黃英明，王偉良，李元廣，謝靜莉，范建華，陶黎明

1 中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心，北京 100036 2 華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237

微藻能源技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展思路與策略

黃英明1，王偉良2，李元廣2，謝靜莉2，范建華2，陶黎明2

1 中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展中心，北京 100036 2 華東理工大學(xué) 生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237

隨著石油資源的日益減少及實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的迫切需要，微藻能源已成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究與發(fā)展的戰(zhàn)略方向。微藻能源關(guān)系國(guó)家能源重大戰(zhàn)略儲(chǔ)備，因此我國(guó)迫切需要自主開(kāi)發(fā)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。文中分析了我國(guó)發(fā)展微藻能源的優(yōu)勢(shì)，及目前微藻能源產(chǎn)業(yè)化中存在的瓶頸和亟待解決的問(wèn)題，既包括基礎(chǔ)科學(xué)研究?jī)?nèi)容，也包括產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出微藻能源的發(fā)展思路和策略，指出了其產(chǎn)業(yè)化中的主要環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展方向，展望了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

微藻能源，技術(shù)開(kāi)發(fā)，產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展策略

Abstract:With the dwindling of fossil fuels supply and the urgent need for the development of low-carbon economy, microalgae bioenergy, both renewable and environmentally friendly, has become one of the worldwide focuses.Given its benefit to the security of national energy supply, microalgae energy is particularly significant for China, with more than 50% crude oil imported and limited arable land for grain and edible oil production.In this article, both the advantages of microalgae bioenergy and the challenges of its development are addressed, which involves fundamental research and technology development as well as commercial production.Furthermore, strategies are proposed for China’s microalgae bioenergy development, and its prospects are projected.

Keywords:microalgae bioenergy, R & D, commercial production, development strategy

1 微藻能源正成為重點(diǎn)研究的戰(zhàn)略方向

1.1 發(fā)展微藻能源的重要意義

眾所周知，資源、能源和環(huán)境是當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展面臨和必須解決的三大難題。目前，我國(guó)能源短缺形勢(shì)嚴(yán)峻，石油等化石能源儲(chǔ)備嚴(yán)重不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)高速發(fā)展的需要，迫切需要從戰(zhàn)略角度發(fā)展新的可再生能源。受技術(shù)和資源等因素限制，核能、風(fēng)能、潮汐能以及太陽(yáng)能等替代能源，還無(wú)法替代石油等傳統(tǒng)化石能源，液體燃料仍具有不可替代性。近年來(lái)，作為液體燃料之一的生物柴油，是國(guó)際上可再生能源的新生力量，因可直接利用現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)及加油站等設(shè)施，且對(duì)環(huán)境友好(N、S含量低)，同時(shí)其熱值接近化石柴油，因而發(fā)展迅猛，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在柴油市場(chǎng)所占比例穩(wěn)步上升，但原料不足是限制國(guó)內(nèi)外生物柴油大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。

CO2減排已成為亟待解決的全球性問(wèn)題。2009年聯(lián)合國(guó)哥本哈根氣候大會(huì)，標(biāo)志著一個(gè)以減少碳排放和提升碳吸儲(chǔ)能力為核心的低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來(lái)臨。目前，我國(guó)已經(jīng)將發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)納入國(guó)家總體發(fā)展戰(zhàn)略，并提出了到2020年，單位GDP排放CO2比2005年下降40～45%的自主行動(dòng)目標(biāo)[1]。要實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱的能源產(chǎn)業(yè)，必須在CO2減排中發(fā)揮主導(dǎo)作用。

目前，生產(chǎn)生物柴油所用原料均源于油料作物，由于油料作物的油脂面積產(chǎn)率不高，大力發(fā)展生物柴油必然要占用大量耕地，影響糧食生產(chǎn)。而微藻種類繁多、分布廣，是最簡(jiǎn)單、最古老的低等植物，可直接利用陽(yáng)光、CO2及N、P等簡(jiǎn)單營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速生長(zhǎng)并在胞內(nèi)合成大量油脂(主要是甘油三酯)，為生物柴油生產(chǎn)提供新的油脂資源。目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，作為一種新的生物能源，微藻能源發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2 微藻能源發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀

