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丘练文
（中国船级社质量认证有限公司深圳分公司广东深圳518000）
摘要：微藻类由于其高光合效率、零碳值、生长周期短、培养容易、含油高等特点，成为一种很有发展潜力的生物燃料。文章综述了微藻高效固定CO2技术中微藻种类的筛选、培育、生长反应器及其系统的开发，以及微藻资源化利用的技术种类，展望了基于微藻资源化利用的碳减排技术发展前景。
引言
随着近年来世界化石燃料消耗的快速增长，二氧化碳排放量快速升高，造成温室效应越来越严重，这严重影响了人们的生活环境。虽然二氧化碳减排控制已经成为了国内外研究的重点内容，绿色植物的光合作用也可以有效降低环境中的二氧化碳含量，但是这对于环境的彻底改善还有较大距离。微藻作为随处可见的微生物，也是自然界中生存时间最长的生物，它们自身的特点使其光合作用的效果远远要高于绿色植物,是绿色植物的50倍左右，本文基于此针对微藻生物的固碳技术进行研究[1]。
通过国内外优秀学者的文章，了解微藻净化大气层二氧化碳的现状，进而对微藻高效固定二氧化碳技术进行研究。在研究过程中发现，微藻除了可以降低生活环境中的二氧化碳之外，还可以在特定环境下改变碳代谢途径，这对于石油方面的利有有着巨大的意义，此外微藻自身结构特殊，具有极强的耐磨抗热性，可以作为抗火抗热材料进行利用，微藻也具有一定的营养，可以广泛应用于医药、食物、营养等多行业领域。
1微藻概述
微藻是自然界中一种最为简单的微生物，这种微生物通过光合作用吸收制造养分与资源。它是当前地球上最为古老的生物，微藻总体分为两大类，一类为原核生物，另一类是微核生物[2]。作为大自然食物链中的底层，微藻生物是最为原生态的微生物，他们通过光合作用吸收二氧化碳放出氧气。微藻可以有效改善自然环境，对于废水有清洁作用，甚至能够在此类极端环境中生存，并且具备生长周期短、生长速度快等特点。
2微藻在废水处理中的应用
微藻处理废水技术发展至今已经有70多年的历史。美国的安迪斯等人最早提出了微藻净化废水的概念，在此阶段，他们利用微藻进行了污水的处理，找到了利用微藻进行生物降解的途径。通过降低废水中的有害物质，以达到废水再利用的效果，这对于当时的环保领域而言，是一个巨大的突破。当时有学者将微藻培养与废水处理相结合，微藻通过吸收废水中的营养物质加快其生长速度，同时降低了废水中的有害物质浓度，使人的生活环境变得更好。
目前，应用最多的微藻有栅藻、小球藻、衣藻、扇贝、螺旋藻等，其中小球藻和栅藻对污水的净化效果最好，是最受关注的一类，目前已应用于各类污水治理的试验。如今中国的微藻废水处理最为常用的藻类，主要是以栅藻、小球藻等为主的原核藻类，它们自身强大的防污特点以及对于废水的吸收，可以有效促进环境的改善。我国著名学者谭云跃就针对室外条件下，小球藻在稀释厌氧废水中的使用情况进行实验。在实验中，小球藻能够在这种低浓度的厌氧污水中良好的生长，而且在生长的过程中，小球藻对污水的净化作用非常显著。季节的变化对小球藻生长及污染物质的去除有显著影响，夏季是小球藻成长速度最快的也是去污性最好的时期[3]。
我国著名环保学者王松山针对微藻处理养猪废水的情况进行深入研究，王松山在研究过程中发现可以运用小球藻处理养猪废水，小球藻在养猪废水当中可以有效成长，并且总氮去除率也高达60%，这对于当前背景下我国农业环保有着极大的帮助。试验结果表明：污水中的球团藻的稀释比例对小球藻生长和脱除污染均有一定的作用。稀释份额为20倍时去除效率最高[4]。科学家成功挑选生产油量较高且适合浓缩城市废水的藻类，其中包括小球藻和栅藻，它们实现了高生物量、高产油量和废水中营养物质的去除[5]。有人尝试通过小球藻去除肉类加工废水中含有的高浓度有机物，实验发现废水中成长的小球藻对营养物质的去除能力明显提高，同时体内的蛋白质含量也明显增加[6]。
