• CO2排放和氣候變化是緊迫的全球性危機(jī)。
• CCU技術(shù)已發(fā)展到利用CO2作為前體物生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品。
• 傳統(tǒng)的碳捕獲技術(shù)與微藻生物CCU兼容。
• CO2通過光合作用被轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化合物。
• 微藻生物CCU減少碳足跡，增加碳手印。
研究進(jìn)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(xué)家之間的合作行動(dòng)。國際條約(如《巴黎協(xié)定》(有196個(gè)簽署國))反映了人為氣候變化作為全球公眾真正關(guān)心的問題的重要性。為實(shí)現(xiàn)氣候恢復(fù)的目標(biāo)，采用最廣泛的CO2減少戰(zhàn)略(包括碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS)，碳捕獲、利用和儲(chǔ)存(CCUS))，本文對碳捕獲與利用(CCU)技術(shù)進(jìn)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(chǎn)生排放中性或負(fù)增值產(chǎn)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(shù)，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(zhuǎn)化為有價(jià)值的生物分子的機(jī)理。微藻細(xì)胞利用CO2作為合成大分子的前體物(包括脂類、蛋白質(zhì)、碳水化合物和色素)，并在產(chǎn)業(yè)相關(guān)性和市場價(jià)值的框架內(nèi)討論這些內(nèi)容。微藻產(chǎn)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(fù)產(chǎn)物減少碳排放)的途徑。最后，對現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和認(rèn)知不足進(jìn)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(chǎn)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(gè)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(jìn)一步研究改進(jìn)。胺吸收和物理吸附等方法都有可能將CO2轉(zhuǎn)移到液體微藻培養(yǎng)基中，但它們各自有各自的缺點(diǎn)(在CO2到達(dá)微藻生物反應(yīng)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(guān)于吸附劑對pH中性微藻生長介質(zhì)傳質(zhì)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(bǔ)這一知識空白。其他CO2捕獲技術(shù)，如膜分離和低溫蒸餾，成本太高，無法用微藻VAPs的經(jīng)濟(jì)回報(bào)來抵消。然而，如果未來的研究能夠解決財(cái)務(wù)和能源成本，這些方法在技術(shù)上與微藻生物CCU兼容。
為了抵消微藻生物CCU的養(yǎng)殖費(fèi)用，微藻生物量可以升級為大量可銷售的生物產(chǎn)品，可再生能源是一個(gè)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(chǎn)的目標(biāo)。過去20年的勤奮研究不斷改善了微藻生物生產(chǎn)的缺點(diǎn)，提油藻渣可用于產(chǎn)生其他形式的生物能源(如通過厭氧消化產(chǎn)生沼氣或通過發(fā)酵途徑產(chǎn)生酒精)。還有一些研究將水熱合成技術(shù)(傳統(tǒng)上用于升級石油燃料)應(yīng)用于整個(gè)微藻生物質(zhì)，以產(chǎn)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(cái)務(wù)成本以及與石油相比生物燃料的產(chǎn)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(bǔ)充劑方面的價(jià)值已經(jīng)很高，如：純素vegan omega脂肪酸補(bǔ)充劑，具有抗炎和抗氧化特性的葉綠素和藻藍(lán)素等植物營養(yǎng)素，以及高質(zhì)量的蛋白質(zhì)。微藻聚合物用于生物塑料生產(chǎn)(如PHAs和PHB)顯示了巨大的前景，然而由于產(chǎn)量低、收獲和純化困難，阻止了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模之外的生物塑料高效生產(chǎn)。
這篇綜述闡明了微藻能夠生產(chǎn)的可銷售VAPs的多樣性，以及它們?yōu)槿蛏锝?jīng)濟(jì)注入新的財(cái)富來源的潛力。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(shí)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)競爭力的生物煉制方案。這些挑戰(zhàn)是有可能通過科學(xué)研究和政府投資和激勵(lì)來克服。
結(jié)論
減少CO2產(chǎn)生和在排放前捕獲CO2是在不嚴(yán)重干擾全球運(yùn)輸和工業(yè)活動(dòng)的情況下緩解氣候變化的兩個(gè)選擇。世界人口快速增長，工業(yè)化不斷發(fā)展以滿足社會(huì)需求。因此，產(chǎn)生和排放了大量的CO2，尤其是能源和運(yùn)輸部門。各國政府必須與科學(xué)家和行業(yè)合作伙伴共同努力，以實(shí)現(xiàn)這些變化。排放控制的第一個(gè)要素是管制有害化合物，并建立更嚴(yán)格懲罰溫室氣體排放的法律框架。第二個(gè)要素是通過補(bǔ)貼、稅收減免和投資平臺(tái)，為開發(fā)和實(shí)施綠色技術(shù)提供激勵(lì)，以確保碳中和或負(fù)碳技術(shù)和行業(yè)的可持續(xù)。為了在保護(hù)氣候的同時(shí)鼓勵(lì)這種經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，必須與工業(yè)合作伙伴共同開發(fā)有效的CO2捕獲方法?；瘜W(xué)吸收、膜分離和物理吸附技術(shù)是燃燒后CO2捕獲的常用方法。而隨后的冷凝和深海或地質(zhì)儲(chǔ)存所捕獲的CO2是不可持續(xù)的。為了在2045年之前達(dá)成《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)全球碳中和，必須利用這些捕獲的碳，而不是掩埋。已經(jīng)測試了幾種化學(xué)、電化學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)化為精細(xì)化學(xué)品;然而，這些化學(xué)反應(yīng)是在高溫高壓下用高度純化的CO2進(jìn)行的。這些方法的能源和財(cái)務(wù)成本同樣是不可持續(xù)的。通過這篇綜述，最可行的實(shí)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(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化，變得極為高效。隨著時(shí)間的推移，即使在低濃度的CO2下，碳捕獲機(jī)制也能夠高效地固存CO2。微藻同樣擅長將CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的生物分子，這為抵消微藻培養(yǎng)用于捕獲CO2的運(yùn)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(yīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)對全球氣候變化的危險(xiǎn)。
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