CO2生物利用技术.pdf

二氧化碳生物利用技术二氧化碳（C02）生物利用技术是指以生物转化为主要特征，通过植物光合 作用等，将CO2用于生物质的合成，从而实现CO2资源化利用。近年来，co2 生物利用技术已经成为全球CCUS（二氧化碳捕集、利用及封存）中的后起之秀（Styring&Jansen,2011）。CO2生物利用技术不仅将在二氧化碳减排上发挥作 用，还将带来巨大的经济效益，因此，加快CO2生物利用重要核心技术的研发、积极培育相关产业，将对我国工农业的可持续发展产生重要影响。当前，CO2生物利用技术还处于初期发展阶段，其研究主要集中在微藻固碳 和CO2气肥使用上。其中，微藻固碳技术主要用于能源、食品和饲料添加剂、肥料等生产，包括微藻固定CO2转化液体燃料和化工产品、微藻固定CO2转化 为生物肥料、微藻固定CO2转化为食品和饲料添加剂等。微藻生长周期短，固 碳效率高，其固碳效率是陆生植物的10倍50倍，同时微藻的繁殖能力强、易 培养，生产环节简单，适宜规模养殖并且不占用耕地。特别的，某些微藻还具有 耐受极端环境的特性，如高温、高盐度、极端pH、高光照强度及高CO2浓度等（杨忠华、李方芳、曹亚飞等，2012）。所以，目前生物固碳的研究工作主要集 中在微藻固碳上。止匕外，由于我国拥有世界最大面积的种植大棚，CO2作为气肥 在这类大棚温室中会得到广泛应用。本报告将对这些技术进行详细介绍和评估（见图5.1）。r 能源-微藻固定CO2转化为生物燃料和化C2生物利用 4 能源和饲料添加剂-微藻固定CO2转化为食品和饲料添技术体系 I-r 微藻固定CO2转化为生物肥（肥料 Bioreal(Kihei&Hawaii,USA)、Parrys Pharmaceuticals(Chennai,India)Algatech(Kibbutz&Ketura,Israel)等。这些公司采用的工艺类似。首先利用光反应器繁殖运动的细 胞，然后在开放池中通过改变光强和营养等条件诱导运动的细胞形成抱子，积累 虾青素，通常虾青素可达细胞干重的1.5%3%(Spolaore,et al.2006)。我国在 90年代就开始了生产虾青素微藻的培养工作(金传荫、宋立荣、刘永定，1996)。在湖北建立了荆州天然虾青素公司，在云南建立了爱尔发生物技术有限公司，其 它还包括山东威福思特生物技术有限公司和昆明白鸥微藻技术有限公司等。但这 些公司规模都很小,年产虾青素粉10 t左右，还没有与二氧化碳的减排结合起来。目前，推广该项技术的难点有两个：一是高浓度二氧化碳环境下能快速生长 的雨生红球藻的筛选和遗传改良。解决的方法包括野外筛选和利用已有的雨生红 球藻进行随机和定向的遗传改良。二是进一步研究虾青素生产方法，提高产量，降低成本和价格。鉴于我国已有较好的雨生红球藻的研究基础和较强的藻类细胞 和分子生物学的研究团队(李健、张学成、胡鸿钧等2012),该技术有望在1年2年内实现技术的推广。5.1.1 经济可行性此技术即使在没有碳收益的情况下，也可以实现盈利（见表5.9）。技术成本 主要在微藻的培养和藻粉的制备方面。目前报道利用开放池培养的藻粉最低成本 是36元/千克（4.5欧元/千克），利用板式反应器的成本是48元/千克（6欧元/千克）（Norsker,et al.2011;Styring&Jansen,201 Do由于生产虾青素需要两步法,成本需要加倍。在10 hn?面积的土地上养藻，干燥后的藻粉目前市场价在每千 克2 000元，但是要与目前合成的虾青素竞争，每吨藻粉的价格必须降到每千克 500元左右。总的效益以每千克500元计算，预计到2020年建成10 hm2的跑道 开放池养藻基地5个，产值为6.3亿，利润约为5.4亿。2030年建成10 hn?的跑 道开放池养藻基地5个，板式反应器养藻基地5个，产值为26.3亿，利润约为 21.5 亿。