微藻的细胞壁主要由多糖、蛋白质和脂类组成，带有一定的负电荷，可提供许多官能团，污水中部分带正电荷的金属离子能够与这些具有负电荷的官能团紧密地连接在一起。研究表明，死去的微藻也可用于去除废水中的重金属。科研人员在运用干藻粉混合物去除废水中的重金属时，发现重金属铜和镉的去除率在反应5分钟时达到最大值，去除率分别达80%和100%。然而，高浓度的重金属也对微藻有害，会限制它们的光合作用并导致其死亡。
各种菌藻共生系统逐步发展起来，通过微藻的氧化呼吸作用，可将污水中的微生物降解，而微生物产生的二氧化碳作为微藻光合作用的原料，使微藻不断地氧化和降解有机物，从而使污水中的污染物质得到进一步的降低。这类系统主要应用于污水的治理，其优点在于：可通过大量的固-液相分离过程，降低污水中的藻类含量，回收后的固体还可以再利用。因此，近几年，这类系统已经得到了广泛的应用。
3微藻高效固定CO2技术
3.1高效固定CO2微藻的筛选
适当增加环境二氧化碳浓度，结果表明，该方法能显著促进微藻的生长发育，促进其光合作用。KodamaN等在高浓度二氧化碳环境下连续培养，结果显示，二氧化碳浓度为20%~60%时，微藻细胞的生长速度明显高于空气环境[5]。Riebesell等的实验结果表明，在一定程度上增加二氧化碳的含量，能加速硅藻和绿藻的增殖，并能加快其光合能力，从而增加其固碳能力[6]。库拉诺等人在釜山湾海域中，研究了一种可以在10%至20%二氧化碳的环境中迅速成长的海生绿球菌。当二氧化碳浓度20%时，固碳速率可达0.85g/（L·d）[8]。王国栋等人发现，提高二氧化碳浓度对新月菱形藻和球藻类细胞的影响[9]。经过十余年的海藻筛选，发现在封闭的环境下，尤其是绿藻中的小球藻，可以有效地清除大气中的二氧化碳。
3.2高效固定CO2微藻的培育
在微生物培养中，微藻培养的主要影响因素有：二氧化碳的含量、水温、pH、光、盐、氮、磷、金属离子、培养方式等。根据植物对碳和光照的要求，可以将其分为自养、异养和混养三种类型。现在，各种微生物都可以进行光合作用，因此很多微生物可以有效的利用太阳能。自养养殖技术具有操作简便、成本低、适用于各种微生物的优势，但其缺点是光照条件限制、二氧化碳供应不足、水分蒸发、藻类生物量低、藻类收集难度大等。所谓的“异养”，就是将微生物通过有机碳进行增殖，其培养与自养环境相似，但加入了有机碳元素。异养培养法培养密度高、生长周期短、产量高、油脂含量高。但缺点是数量有限、成本高、污染严重。混养栽培是一种同时吸收二氧化碳、有机碳、光合代谢和呼吸代谢的复合培养法。与其它两种栽培方式比较，混养栽培技术的生物量大，生长速度快，但也有一些不足之处。
3.3高效固定CO2微藻的反应器及系统
微生物菌种的规模化培育，必须建立起一套科学而高效的系统。目前，微生物的繁殖体系有两大类型，即开放式和封闭式。开放式体系是最传统和最简单的大型微生物培养体系，一般都是用塑胶或水泥制成反应器，因此，它的造价低廉，施工简单，但同时也存在效率低、培养条件不易控制、藻类收集困难等缺点，目前仅适用于某些特定藻类的培养如小球藻、盐藻、螺旋藻等。封闭式生物反应器又称光生物反应器，具有易于控制的特点，生产效率高，不易染菌，而且具有节约用水量的优势，但它的建造和运营费用高，而且不太完善。封闭式栽培体系分为平板式、管式、搅拌式和浮式薄膜式。
4微藻高效资源化利用
现如今随着人们生活水平的提高以及科学技术的飞速增长，微藻技术的运用十分广泛。目前已经有油脂、蛋白、化工、维生素、甲烷等行业，对微藻大量使用，并将微藻逐渐作为企业内部的核心资源，以此来降低企业的消耗。
目前全世界化石燃料的使用量越来越大，这就导致了化石燃料在使用过程中对于自然环境会产生越来越大的影响。能源危机问题迫在眉睫，在此背景下，微藻的运用就越来越受到世界各方的重视。微藻燃料作为当前国内外各方积极研究的一项可再生能源，具有大规模替代石油等化石燃料的可能性。据相关研究表明，微藻具有极强的产油效果，其中个别种类产油量已达到了60%左右。并且微藻生物除可以生产燃油之外，还可以通过光合作用生成氢气和氧气。氢气在使用过程中的产物是水，具有无污染的优点，是当前新能源应用的首选。目前微藻制氢仍处于起步阶段，需进一步深入研究。