微藻作為生物柴油原料的研究始于 20世紀(jì) 60年代。20世紀(jì) 70年代中東戰(zhàn)爭(zhēng)等因素導(dǎo)致國(guó)際原油供應(yīng)緊張，美國(guó)、日本、澳大利亞等西方國(guó)家為了減少對(duì)進(jìn)口原油的依賴，大力資助微藻培養(yǎng)產(chǎn)油項(xiàng)目[2]。其中，美國(guó)在1978?1996年由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)牽頭并聯(lián)合多個(gè)單位進(jìn)行的《水生物種計(jì)劃—藻類生物柴油》(Aquatic species program—biodiesel from algae，ASP)最為著名，該計(jì)劃開(kāi)展了包括產(chǎn)油微藻優(yōu)良藻種篩選、培養(yǎng)模式、油脂代謝調(diào)控與分子操作等方面的研究。雖然利用微藻產(chǎn)油在技術(shù)上可行，但其成本比當(dāng)時(shí)石油價(jià)格高出很多[2]。所以，能源微藻的研發(fā)曾一度中斷。

20世紀(jì) 90年代以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油需求增加，不僅導(dǎo)致價(jià)格上漲，而且石油基能源產(chǎn)品的大量消費(fèi)使溫室氣體排放增加，生態(tài)環(huán)境惡化，世界各國(guó)又開(kāi)始大力發(fā)展環(huán)境友好的微藻生物柴油[3]。2006—2008年，石油價(jià)格的大幅上揚(yáng)，進(jìn)一步推進(jìn)了微藻能源(主要是生物柴油)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛投入或計(jì)劃投入大量資金進(jìn)行微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)，在國(guó)際上掀起了一股勢(shì)不可擋的微藻能源開(kāi)發(fā)熱潮[4]，如?？松梨诠居?2009年7月宣布，將啟動(dòng)一項(xiàng)規(guī)模達(dá)6億美元的藻類生物燃料計(jì)劃[5]。

為了加快微藻能源的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和總體部署，2008年12月，美國(guó)能源部召開(kāi)了國(guó)家藻類生物燃料發(fā)展規(guī)劃研討會(huì)，2009年發(fā)布了《藻類生物燃料技術(shù)路線圖》草案，并于2010年6月28日正式發(fā)布[6]。英國(guó)、澳大利亞等一些發(fā)達(dá)國(guó)家也都紛紛啟動(dòng)了微藻生物柴油方面的科研項(xiàng)目，目前全球已有150多家專門從事微藻能源開(kāi)發(fā)的公司，但迄今國(guó)內(nèi)外尚無(wú)經(jīng)濟(jì)上可行的微藻能源生產(chǎn)系統(tǒng)[7]。據(jù)英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》2010年6月10日?qǐng)?bào)道，空中客車公司“新一代鉆石DA42”飛機(jī)，采用100%微藻生物燃料驅(qū)動(dòng)，在6月8日開(kāi)幕的柏林國(guó)際航空航天展覽會(huì)上完成首飛，首次證明了微藻生物燃料完全可以獨(dú)立為飛機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，并且使用微藻生物燃料后排放的尾氣中，碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锖土蜓趸锓謩e是化石燃料的1/8、60%和1/60[8]。

我國(guó)近年來(lái)也加大了對(duì)微藻生物柴油的研發(fā)力度，政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)微藻生物柴油的開(kāi)發(fā)予以了高度重視。例如科技部于2009年開(kāi)始啟動(dòng)微藻能源方面的863重點(diǎn)項(xiàng)目；在“十二五”期間將在973計(jì)劃及863計(jì)劃中對(duì)微藻能源予以立項(xiàng)支持；中石化、中石油以及中海油等能源巨頭均對(duì)微藻能源予以高度的重視；華東理工大學(xué)與上海澤元海洋生物技術(shù)有限公司聯(lián)合在江蘇泰興市對(duì)高產(chǎn)油脂的小球藻在戶外敞開(kāi)池中的光自養(yǎng)培養(yǎng)進(jìn)行小規(guī)模中試研究，即將在國(guó)內(nèi)微藻生產(chǎn)龍頭企業(yè)——江西新大澤實(shí)業(yè)集團(tuán)的海南微藻養(yǎng)殖基地進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)試驗(yàn)，同時(shí)以培養(yǎng)出的大量能源微藻為原料進(jìn)行生物柴油的規(guī)?；苽溲芯浚恍聤W科技發(fā)展有限公司已開(kāi)始利用管道式及平板式光生物反應(yīng)器從事能源微藻的中試培養(yǎng)研究。2010年5月在北京召開(kāi)了“第二輪中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)對(duì)話”，期間中美簽訂了一系列關(guān)于航空生物燃料方面的合作項(xiàng)目，其中之一就是《推進(jìn)藻類可持續(xù)航空生物燃料合作》[9]?？梢哉f(shuō)微藻生物柴油正成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究的戰(zhàn)略方向。

