微藻生物碳捕获和利用实现可持续的CO2生物固定和生物质转化

2022-08-16 16:57:57 0 双良环境
微藻生物碳捕获和利用实现可持续的CO2生物固定和生物质转化

  • CO2排放和气候变化是紧迫的全球性危机。

  • CCU技术已发展到利用CO2作为前体物生产精细化学品。

  • 传统的碳捕获技术与微藻生物CCU兼容。

  • CO2通过光合作用被转化为有价值的化合物。

  • 微藻生物CCU减少碳足迹,增加碳手印。

  研究进展

  不断增加的CO2排放是一种普遍的危害,迫切需要决策者和科学家之间的合作行动。国际条约(如《巴黎协定》(有196个签署国))反映了人为气候变化作为全球公众真正关心的问题的重要性。为实现气候恢复的目标,采用最广泛的CO2减少战略(包括碳捕获和储存(CCS),碳捕获、利用和储存(CCUS)),本文对碳捕获与利用(CCU)技术进行了综述。在这些方法中,CCU通过回收捕获的CO2并将其作为一种资源来产生排放中性或负增值产品(VAPs),显示了最大的潜力。在CCU方法中,微藻生物CCU (biological-CCU)是一种有前途的生物技术,可大幅度减少CO2排放。因此,本文阐述了光合作用封存CO2并被吸收转化为有价值的生物分子的机理。微藻细胞利用CO2作为合成大分子的前体物(包括脂类、蛋白质、碳水化合物和色素),并在产业相关性和市场价值的框架内讨论这些内容。微藻产生的无数VAPs的碳含量清楚地证明了它们的生物固定潜力。此外,本文还提出了生物CCU减少碳足迹(通过排放前碳捕获)和增加碳手印(通过消耗CO2中性或负产物减少碳排放)的途径。最后,对现有的挑战和认知不足进行了描述,并对未来的研究需求提出了建议。

  研究需求与展望

  微藻生物炼制要成为工业规模上普遍适用的CCU方法,还需要克服许多障碍。每100吨干微藻产生的生物量中,微藻大约固定183吨CO2,但有效利用这一能力的第一个挑战是使高浓度的CO2以稳定的速率被微藻利用。为此,碳捕获方法需要进一步研究改进。胺吸收和物理吸附等方法都有可能将CO2转移到液体微藻培养基中,但它们各自有各自的缺点(在CO2到达微藻生物反应器之前)。已知胺具有特别的腐蚀性,而吸附剂选择有限,对CO2的捕获效果较差。此外,关于吸附剂对pH中性微藻生长介质传质效果的研究很少;在CO2吸附与微藻生物CCU串联使用之前,必须填补这一知识空白。其他CO2捕获技术,如膜分离和低温蒸馏,成本太高,无法用微藻VAPs的经济回报来抵消。然而,如果未来的研究能够解决财务和能源成本,这些方法在技术上与微藻生物CCU兼容。

  为了抵消微藻生物CCU的养殖费用,微藻生物量可以升级为大量可销售的生物产品,可再生能源是一个有吸引力的升级途径。按照惯例,微藻脂类已成为生物燃料生产的目标。过去20年的勤奋研究不断改善了微藻生物生产的缺点,提油藻渣可用于产生其他形式的生物能源(如通过厌氧消化产生沼气或通过发酵途径产生酒精)。还有一些研究将水热合成技术(传统上用于升级石油燃料)应用于整个微藻生物质,以产生燃烧特性更有利的液体生物燃料,由于水热升级的能源需求、财务成本以及与石油相比生物燃料的产量较低,这一途径尚不具备商业可行性。

  除了生物能源,微藻在营养补充剂方面的价值已经很高,如:纯素vegan omega脂肪酸补充剂,具有抗炎和抗氧化特性的叶绿素和藻蓝素等植物营养素,以及高质量的蛋白质。微藻聚合物用于生物塑料生产(如PHAs和PHB)显示了巨大的前景,然而由于产量低、收获和纯化困难,阻止了实验室规模之外的生物塑料高效生产。

  这篇综述阐明了微藻能够生产的可销售VAPs的多样性,以及它们为全球生物经济注入新的财富来源的潜力。微藻生物炼制面临的主要挑战是:1)为微藻提供稳定的液体形式的生物可用CO2;2)有效地将所有生物量馏分固定为可销售的VAPs,以抵消成本,实现具有经济竞争力的生物炼制方案。这些挑战是有可能通过科学研究和政府投资和激励来克服。

  结论

  减少CO2产生和在排放前捕获CO2是在不严重干扰全球运输和工业活动的情况下缓解气候变化的两个选择。世界人口快速增长,工业化不断发展以满足社会需求。因此,产生和排放了大量的CO2,尤其是能源和运输部门。各国政府必须与科学家和行业合作伙伴共同努力,以实现这些变化。排放控制的第一个要素是管制有害化合物,并建立更严格惩罚温室气体排放的法律框架。第二个要素是通过补贴、税收减免和投资平台,为开发和实施绿色技术提供激励,以确保碳中和或负碳技术和行业的可持续。为了在保护气候的同时鼓励这种经济进步,必须与工业合作伙伴共同开发有效的CO2捕获方法。化学吸收、膜分离和物理吸附技术是燃烧后CO2捕获的常用方法。而随后的冷凝和深海或地质储存所捕获的CO2是不可持续的。为了在2045年之前达成《巴黎协定》的目标并实现全球碳中和,必须利用这些捕获的碳,而不是掩埋。已经测试了几种化学、电化学和光化学反应,将CO2转化为精细化学品;然而,这些化学反应是在高温高压下用高度纯化的CO2进行的。这些方法的能源和财务成本同样是不可持续的。通过这篇综述,最可行的实现碳中和的途径是利用微藻光合生物合成CCU;自然界自身的碳捕捉工厂,经过数十亿年的进化,变得极为高效。随着时间的推移,即使在低浓度的CO2下,碳捕获机制也能够高效地固存CO2。微藻同样擅长将CO2转化为有价值的生物分子,这为抵消微藻培养用于捕获CO2的运营成本提供了巨大的潜力。微藻生物CCU途径具有可行性、可持续性和可盈利性,应广泛应用于应对全球气候变化的危险。

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