此外微藻生物也具备一定的食用价值。微藻自身的蛋白质含量极高，一些特殊的微藻蛋白质含量甚至比牛肉、大豆还要高上3倍至6倍。由此可以说明微藻食品的食用价值与牛肉、大豆等相关传统食物相比更具价值。微藻的蛋白质来源是微藻细胞，这种蛋白质是利于人体吸收的理想蛋白质，在运用过程中具有多项优势。同时微藻自身含有大量色素，是天然的调色剂，且不具备危害性，可以广泛使用于食品加工、化工产品等领域。
除此之外，微藻还具备一定的药用价值。据相关学者研究发现，微藻自身拥有极高的绿色素，这些色素对于人体极为有益，比如绿色素是一种天然的解毒剂，可以针对人体内部所存在的一些病毒起到作用，从而促进人体新陈代谢进行排毒，对于保护人体健康有着巨大的作用；而虾青素具备一定的抗氧化特性，在一定程度上可以延缓人的身体衰老。微藻繁殖迅速，生长较快的特点，使得它们在农业上有着巨大的价值，微藻如今已经广泛运用到宠物、家禽、鱼、虾类等生物的饲养当中。在饲料中加入微藻成分，可以给饲养物提供更多的营养以及维生素，对于加快其成长有着巨大的作用。据相关研究表明，猪在食用微藻后，自身的肉质以及猪的抗病毒能力都得到了有效提升，这对于加强肉类营养含量，提高养殖效果都有着巨大的作用。
4.1微藻高效资源化产油
通过对微藻应用价值的研究，发现可采用有机萃取和超临界流体萃取等方法提取微藻自身的油脂。通过这些方法提取微藻油之后，可以将微藻干燥，制成粉末。亚临界水萃取技术、直接转酯技术、原位萃取技术、微生物油脂的萃取技术、微生物油脂的体外释放技术等都是近年来发展起来的技术。
随着近年来高新技术的发展，国内外新能源公司针对微藻高质量产油技术的研发也极为重视，国外就有很多企业针对此类技术进行研究，如荷兰的皇家有限公司、英国的英国石油公司，中国在这方面起步较晚，技术相对落后，我国针对微藻培养的技术研发方向主要是小球藻的生物柴油萃取，对于光自养的研究主要集中在生物反应器上，国内在此类领域的巨头公司，包括中石油公司以及新奥集团，这两家公司涉足微藻领域的方向主要为微藻制油，但是还在小规模试生产的阶段。
4.2微藻高效热解技术
这种技术是目前热解的常用技术之一，一般都是利用干藻粉末进行高温热分解，从而达到提高裂解效果和收率的目的。据相关数据表明，微藻在高效热解后，可以有效提高油含量中的芳烃和辛烷。藻类细胞中的脂类性质（极性脂和中性脂）对热解产物性质影响较小，但会影响产量。由于微藻含水率高，为了获得干燥物料，必须进行预处理，这会耗费很多能源以使水分蒸发。为解决这个问题，我们提出一种新的热解工艺——液化工艺，它可以有效地使用高含水量的物料，节约干燥的费用。另外，微藻的水份也能为氢的分解提供必要的氢，从而有利于热分解并产生碳氢化合物。液化工艺的反应温度低于热解，因此能量消耗小，但是通常需要高压。
4.3微藻生物制氢
除生产生物柴油外，利用藻类生物制氢技术也是可行的。氢具有轻质、高燃烧热值、清洁可再生、利用形式多样等优点，被誉为“含能体能源”。通过对燃料电池工艺的改进，可以将氢能量转换成电。微藻由于其高光合效率、高生长速度、高氢酶活性和较长的放氢时间而成为制备氢能较好的原材料，其中微藻光合作用水解制氢是目前国内外生物制氢研究的热点。
结语
微藻作为大自然中最为常见的一种生物，其生长周期短、含油量高、可以吸收二氧化碳进行光合作用等相关特点，使得其拥有极高的价值。随着近年来科技飞速发展，石油、煤炭等化石能源的大量消耗使得环境越发恶劣，如何改善人们的生活环境，净化大自然成为国内外各界人士思考的重点问题。
本文基于此，针对微藻技术进行分析研究，希望通过对微藻的利用改善自然环境，优化人们的生活，为我国的能源发展和对自然环境的保护起到重要作用。
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