2 我國(guó)發(fā)展微藻能源的必要性及優(yōu)勢(shì)

2.1 我國(guó)發(fā)展微藻能源的必要性

我國(guó)現(xiàn)有的能源消耗以化石能源為主，能源結(jié)構(gòu)不合理。我國(guó)政府已明確提出要積極發(fā)展可再生能源和新型、安全、清潔的替代能源，并且提出2020年我國(guó)非化石能源消費(fèi)比重將由目前的不到 9%提高到15%[10]。此外，我國(guó)CO2減排任務(wù)非常繁重。因此，我國(guó)應(yīng)加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。

微藻與能源植物相比，具有光合作用效率高、含油量高、生長(zhǎng)周期短、油脂單位面積產(chǎn)率高，還可利用非可耕地和非淡水資源，富含色素、多糖和蛋白等高附加值產(chǎn)品等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是發(fā)展?jié)摿薮?、最有可能替代石油的生物能源大宗生產(chǎn)原料。目前，微藻能源作為生物能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略儲(chǔ)備，世界各國(guó)都在搶占技術(shù)制高點(diǎn)，我國(guó)發(fā)展微藻能源的必要性主要表現(xiàn)在以下兩方面：1)微藻能源關(guān)系國(guó)家能源重大戰(zhàn)略儲(chǔ)備，國(guó)外一旦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，其核心技術(shù)不可能轉(zhuǎn)讓給我國(guó)；2)能源微藻的藻種和培養(yǎng)技術(shù)等具有很強(qiáng)的地域及氣候差異性，不能從國(guó)外照搬，必須針對(duì)我國(guó)國(guó)情，走自主研發(fā)之路。

2.2 我國(guó)發(fā)展微藻能源的優(yōu)勢(shì)

我國(guó)耕地有限，但擁有廣闊的鹽堿地、灘涂和荒漠土地資源，可規(guī)模化利用。與其他油料作物相比，利用微藻培養(yǎng)積累的油脂生產(chǎn)生物柴油不僅用地面積最少，而且不占用耕地。因此，只有發(fā)展微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物柴油才最有可能滿足我國(guó)未來(lái)運(yùn)輸燃料的供應(yīng)。同時(shí)微藻，特別是海水微藻培養(yǎng)還可以利用灘涂地和海水資源，有效規(guī)避發(fā)展生物能源存在“與人爭(zhēng)糧、爭(zhēng)地和爭(zhēng)水”的矛盾。

我國(guó)CO2排放點(diǎn)多、量大、面廣，適合微藻培養(yǎng)的資源化利用，可大幅度降低微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)所需碳源成本，如培養(yǎng)1 t 螺旋藻所需的碳源(常規(guī)為NaHCO3)成本約為人民幣1萬(wàn)元[4]。因此，利用微藻光自養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程，大規(guī)模吸收工業(yè)廢氣中的CO2，在實(shí)現(xiàn) CO2減排的同時(shí)，生產(chǎn)生物柴油所需的油脂原料(每噸藻約可固定2 t CO2)，既可大幅度降低能源微藻培養(yǎng)成本，又可從清潔能源發(fā)展機(jī)制(Clean development mechanism，CDM)中獲得收益。由于生物柴油的市場(chǎng)需求量極大(我國(guó)每年需求的柴油量約 1億 t，如全部通過(guò)光自養(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻來(lái)生產(chǎn)，約需要 3億 t 干藻粉，可吸收約6億t CO2)，因此微藻能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為緩解我國(guó) CO2減排的壓力帶來(lái)了新的希望。此外，植物生長(zhǎng)僅能吸收空氣中的 CO2，而能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)可解決 CO2的點(diǎn)源排放問(wèn)題，這對(duì)于解決我國(guó)熱電廠、鋼鐵廠、化工廠等 CO2排放大戶的減排問(wèn)題，具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)還可利用我國(guó)量大面廣的富含N/P廢水資源。我國(guó)廢水中N/P含量高，處理成本高，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化并誘發(fā)藍(lán)藻爆發(fā)。微藻需要吸收N/P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行光自養(yǎng)生長(zhǎng)，例如在培養(yǎng)小球藻的Walne培養(yǎng)基中N和 P含量分別為47 mg/L和5.2 mg/L，與我國(guó)城市生活污水中N、P含量基本相當(dāng)。如果充分利用富含N/P廢水培養(yǎng)能源微藻，不僅降低了所需的 N源成本(0.3～0.4萬(wàn)元/t螺旋藻)和P源成本(約0.3萬(wàn)元/t螺旋藻)[4]，而且可省去廢水處理中脫N和除P環(huán)節(jié)，節(jié)約廢水處理成本(脫N和除P成本約為0.3元/t城市生活廢水)，達(dá)到富含N/P廢水資源化利用和去除污染物的雙重目的。