表5.9微藻固定CO2转化为饲料添加剂技术收益表跑道开放池板式反应器藻粉（吨/公顷）2580干藻粉（亿元/公顷）0.1250.4产值（亿元/公顷）0.1250.4目前国际上虾青素市场总规模为每年15亿人民币以上，主要用于动物饲料 添加剂，以提高养殖业（如三文鱼、鞋鱼）产品的产量和品质。但大部分市场被 化学合成的虾青素占领，供应商有BASF（Ludwig-shafen,Germany）和Hoffman-La Roche（Basel,Switzerland）,价格为每千克 2 500 美元（Spolaore,et al.2006）。由 于利用雨生红球生产的虾青素更易被动物吸收，并且含有蛋白质、维生素等其它 营养成分，每吨藻粉的价格如果降到每千克500元以下，就能很快占领市场，但 总的市场还是有限，所以必须开拓虾青素的保健品和药品等市场。5.1.2 环境社会影响本技术是注重环境保护的二氧化碳减排方式。生产过程中没有化学药品的污 染。同时，在固定二氧化碳的过程中，还可减少氮化物、硫化物和烟尘的排放（Lam,et al.2012）,释放氧气，改善空气环境。该项技术的最大特点是经济效益好，不依赖于碳补贴就可推广。缺点是市场 容量有限，需要开拓新的市场。目前，该技术推广的主要障碍是藻种的选育和生 产成本的降低。建议国家出台相关的激励措施，实现大面积的技术推广应用。5.2二氧化碳气肥利用技术5.2.1 技术简介二氧化碳温室气肥利用技术（简称气肥技术；CO2-GF）是将来自能源、工 业生产过程中捕集、提纯的CO2注入温室，增加温室中CO2的浓度来提升作物 光合作用速率，以提高作物产量的CO2利用技术。该技术主要通过农业温室生 产的方式，提高农作物的产量，减少CO2排放。该技术环节主要包括：CO2存储 注入，温室CO2浓度监控，温室CO2浓度与作物生长阶段匹配调控等。核心技 术是温室浓度与作物生长过程的协调优化。二氧化碳是蔬菜作物的粮食（刘建平、王金勋、李洪龙等，1999）。温室栽 培相对密闭，温室内空气与外界空气不能正常的对流，致使光合作用所需的CO2 不足，限制了作物的产量和效益。夜间作物呼吸作用、土壤微生物活动和有机质 的分解使室内CO2浓度达到500 ppm600 ppm；日出2 h3 h,CO2浓度下降至 作物补偿点100 Ppm以下，叶片不能从周围环境中吸收CO2,光合作用基本停止,作物处于临时休眠状态；当温室CO2提高到1 000 ppml 500 ppm,植物的光合 作用可以提高一倍，产量增加20%50%（董琪辉，2005）o传统的气肥施用技术已经进入商业化阶段。例如，二氧化碳发生器装置（稀 硫酸与碳酸氢钱化学反应），二氧化碳气肥棒技术，双微二氧化碳气肥、新型二 氧化碳复合气肥（颗粒气肥），液化气等是典型的CO2温室增排技术。但目前二 氧化碳温室气肥利用技术具有一次投入成本较高、操作复杂等缺点，仍处于技术 研发阶段。我国拥有250万hm2温室，是世界设施园艺面积最大的国家（史艳华,2008）。通过大规模推广CO2温室气肥利用技术能增加作物产量，切实提高农户经济收 入，降低作物病虫害发病率和减少农药施用量，同时通过CO2的生物利用发挥 CO2减排的环境效益，是国际碳捕集封存与利用（CCUS）领域可行的发展方向。5.2.2 减排潜力二氧化碳温室气肥利用技术的减排方式属于直接减排。现阶段，温室生产中 普遍使用co2发生器装置，其具有经济实惠、操作简便、原料易得和增产增收 效益明显等优势（王德勤、徐宏业，2001）,可以作为减排评估的基准线。但其 发生装置是通过碳酸氢镀加硫酸反应的方式生成CO2供温室使用，整个过程不 减少CO2的排放。捕集二氧化碳温室气肥利用技术与基准线情景相比，减排潜 力较大，理论年减排潜力可达约340万to1.