級的能源需求、財務成本以及與石油相比生物燃料的產量較低，這一途徑尚不具備商業(yè)可行性。

　　除了生物能源，微藻在營養(yǎng)補充劑方面的價值已經很高，如：純素vegan omega脂肪酸補充劑，具有抗炎和抗氧化特性的葉綠素和藻藍素等植物營養(yǎng)素，以及高質量的蛋白質。微藻聚合物用于生物塑料生產(如PHAs和PHB)顯示了巨大的前景，然而由于產量低、收獲和純化困難，阻止了實驗室規(guī)模之外的生物塑料高效生產。

　　這篇綜述闡明了微藻能夠生產的可銷售VAPs的多樣性，以及它們?yōu)槿蛏锝洕⑷胄碌呢敻粊碓吹臐摿?。微藻生物煉制面臨的主要挑戰(zhàn)是:1)為微藻提供穩(wěn)定的液體形式的生物可用CO2;2)有效地將所有生物量餾分固定為可銷售的VAPs，以抵消成本，實現(xiàn)具有經濟競爭力的生物煉制方案。這些挑戰(zhàn)是有可能通過科學研究和政府投資和激勵來克服。

　　結論

　　減少CO2產生和在排放前捕獲CO2是在不嚴重干擾全球運輸和工業(yè)活動的情況下緩解氣候變化的兩個選擇。世界人口快速增長，工業(yè)化不斷發(fā)展以滿足社會需求。因此，產生和排放了大量的CO2，尤其是能源和運輸部門。各國政府必須與科學家和行業(yè)合作伙伴共同努力，以實現(xiàn)這些變化。排放控制的第一個要素是管制有害化合物，并建立更嚴格懲罰溫室氣體排放的法律框架。第二個要素是通過補貼、稅收減免和投資平臺，為開發(fā)和實施綠色技術提供激勵，以確保碳中和或負碳技術和行業(yè)的可持續(xù)。為了在保護氣候的同時鼓勵這種經濟進步，必須與工業(yè)合作伙伴共同開發(fā)有效的CO2捕獲方法。化學吸收、膜分離和物理吸附技術是燃燒后CO2捕獲的常用方法。而隨后的冷凝和深?；虻刭|儲存所捕獲的CO2是不可持續(xù)的。為了在2045年之前達成《巴黎協(xié)定》的目標并實現(xiàn)全球碳中和，必須利用這些捕獲的碳，而不是掩埋。已經測試了幾種化學、電化學和光化學反應，將CO2轉化為精細化學品;然而，這些化學反應是在高溫高壓下用高度純化的CO2進行的。這些方法的能源和財務成本同樣是不可持續(xù)的。通過這篇綜述，最可行的實現(xiàn)碳中和的途徑是利用微藻光合生物合成CCU;自然界自身的碳捕捉工廠，經過數(shù)十億年的進化，變得極為高效。隨著時間的推移，即使在低濃度的CO2下，碳捕獲機制也能夠高效地固存CO2。微藻同樣擅長將CO2轉化為有價值的生物分子，這為抵消微藻培養(yǎng)用于捕獲CO2的運營成本提供了巨大的潛力。微藻生物CCU途徑具有可行性、可持續(xù)性和可盈利性，應廣泛應用于應對全球氣候變化的危險。