我國(guó)在微藻生物技術(shù)領(lǐng)域如種質(zhì)資源和大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)等方面具有較好的研究工作基礎(chǔ)，且微藻產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，如螺旋藻產(chǎn)量居世界第一。

3 微藻能源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題

低成本是發(fā)展微藻能源的最基本要求，缺乏基礎(chǔ)研究支撐和技術(shù)優(yōu)化與系統(tǒng)集成，導(dǎo)致微藻能源成本高、生產(chǎn)效率低，是制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。究其原因，主要是由于微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，而人們真正認(rèn)識(shí)到微藻生物能源重要性也是近幾年的事，過(guò)去人們對(duì)該領(lǐng)域的研究重視不夠，很多關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面的研究少有涉足，產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。筆者認(rèn)為，微藻能源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程主要存在以下關(guān)鍵問(wèn)題：

1)可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻優(yōu)良種(株)的選育技術(shù)和綜合評(píng)價(jià)體系。

2)對(duì)能源微藻光合固碳、油脂合成與積累的機(jī)制及其調(diào)控原理的認(rèn)識(shí)。

3)高效低成本的光生物反應(yīng)器優(yōu)化方法以及其放大技術(shù)。

4)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)工藝優(yōu)化與放大技術(shù)。

5)經(jīng)濟(jì)上可行的能源微藻細(xì)胞采收、油脂提取及生物能源產(chǎn)品加工技術(shù)。

6)非油脂組分資源化利用技術(shù)及系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)。

7)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的評(píng)價(jià)。

8)低成本高效率微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線及相應(yīng)的研究平臺(tái)。

4 微藻能源發(fā)展的思路與策略

4.1 過(guò)程集成與工程技術(shù)研發(fā)及基礎(chǔ)研究并舉

能源微藻產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)首先以現(xiàn)有微藻產(chǎn)業(yè)中已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囵B(yǎng)的優(yōu)良藻種(如小球藻、三角褐指藻等)為出發(fā)藻種，利用現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)開(kāi)展規(guī)?；囵B(yǎng)、藻體采收、油脂提取、生物能源產(chǎn)品加工及性能評(píng)價(jià)等各環(huán)節(jié)的初步研究，初步建立微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng)，打通微藻能源產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)路線，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行獲得微藻能源的實(shí)際生產(chǎn)成本及其成本分布情況，發(fā)現(xiàn)各單元(尤其是規(guī)?；囵B(yǎng))存在的具體問(wèn)題，同時(shí)可小規(guī)模制備微藻能源產(chǎn)品(如生物柴油等)。通過(guò)整個(gè)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的試運(yùn)行，針對(duì)亟待解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)展工程技術(shù)研發(fā)及相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究，及時(shí)在集成系統(tǒng)中對(duì)研究成果進(jìn)行檢驗(yàn)和應(yīng)用，有針對(duì)性地解決微藻能源產(chǎn)業(yè)化中所存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，不斷優(yōu)化微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng)，一旦經(jīng)濟(jì)上可行，便及時(shí)進(jìn)行工業(yè)化放大試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。筆者認(rèn)為，采用上述的過(guò)程集成與工程技術(shù)研發(fā)及基礎(chǔ)研究并舉的策略，可大大縮短微藻能源產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)所需時(shí)間。

