二氧化碳养藻,一石二鸟
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作者: 韩佰洋
用二氧化碳养殖藻可谓是一石二鸟:既可减少温室气体污染,又可产生用途广泛的藻类生物能量
二氧化碳是产生温室效应的主要气体,因此,二氧化碳的处理成为人类改善环境的首要任务。
目前,人们虽然已经找到了一些搜集二氧化碳的方法,如海底封存、废弃煤矿封存、油田封存,等等;但因封存成本高、操作难,并可能引起其他环境灾难等问题,上述方法没有得到广泛应用。
在诸多二氧化碳回收利用的方法中,“生物固碳法”越来越受到重视,被认为是一种高效、安全的固碳方式,并在一些企业已经得到应用。
“固碳”首推生物法
所谓“生物固碳”,是指养殖一些能够快速吸收二氧化碳的植物。
生物法捕集二氧化碳技术,主要是利用植物的光合作用来捕集和固定二氧化碳。事实上,大多数植物的光合反应效率都比较低,尤其是高等植物;相反,一些体量较小且结构简单的植物,因为不需要耗能为自身传递养分,光合作用的效率较高,即将光能转化为化学能的效率较高。单细胞藻类就是典型代表。藻类是最小、最简单的植物,没有一般植物所具备的根茎叶的分化,它的载体是水,它几乎把所有吸收到的能量都用于再繁殖。因此,藻类的生长速度极快,与同等面积的农作物相比,藻类的产量可达农作物的数十倍。
在光合作用的过程中,藻类吸收二氧化碳,将其转化为富含糖分、蛋白质和油类的生物能量。有数据表明,藻类对光量子(太阳能)的吸收转化率可达15%～18%,而一般农作物的光能转化率只有1%～3%。每生产100吨水藻,约可吸收利用470吨碳元素,可转化掉185吨二氧化碳。因此,养殖藻类是控制和减少大气中二氧化碳的一种有效途径。与此同时,还能产生一定的经济效益。随着国际碳排放交易市场的完善,水藻产业还可以通过碳交易获得额外的附加值。
生物首选藻养殖
藻类主要依靠光能和二氧化碳生长。目前,全球已知的藻类达3万多种。藻类养殖具有重要的经济和社会价值。
从藻类中,可以提取人类所需要的不饱和脂肪酸(生产生物柴油的主要原料)、乙醇、琼胶、糖等物质,剩余的物质可以给我们提供燃料、饲料和肥料等,可广泛应用于人类食品、动物饲料、工业生产、医药开发等多个领域。
以人们较为熟悉的螺旋藻为例。螺旋藻作为藻类的一种,其蛋白质含量高达60%～70%,相当于小麦的6倍,猪肉的4倍,鱼肉的3倍,鸡蛋的5倍,干酪的2.4倍,且消化吸收率高达95%以上,是人类迄今为止所发现的最优质的纯天然蛋白质食品源。
水藻可作为新型的高端有机肥料,安全无污染。水藻肥料可以提高农作物对氮、磷等大量营养元素的吸收利用率,从而减少化学肥料的使用;水藻肥料还可以活化土壤中的微生物活性,构成健康微生态系统,以抵抗一些有害生物;同时水藻肥料丰富的中微量元素和天然生长调节剂可以提高植物的免疫能力,从而减少甚至是不使用化学农药。
从食品安全角度来看,水藻肥料的推广和应用意义重大。目前,有机农业在国际上发展势头迅猛,国内也逐渐与国际接轨,建立了用于有机食品和绿色食品生产的农业投入品认证体系。
藻类还可以产出高质量的生物柴油。
与从玉米、大豆、油菜制取生物柴油相比,藻类有很多独特的优势。首先,水藻的培育不占用耕地面积。其次,水藻的生长周期很短,从出生到可以制油只需两周左右的时间,而其他油料作物的生长周期通常需要几个月。再者,水藻的单位产油量高,是玉米的数百倍。
有数据表明,在一年的生长期内,一公顷玉米能产172升生物燃油,一公顷大豆能产446升,一公顷油菜籽能产1190升,一公顷棕榈树能产5950升,而一公顷水藻能产9.5万升。
据悉,中石化、壳牌、埃克森美孚等知名企业都在研发水藻制油。但截至目前,全球还没有产业化成功的案例。究其原因,主要是藻类制油的成本还太高,阻碍了产业化进程。
投资养藻需谨慎
国内关于藻类养殖的研究已经开展了近三十年,解决了大量技术难题,同时,也培养出了一大批科研人员。但是,对于初涉这一行业的投资人而言,藻类养殖依然需要注意很多问题。
首先,选种当地化。我国藻类分布很广,在藻类的养殖选种时要规避外来物种对当地物种的影响,要在当地寻找适合的藻类进行养殖。要获得高产的藻类,还需要进行一定的生物改良,并从中挑选适合养殖需要的品种。比如,适合产油的藻类有硅藻、红藻、金藻、褐藻、绿藻、甲藻、蓝藻和黄藻等近百种。藻类养殖可以根据具体需求选养不同的藻类,通过控制各个养分的配给获得所需要的东西。
其次,选择养殖区域。养殖区要有充足的二氧化碳供应。二氧化碳是藻类合成有机物的碳源,二氧化碳的供给量直接影响藻类的产量,因此,藻类养殖可以作为冶金和火力发电行业的下游产业。这两个行业一般地处比较偏僻、土地价格相对也较低的地区。在选址养殖区域时,可优先考虑冶金与火力发电相关企业的附近,还可以降低成本。
除此之外,藻类养殖还需要大量硬件设备:(一)二氧化碳收集及净化系统。收集系统主要设备有引风机,去除二氧化硫、三氧化硫的反应器等,其中,反应器要使用耐腐蚀材料制造。(二)二氧化碳供给系统,根据需要,实现气体的自动调节。(三)氧气收集。藻类在光合作用过程中,会产生氧气,而过量的氧气会影响进一步的光合作用,因此,过量的氧气必须及时排出。(四)藻类养殖器或池。养殖池是露天养殖需要的水池,对水池的要求是无毒材料制造、无水流失即可。养殖器是封闭养殖需要的设备,需要有很好的透光性、无毒,可采用玻璃、有机玻璃材料。养殖池与养殖器的差别在于:养殖池光照好、水易蒸发,控制水的盐度和温度的难度较大,水藻生长速度不均匀(白天有太阳光照,晚上则没有);养殖器光照差,省水,水的盐度易控制,可通过对光和温度的控制实现藻类快速生长。因此,建议采用养殖器进行封闭式养殖。(五)藻类收集系统。(六)藻类制油系统或其他(依据所养藻类的具体用途而定)。以制油为例,藻类制油的方法是,采用溶剂法、声波法把脂类从藻类里分离出来,然后,用生物化学的方法将脂类变成油,再通过对油的进一步加工获得柴油等。
藻类养殖,既能产生经济效益,又能固碳减排改善坏境,可谓一举两得。
作者系美国旧金山大学研究生
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