捕集C02温室气肥利用技术减排量计算方法计算方法（一）：基于李长春等（2006）的设施栽培温室实验处理方法，在保持温室内C02 浓度为1 500ppm时，日需温室C02利用计算公式为（李长春，2006W=1.942VW：施入二氧化碳重量，单位克（g）；V：为温室的容积，单位立方米（n?）。计算方法（二）：袁圣菊实验分析表明，温室作物单位体积内对CO2气肥的需求如表5.10所 示。标态每n?气态C02的重量为L9772kg（袁圣菊、倪韩燕，2000）o表5.10每100 n?大棚为单位施用CO2气体数量温室CO2浓度（ppm）日施CO2体积（L）400105002060030700501 100100计算方法（三）：温室蔬菜平均亩产为5 000 kg（赵文怀，2005；薛志成，2008；赵海林，2005；魏超，2006；栾润芬、陈德成、任晓光，2005；侯恒记，2010）,施用CCh气肥 增产30%（魏秀翠、杨金明、廖开志等，2008；于丽萍，2008；范书华，2001）,则蔬菜生物量亩产净增产1 500 kg0按干物质30%计算，约为450 kg。按1：1.63 换算成C02,约为0.733吨。2.全国温室体积估算方法根据文献，2007年我国设施园艺总面积达到292.19万hm2o而依据史艳华 报告，2008年全国温室面积为250万hn?（史艳华，2008）。本报告按照保守原 则，采用全国温室面积为250万hn?。我国温室的结构和建造材料种类较多，主 要可分为简易竹木结构温室、焊接钢结构温室和镀锌钢管装配式温室。我国温室 的肩高为1m1.8 m,脊高1.8 m3.2 m,本报告采用1.4 m做为平均温室高度。因此，我国温室总体积为350亿n?。3.温室年注入CO2天数由于我国温室生产以蔬菜为主，叶菜的整个生长期均可以注入CO2,果菜在 苗期和瓜果期施用o鉴于我国温室主要在低温阶段使用，特别是北方的冬季为主，本报告采用50天作为温室年注入CO2天数。根据计算方法（一），我国温室CO2年利用量为34。万t；根据计算方法（二），我国温室C02年利用量为346万t；根据计算方法（三），我国温室CO2年净减排量为183万通过计算可知，捕集二氧化碳温室气肥利用技术的理论年减排潜力约为340 万to5.2.3 减排潜力我国温室设施园艺生产规模己从1981年的0.72万hn?猛增到2007年的 292.19万hn?（李天来，2005）（史艳华报道2008年全国温室面积为250万hm2）,一跃成为世界设施园艺面积最大的国家（见图5.5）。未来，随着我国农业现代化 进程加快，设施园艺将进一步快速发展，质量不断提高，面积也将呈快速扩张趋 势。因此，捕集二氧化碳温室气肥利用技术发展前景非常可观。年份Ymr图5.5中国设施园艺面积的年度变化目前，捕集二氧化碳温室气肥利用技术仍处于研发示范阶段。主要受初次投 入成本较高和技术复杂性的限制，其在全国温室生产面积中的应用比例极低。通 过进一步的技术研发，降低一次投入成本，形成用户友好的成熟产品，该技术有 望在全国半数经济效益较好的温室中应用，可行利用量达到170万3净减排量 达到90万t。预计2020年推广至全国0.2%温室，2030年全国8%温室，减排潜 力见表5.11.表5.11二氧化碳气肥利用技术减排潜力评价表单位产品减排量分析（t/t产品）中长期减排潜力（万 t/a）直接利用直接减排原料替代减排 产品替代减排综合减排2020 年2030 年1.630.86000.860.3614.45.2.4 技术的成熟度及应用目前，捕集二氧化碳温室气肥利用技术总体处于初试阶段，其技术推广还需 5年8年的时间，但技术发展趋势非常可观。温室C02浓度监测系统现阶段处于设计研发、实验阶段。二氧化碳浓度监 控系统经历了从普通的自动监测到最新的无线智能监测。基于STC89C55的低成 本简易，温室控制系统可对温室内的CO2浓度等环境因子进行实时监控，并可 以按照预先设定的参数对温室各环境因素进行自动调节（陈方元、赖忠喜、陈文 波等，2012）。