4.2 優(yōu)良藻種(株)選育與基因工程改造

微藻能源產(chǎn)業(yè)化的首要條件是要有性能優(yōu)良的藻種(株)，它應(yīng)具有生長(zhǎng)快、油脂含量高、抗逆性強(qiáng)及適合于戶外規(guī)?；囵B(yǎng)等特點(diǎn)，其篩選與誘變(如物理和化學(xué)誘變等)不應(yīng)單純追求高生長(zhǎng)速率或高油脂含量，而應(yīng)以高油脂產(chǎn)率和易規(guī)?；统杀九囵B(yǎng)為目標(biāo)[11]。

微藻能源產(chǎn)業(yè)化要求在我國(guó)不同地區(qū)不同季節(jié)均能做到連續(xù)生產(chǎn)，因此藻種(株)的選育具有區(qū)域性，不僅要在實(shí)驗(yàn)室特定條件下進(jìn)行，而且還須模擬戶外規(guī)模化培養(yǎng)的實(shí)際條件(如晝夜溫差、夜晚無(wú)光照等)來(lái)考察藻種的性能，最終還需通過(guò)戶外培養(yǎng)確定藻種的性能。

對(duì)于適合規(guī)?；囵B(yǎng)的藻種(株)，還可以通過(guò)基因工程方法對(duì)其進(jìn)行改造，尤其對(duì)于遺傳背景較為清楚的藻種(株)，可在對(duì)其代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行分子生物學(xué)改造，以獲得性能優(yōu)良的工程藻株。

4.3 光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與放大

微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)(即光生物反應(yīng)器)有二大類：一是敞開(kāi)池，二是封閉式光生物反應(yīng)器。目前微藻大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)所用光生物反應(yīng)器主要為敞開(kāi)式跑道池與圓池，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其效率也低，自上世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)出來(lái)后，迄今很少有人對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究，工程設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行缺乏理論和技術(shù)指導(dǎo)。

封閉式光生物反應(yīng)器(管道式、平板式、柱式等)雖然具有細(xì)胞密度高、生長(zhǎng)快等許多優(yōu)點(diǎn)，由于其制造和運(yùn)行成本高、放大技術(shù)不成熟等，目前尚無(wú)法應(yīng)用于能源微藻的大規(guī)模培養(yǎng)，但這類反應(yīng)器可用于能源微藻藻種的培養(yǎng)。能源微藻在規(guī)?；囵B(yǎng)時(shí)需要大量藻種，而目前的藻種擴(kuò)培系統(tǒng)存在培養(yǎng)密度低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，難以滿足能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)對(duì)藻種的需求，封閉式光生物反應(yīng)器所具備的優(yōu)點(diǎn)恰恰可以滿足能源微藻藻種快速擴(kuò)培的需要。

目前國(guó)內(nèi)外所開(kāi)發(fā)的各種戶外培養(yǎng)用封閉式光生物反應(yīng)器是在不同自然光條件下分別進(jìn)行微藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)其性能的優(yōu)劣，由于光照對(duì)微藻生長(zhǎng)影響極大，因此其結(jié)果可比性不強(qiáng)，亟需在相同的自然光照條件下對(duì)各種封閉式光生物反應(yīng)器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，由于光在微藻培養(yǎng)液中衰減嚴(yán)重，封閉式光生物反應(yīng)器放大后的效率均明顯下降。迄今，封閉式光生物反應(yīng)器的放大在國(guó)內(nèi)外均憑經(jīng)驗(yàn)或在定性的方法指導(dǎo)下進(jìn)行，缺乏系統(tǒng)的理論和定量的方法。

筆者在長(zhǎng)期的研究中認(rèn)識(shí)到，光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大必須以促進(jìn)光照方向的混合為基本原則，不論是敞開(kāi)式培養(yǎng)池或封閉式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大都應(yīng)遵循這一原則。近年來(lái)計(jì)算流體力學(xué)(Computational fluid dynamics，CFD)已被廣泛用于各類反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)。針對(duì)光生物反應(yīng)器中必須強(qiáng)化光照方向的混合程度這一特殊要求，在了解能源微藻光衰減特性的前提下，可以通過(guò)CFD模擬并結(jié)合冷模及熱模試驗(yàn)，建立敞開(kāi)式培養(yǎng)池及封閉式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大方法[12]，從而為能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)提供高效的裝置。

4.4 能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)

4.4.1 培養(yǎng)模式

微藻的培養(yǎng)模式主要包括光自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)(兼養(yǎng))3種形式。

微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)[4]，同時(shí)也是目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的微藻(螺旋藻、小球藻、鹽藻、雨生紅球藻等)及餌料微藻的大規(guī)模培養(yǎng)中普遍采用的模式。對(duì)于能源微藻的培養(yǎng)，1998年美國(guó)的ASP計(jì)劃工作總結(jié)報(bào)告指出：相對(duì)低成本的敞開(kāi)池光自養(yǎng)培養(yǎng)是最有前景的培養(yǎng)模式[13]，但敞開(kāi)池光自養(yǎng)培養(yǎng)存在的培養(yǎng)密度低、易被污染、水分蒸發(fā)、CO2供給不足、受環(huán)境因素影響大等問(wèn)題，使其難以滿足能源產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。封閉式光生物反應(yīng)器雖然可克服敞開(kāi)池的許多缺點(diǎn)，但由于成本高、放大技術(shù)不成熟等原因，迄今尚未應(yīng)用于微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。

異養(yǎng)培養(yǎng)不能直接利用太陽(yáng)能和 CO2，難以直接用于能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)；對(duì)于可異養(yǎng)生長(zhǎng)的能源微藻，可采用異養(yǎng)方式對(duì)其藻種進(jìn)行快速擴(kuò)培。此外，如若微藻異養(yǎng)培養(yǎng)積累油脂的效率和成本優(yōu)于產(chǎn)油微生物，則將具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。

微藻的混養(yǎng)培養(yǎng)雖可獲得較高的細(xì)胞密度和細(xì)胞產(chǎn)率，但大規(guī)模混合培養(yǎng)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)微藻無(wú)菌培養(yǎng)，易滋生雜菌(尤其是以易被微生物利用的糖類為碳源時(shí))。在微藻油脂生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物甘油，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一旦微藻能源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，副產(chǎn)的甘油量將非?？捎^，但甘油可以作為部分能源微藻混合培養(yǎng)時(shí)的碳源，如何利用甘油開(kāi)展能源微藻的大規(guī)?；祓B(yǎng)培養(yǎng)也是未來(lái)值得研究的方向。

近年來(lái)研究者通過(guò)將不同的培養(yǎng)方式進(jìn)行組合，產(chǎn)生了一些新的培養(yǎng)模式：

1)先自養(yǎng)后異養(yǎng)模式：先利用密閉式光生物反應(yīng)器自養(yǎng)培養(yǎng)以固定 CO2，然后利用發(fā)酵法進(jìn)行異養(yǎng)以提高含脂量[14]。該模式存在的最大問(wèn)題是光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程放大后無(wú)法做到無(wú)菌培養(yǎng)[15]，由于微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)要求藻種必須不帶任何雜菌，因此該模式無(wú)法放大，在能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)方面不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2)封閉式光生物反應(yīng)器與開(kāi)放池相結(jié)合的培養(yǎng)模式：先利用密閉式光生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)微藻的高密度培養(yǎng)，然后再和敞開(kāi)池串聯(lián)，使藻液在封閉式光生物反應(yīng)器和敞開(kāi)池中循環(huán)流動(dòng)。該模式不僅基本具備高密度、有效固定 CO2、低成本的特點(diǎn)，同時(shí)還可部分克服高溫季節(jié)封閉式光生物反應(yīng)器降溫成本高、敞開(kāi)式反應(yīng)器水蒸發(fā)量大的缺點(diǎn)，但如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，非常值得深入研究。

4.4.2 能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)工藝

低成本大規(guī)模的能源微藻培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)微藻能源產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。能源微藻培養(yǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，面臨著多變的外部環(huán)境條件、污染生物的競(jìng)爭(zhēng)以及細(xì)胞之間的相互作用，因此能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)工藝的優(yōu)化必須綜合考慮各個(gè)因素，使能源微藻的潛能得到最大程度的發(fā)揮。能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)工藝優(yōu)化應(yīng)重點(diǎn)考慮以下內(nèi)容：