以单片机为核心，采用相应的传感器设计的温室大棚种植参数采 集控制系统，可实现温室的光照度、温湿度和CO2浓度等环境因子的自动监控（彭其圣、刘松龄，2004；赵锋、纪建伟、李芳等，2004）o集成WIFI功能和 ARM内核的SoC芯片GS1010为核心的智能温室环境控制系统，实现了通过无 线网络对智能温室内温湿度、光照和CO2浓度进行监测与调控（马增炜、马锦 儒、李亚敏等,2011）o温室CO2存储与注入目前处于接近商业化的应用现状，但大面积温室作物 种植过程中应用的还相对较少。国内学者做了相关方面研究。例如：闫东霞运用 鸡西市氧气厂的副产品二氧化碳，在试验地里做了温室施用二氧化碳对蔬菜作物 产量的实验（闫东霞，2004）；宋德朝运用市售的瓶装二氧化碳，研究了二氧化 碳气肥对设施果树的效应（宋德朝，2006）；陈现臣运用鞍山市高压容器厂生产 的GPT-216-150-40型无缝瓶为CCh储存器，分析了 CCh气肥对温室蔬菜作物产 量和效益的影响（陈现臣、王彩霞、曾学清，2003）；刘培玉运用工业二氧化碳 尾气，对如何增施温室二氧化碳气肥做了全面的分析（刘培玉，2005）o温室CO2浓度与作物生长阶段匹配调控技术还处在试验阶段。经过大量实验表明，温室作物定植成活后便可施用C02,前期作物生长速度慢，叶片小，光 合能力弱，施用C02的浓度可以稍微低一点；随着作物的生长发育，叶片的光 合能力逐步增强，施用CO2的浓度可逐步提高；在作物开花、结果阶段，施用 效果最好（万旻、张革，2000）o育苗期间从子叶展平到充分变绿时起，施放20 天30天二氧化碳，能明显提高秧苗质量；定植后的果菜类生产田从开花坐果起 至棚室夜间不闭风止，施入二氧化碳明显增产（董琪辉，2005）0集成了温室CO2监测、存储与注入、CO2浓度与作物生长阶段匹配调控技术 的捕集CO2温室气肥利用技术尚未有成熟的或应用较广的产品。从技术层面，捕集CO2温室气肥利用技术需要开展进一步的研发，形成低成本、用户友好的 成熟产品。5.2.5 经济可行性目前市场条件下，捕集二氧化碳温室气肥利用技术的经济可行性较低。首先，该技术优势不明显，成本较高，收益处于低等水平，商业可行性较弱；其次，存 在数种低成本的简单替代技术占领市场，该技术的竞争能力较弱；最后，该技术 存在成本投入过高的障碍因素。国家也未有相关政策倾斜支持与鼓励，也没有鼓 励应用的相关法律规范或标准。在基准线情景下，常规技术中的二氧化碳发生器装置购置需要近350元，一 次加入碳酸氢镂75 kg,硫酸3.99 L,所产生的二氧化碳可供667 m2温室使用10 天，一个生长季需要增加原料用5次，成本约为440元（王德勤、徐宏业，2001；路文裕，2004）o捕集二氧化碳温室气肥利用技术的投入成本和运行成本都很高。CO2浓度监 测技术、集成自动的CO2注入与浓度控制装置、适宜存储与运输容器为高压钢 瓶和捕集CO2温室气肥利用技术示范装置等成本都需要大量的资金支持。高压 钢瓶运费、装卸和后期维修费用均较高（喻西崇、李志军、郑晓鹏等，2008）o 现阶段，全球碳捕集活动的目标成本是小于20美元，我国通行的高压液化CO2 的生产成本较高（赵树兴、杨兆波，2002）,目前市场上标准CO2气体大约为1 500 元/吨。温室采用捕集CO2气肥后，亩增产值约700元4 000元（彭相儒、张超林,2002；范书华，2001）,按照史艳华2008年全国温室面积为250万hn?计算（史 艳华，2008）,全国使用CO2气肥的温室每年可增净产值约262.5亿元1 499.25 亿元；温室作物产量提高30%50%。本报告采用保守原则，采用增产30%（魏 秀翠、杨金明、廖开志等，2008；于丽萍，2008；彭相儒，2002；范书华，2001）,我国设施蔬菜总产值为3 430.48亿元，净产值2 193.06亿元，使用CO2气肥可 提高蔬菜产值1 029.14亿元，净产值657.91亿元。