1)以CO2為碳源： 通入CO2有兩方面的作用，一是為微藻生長(zhǎng)提供所需的碳源，二是調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值。微藻光自養(yǎng)過(guò)程中，培養(yǎng)液的pH值呈上升趨勢(shì)，過(guò)高的 pH不利于微藻的生長(zhǎng)，通入 CO2可將pH值控制在其最適范圍內(nèi)。

2)優(yōu)化培養(yǎng)基：培養(yǎng)基是能源微藻細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其組成對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)及油脂積累影響顯著。因此，在能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)研究中，培養(yǎng)基的優(yōu)化非常重要。此外，適合于已有能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的N/P廢水資源的篩選也是一個(gè)非常值得研究的方向。

3)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂積累與環(huán)境條件的相互作用：深入了解微藻光合作用和油脂積累與外界環(huán)境條件的響應(yīng)機(jī)制，找出環(huán)境條件對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂積累的影響規(guī)律，從而通過(guò)調(diào)控環(huán)境因子促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂的積累。

4)培養(yǎng)液的循環(huán)利用：能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)的藻細(xì)胞密度一般較低，細(xì)胞采收后的大量培養(yǎng)液必須實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，否則不僅需要大量的水資源，而且會(huì)增加生產(chǎn)成本。

4.5 能源微藻采收、油脂提取及生物能源加工

能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)時(shí)細(xì)胞密度一般較低(一般為每升幾克干細(xì)胞)，傳統(tǒng)的液固分離技術(shù)(如離心等)因其成本高無(wú)法直接用于能源微藻的大規(guī)模采收。因此，微藻細(xì)胞采收也是能源微藻產(chǎn)業(yè)化中亟待解決的瓶頸問(wèn)題之一。微藻種類繁多，形態(tài)、細(xì)胞壁等的組成結(jié)構(gòu)與表面特性、包括油脂在內(nèi)的胞內(nèi)組成呈現(xiàn)多樣性特征，這些特征不僅因藻種而異，即使對(duì)于同一藻種，也隨培養(yǎng)工藝的差異而變化。因此關(guān)于能源微藻的采收、油脂提取及生物能源加工也應(yīng)根據(jù)能源微藻細(xì)胞的多元特性開(kāi)展有針對(duì)性的研究。

傳統(tǒng)生物能源加工原料大多為干物質(zhì)，根據(jù)全生命周期分析(Life cycle analysis，LCA)，利用干燥后的微藻生產(chǎn)能源產(chǎn)品過(guò)程的能量“入不敷出”[16]。由于微藻細(xì)胞中水含量高達(dá)80%以上，為避免干燥的高能耗，開(kāi)發(fā)以濕藻為原料的低能耗微藻能源綠色制備方法將成為一個(gè)重要的研究方向。

4.6 藻體非油脂組分資源化利用

4.6.1 非油脂組分的高值化利用

微藻提油后的非油脂組分中含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖和色素等生物活性物質(zhì)，可被開(kāi)發(fā)成為醫(yī)藥、食品及飼料添加劑等高附加值產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)藻渣的高值化利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞的綜合利用，還能夠提高微藻能源生產(chǎn)過(guò)程的綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，降低微藻能源的生產(chǎn)成本。

4.6.2 非油脂組分的能源化利用

在藻體非油脂組分高值化利用市場(chǎng)飽和的情況下，大量非油脂組分必須全部進(jìn)行能源化利用。美國(guó)能源部2010年6月正式發(fā)布的《藻類生物燃料技術(shù)路線圖》[7]，指出了微藻非油脂組分能源化利用的多個(gè)方向，如厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、熱解、與煤共氣化等，但相關(guān)技術(shù)均不成熟，有待深入研究。

4.7 微藻能源生產(chǎn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化

微藻能源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程涉及的環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，其本身非常復(fù)雜，系統(tǒng)效率不但取決于各個(gè)單元的效率，也取決于各單元的相互影響和耦合。由于微藻能源興起的時(shí)間很短，迄今尚無(wú)微藻能源生產(chǎn)全過(guò)程中試的報(bào)道，因此對(duì)微藻能源規(guī)模化系統(tǒng)的集成了解甚少，亟待開(kāi)展研究。