预计2020年推广至全国0.2%温室，总产值为2亿，2030年推广至全国8%温室，总产值为80亿。综合来看，捕集二氧化碳温室气肥利用技术与现行常规技术对比，主要劣势 是投入成本巨大，而后期运行成本差别不大。造成投入巨大的主要原因是没有高 度集成、大规模生产的成熟产品，带有试验性质的试制设备附带了高昂的研发与 示范成本。5.2.6 环境社会影响捕集二氧化碳温室气肥利用技术规模化应用于温室作物，每年可直接吸收利 用CO2约340万3相当于直接减少CO2排放量340万t。且技术产品在制备和 应用过程中产生的基本上没有污染。温室利用该技术后，明显降低了病虫害的发 病率和农药施用量（彭相儒、张超林，2002）o捕集二氧化碳温室气肥利用技术的环境效益、经济效益和社会效益均较强。与现行常规技术对比，捕集二氧化碳温室气肥利用技术的主要劣势是投入成本巨 大。技术层面上，捕集二氧化碳温室气肥利用技术需要开展进一步的研发，形成 低成本、用户友好的成熟产品投入市场。从政策层面，制定鼓励捕集CO2温室 气肥利用技术在我国温室主要生产省份的示范与推广。5.3二氧化碳生物利用小结通过上述对CO2生物利用技术分析，可以看出生物固碳同地质和化工固碳 相比，有以下显著的特点：1.模拟自然，缓慢固碳。生物固碳的本质是增加植物光合作用的效率，单 个工程或技术固碳量低，单项技术固碳的贡献率在千吨和十万吨之间，但综合效 应明显。在50%的稻田中使用微藻生物肥料，每年可固定二氧化碳近9千万3 在50%的温室添加二氧化碳气肥，每年可利用二氧化碳170万to2.绿色固碳，社会认同。除转化为液体原料和化学品外，生物固碳技术在 生产过程中基本上没有二次污染，不使用化学试剂；微藻在固碳的过程中，还能 吸收硫化物等，改善空气质量。3.变废为宝，创造效益。固碳后的微藻富含不饱和脂肪酸、虾青素等高附 加值产品，能带来可观的经济效益。捕集二氧化碳温室气肥利用技术可提高蔬菜 水果的产量30%。4.技术实用，易于推广。微藻培养可在不同的规模和层次上放大和扩展，易于与其它的地质固碳技术和化工固碳技术耦连，产生累加效应。捕集C02温 室气肥利用技术可在不同规模的温室中采用。现阶段CO2气肥利用技术处于研发阶段其它三项技术都已经进入中试放 大研发与示范工程建设阶段，部分技术接近产业化，在当前的市场模式条件下表 现出了一定的经济可行性，若给予一定政策鼓励将具备较强的市场竞争力。虽然 到2030年，总的生物固碳在122万t左右，但由于其综合效益突出，估计在2050 年左右固碳会达到高峰，总的固碳会在1亿t左右，所以生物固碳技术是应值得 重点关注的技术。止匕外，目前国际上还有很多变革性的生物固碳技术出现，这些 技术仍处在基础研究阶段，尚需通过研发项目资助等途径推进技术发展进程。生物利用中长期减排潜力分类汇总中长期减排潜力（万吨）2020 年 2030 年直接减排10.36替代减排 综合减排 直接减排 替代减排 综合减排2.56 12.92 117.1 5.12 122.22CO2生物利用评估表（汇总）指标评价层评价指标微藻固定C02转化为生物 燃料和化学品技术（AB）微藻固定C02转化 为生物肥料技术（AF）微藻固定C02转 化为食品和饲料 添加剂技术（AS）C02气肥利用 技术（GF）国际现状水平（分值）注121.932国内现状水平（分值）21.932技术成熟度难度（分值）注211122020预期（分值）注34.74.653.32030预期（分值）5555直接利用量注47.255.81.81.8直接减排量注5原料替代减排量现状 F 60055.3-55.601.33-1.5600.950减排潜力产品替代减排量 注72.1000综合减排量注82.155.3-55.61.33-1.560.95减排潜力注92020 综合减排潜力（万0000一一 t）2.569.80.20.36值2030 