微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)必須建立一個(gè)集成系統(tǒng)的研究平臺(tái)，以便及時(shí)對(duì)各個(gè)單元的研究成果進(jìn)行評(píng)價(jià)與集成，同時(shí)也便于各個(gè)單元之間研究工作相互銜接(如規(guī)?；囵B(yǎng)可為能源產(chǎn)品加工提供原料，油脂的提取方法對(duì)非油脂組分的高 値 化利用具有重要影響，且濕的藻細(xì)胞及提取油脂后的藻渣難以長(zhǎng)時(shí)間保存，只能就地加工)。

LCA作為一種對(duì)工業(yè)過(guò)程整個(gè)生命周期中能耗和物耗以及對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的工具，其對(duì)微藻能源的規(guī)?；a(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)分析微藻能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和運(yùn)輸、季節(jié)環(huán)境條件影響等過(guò)程中的能量和物質(zhì)平衡，從微藻能源生產(chǎn)過(guò)程中各單元能量和物質(zhì)的投入與產(chǎn)出、CO2固定、廢水排放等角度綜合考慮，對(duì)微藻能源生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全生命周期分析，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間高效率的耦合，評(píng)價(jià)其過(guò)程經(jīng)濟(jì)性并建立相應(yīng)的過(guò)程評(píng)價(jià)體系是十分必要的。

5 總結(jié)與展望

微藻能源順應(yīng)我國(guó)新能源及低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)，符合“不與人爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地”的國(guó)家生物能源發(fā)展戰(zhàn)略，作為能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略儲(chǔ)備，我國(guó)應(yīng)合理部署，聚集大型研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行自主研發(fā)。

隨著石油價(jià)格的持續(xù)上漲和實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排的迫切需要，相信制約微藻能源產(chǎn)業(yè)化的高成本這一瓶頸問(wèn)題必將逐步得以解決。短期內(nèi)的成本問(wèn)題可以通過(guò)以下幾個(gè)方面的集成來(lái)平衡[4]：1)持續(xù)的技術(shù)研發(fā)提高效率；2)CO2等廢物資源化以節(jié)省原輔材料消耗成本；3)微藻的生物煉制提高綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。筆者認(rèn)為，按照上述思路，在適合于能源微藻終年培養(yǎng)且具有CO2資源的我國(guó)南方地區(qū)，微藻能源有望在 5年左右初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并可盈利；此外，在持續(xù)的技術(shù)研發(fā)、石油價(jià)格的不斷攀升、CO2減排與CDM、政府補(bǔ)貼等多種因素的作用下，預(yù)計(jì)10年左右，即使在藻體非油脂組分高值化利用市場(chǎng)飽和的情況下，微藻能源大規(guī)模生產(chǎn)仍有望在經(jīng)濟(jì)上是可行的(如圖1所示，在美國(guó)華盛頓州立大學(xué)陳樹林教授提供的素材基礎(chǔ)上形成)。

圖1 降低微藻能源成本的對(duì)策與前景Fig.1 The strategies and prospects of reducing the cost of microalgae bioenergy.

微藻能源的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)無(wú)疑將帶動(dòng)現(xiàn)有微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體升級(jí)，極大地促進(jìn)微藻生物技術(shù)學(xué)科的發(fā)展。因此，微藻能源這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將促進(jìn)微藻生物技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)鏈的形成，使豐富但尚未被充分利用的微藻資源寶庫(kù)在解決人類面臨的“資源、能源和環(huán)境”等問(wèn)題中發(fā)揮更大作用。

在微藻能源這一新興的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，我國(guó)目前與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家差距不大，已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新跨越的潛力。筆者認(rèn)為，在各級(jí)政府和企業(yè)的大力支持下，充分發(fā)揮我國(guó)現(xiàn)有的資源優(yōu)勢(shì)和科技優(yōu)勢(shì)，在不久的將來(lái)，我國(guó)完全有可能在微藻能源這一新領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)領(lǐng)先地位。

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1 China National Center for Biotechnology Development, Beijing 100036, China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Received:July 16, 2010;Accepted:July 17, 2010

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(Nos.2007AA02Z209, 2007AA09Z419).

Corresponding author:Yuanguang Li.Tel/Fax: +86-21-64250964; E-mail: ygli@ecust.edu.cn國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(Nos.2007AA02Z209, 2007AA09Z419)資助。