综合减排量（万t）5.120（2012年的 八量价价值 产单均产116.4000.7 14.40 00 0产量注101.225 万 t1750 t1250 t2020 年2030 年单价注11 产值（亿元）产量 单价产值（亿元）8000 元/t 0.982.45 万 t8000 元/t1.963.6万元/t0.631.7 万 t3.6-4.8 万/t9.4850万元/t 6.3 6500 t 50 万/t 26.30 全国0.2%的温 室 N/A2 全国8%的温室 N/A80000技术应用的地 理特点 环境和社会效nil安全性/稳定 性经济可行性商业可行性（成本投入与经济效益）注12有利的条件下也需要一定 的碳收益才能获得经济效S/而有利的条件下也需 要一定的碳收益才 能获得经济效益无需碳收益即可 获得经济效益有利的条件下 也需要一定的 碳收益才能获 得经济效益技术间的竞争能力对比注13有竞争技术但不受市场容 量的制约。无竞争技术有竞争技术且受 市场容量制约有竞争技术但 不受市场容量 的制约相对于传统技术的安全性和稳定性 注140,与利用大豆油生产生物 柴油安全和稳定性相当0,无类似技术0,与利用发酵法 生产比风险减低1,与利用化学 法增加C02相 比，风险降低。技术本身的安全性和稳定性注154555二氧化碳源的地理局限注16有匹配局限无匹配局限有匹配局限有匹配局限环境和社会效益注173444.9N/A表示根据目前的情况没法预测o参考文献:常世彦，张希良，赵丽丽，欧训民.2011.生物燃料系统分析模型.生物工程学报.27(3):502509陈方元，赖忠喜，陈文波，赖跃凯.2012.一种简易温室控制系统的设计.电子设计工程.20(21):15-18陈现臣，王彩霞，曾学清.2003.设施二氧化碳气体施肥技术.甘肃农业.9:051陈玉泉.2003.稻田甲烷的产生及其与环境的关系.江苏农业科学.3:034董琪辉.2005.温室增施二氧化碳气肥增产增收.新农业.4:30范书华.2001.双微二氧化碳气肥在温室蔬菜生产中应用效果初探.牡丹江师范学院学报(自然科学版).1:009高春芳，余世实，吴庆余.2011.微藻生物柴油的发展.生物学通报.46(6):15路文裕.2004.CO2生物工程.第一届全国化学工程与生物化工年会论文集.205215郝宗娣，杨勋，时杰，张森，刘平怀.2013.微藻生物柴油的研究进展J.上海海洋大学学报.(2):282288侯恒记.2010.简易日光温室蔬菜三种三收模式.现代农村科技.(018):15江丽华，王梅，石璟.2012.微生物肥料施用现状及发展趋势.科技致富向导.(34):56金传荫，宋立荣，刘永定.1996.红球藻水生748株营养需求的研究.水生生物学报.20：293296黎尚豪.1981.固氮蓝藻作为晚稻肥源的研究.水生生物学集刊.7:417423.李长春.2006.日光温室黄瓜施用二氧化碳实验报告.吉林农业.10:026李健，张学成，胡鸿钧，王广策.2012.微藻生物技术产业前景和研发策略分析.科学通报.57(1):23-31李天来.2005.我国日光温室产业发展现状与前景.沈阳农业大学学报.36(2):131138刘建平，王金勋，李洪龙，吴晓华.1999.二氧化碳气肥在大棚栽培中的应用.福建农业科技.5:020刘培玉.2005.如何增施温棚二氧化碳气肥.现代农业科技.(13):11刘永定，范晓，胡征宇.2001.中国藻类学研究.武汉出版社栾润芬，陈德成，任晓光.2005.温室香瓜嫁接栽培技术.新农业.6:017马增炜，马锦儒，李亚敏.201L基于WIFI的智能温室监控系统设计.农机化研究.33(2):154160彭其圣，刘松龄.2004.单片机温室大棚种植参数监控系统.中南民族大学学报(自然科学 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