牟 寧

（遼寧省城市污水處理管理中心，沈陽 110033）

1 國內外利用海藻發(fā)展生物燃料的現(xiàn)狀

生物質能是以生物質為載體，將太陽能以化學能形式貯存其中，能源主要依靠植物的光合作用產生。生物能可以轉化為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料形式，替代傳統(tǒng)的化石燃料，具有環(huán)保和可再生雙重屬性。生物質能產業(yè)屬于朝陽產業(yè)，其前景廣闊。工程海藻的研究和開發(fā)，為生物質能產業(yè)提供充足和廉價的原料供給成為可能。

1.1 利用海藻發(fā)展生物燃料的優(yōu)勢

海藻主要包括微藻和大型海藻，海藻的種植可以利用海洋、鹽堿地等不適合糧食作物生產的空間進行生產，這樣避免了傳統(tǒng)生物質能對農業(yè)資源的需求。各國研究機構都在運用現(xiàn)代生物技術開發(fā)海洋工程微藻，因為海洋微藻本身具備以下特征：一是光合效率高，生長速度快。生長周期短、繁殖快，單位面積產量是糧食的幾十倍。二是微藻個體小、木素含量低，易粉碎干燥，生產液體燃料所需處理工藝相對簡單，生產成本較低。三是微藻內大量積累脂質，因而可以大量生產生物燃料。目前美國運用現(xiàn)代生物技術開發(fā)的海洋工程微藻，實驗室條件下脂質含量超過60%，戶外生產可達40%以上，每667m2可年產柴油1～2.5t。我國培育出的富油微藻，最高含油比也已經達到68%，比油菜籽、花生的含油量高7～8倍，比玉米高出十幾倍。四是微藻在生長過程中又可以消耗大量的二氧化碳，能緩解溫室氣體的排放。五是綜合利用價值較高。微藻在制備生物燃油的同時可以開發(fā)蝦青素、活性蛋白、不飽和脂肪酸、天然色素、生物肥料等高值產品，以降低微藻產油的成本。

1．2 利用海藻發(fā)展生物燃料研究的背景和現(xiàn)狀

美國從1976年起就啟動了微藻能源研究，研究以化石燃料產生的廢氣生產高含脂微藻。這一計劃因為研究經費精減、藻類制油成本過高，于1996年中止。但是，美國的科學家已經培育出富油的工程小環(huán)藻，這種藻類比自然狀態(tài)下微藻的脂質含量提高3～12倍，這為此后的研究工作提供了堅實的基礎。

2006年11月，美國綠色能源科技公司MW和亞利桑那公眾服務公司在亞利桑那州建立了可與1 040MW電廠煙道氣相連接的商業(yè)化系統(tǒng)，成功地利用煙道氣的二氧化碳，大規(guī)模光合成培養(yǎng)微藻，并將微藻轉化為生物“原油”，其產率可達到每年每0.4hm2提供0.5～1.0萬加侖生物柴油和相當量生物乙醇的水平。

2007年，由美國能源部圣地亞國家實驗室牽頭，美國國內十幾家實驗室和上百位科學家組成的聯(lián)盟宣布了由國家能源局支持的 “微型曼哈頓計劃”，計劃實現(xiàn)微藻制備生物柴油的工業(yè)化。美國能源局計劃在各項技術全面進展的前提下，將微藻產油的成本于2015年降至2～3美元/加侖。

2007年3月，以色列一家公司對外展示了利用海藻吸收二氧化碳，轉化太陽能為生物質能的技術，在離電廠煙囪幾百米處的跑道池中規(guī)模培養(yǎng)海藻，并將其轉化為燃料，每5kg藻可產1L燃料。

近年來，日本在海藻生物質能研究領域發(fā)展較快，特別是對海帶和馬尾藻的研究。2007年，日本啟動了大型海藻的能源計劃項目，利用馬尾藻生產汽車用乙醇。預計到2020年，栽培面積將達1萬km2，每年可收獲6 500t干藻，可以生產約200萬L燃料乙醇，相當于現(xiàn)有日本汽車油耗量的1/3。

2011年，我國微藻能源方向首個國家重點基礎研究發(fā)展計劃 （“973計劃”）項目 “微藻能源規(guī)?；苽涞目茖W基礎”，已經正式啟動。

該項目將以推動微藻能源規(guī)模化制備中核心技術的重大突破為目標，提高微藻能源規(guī)模化制備系統(tǒng)中各單元的效率為主線，研究從藻種選育到微藻能源規(guī)?；苽湎到y(tǒng)構建過程中亟待解決的生物學及工程學方面的關鍵科學問題。

1.3 我國海藻養(yǎng)殖現(xiàn)狀和存在問題分析

我國擁有世界上最大規(guī)模的海藻生產基地，不論是產業(yè)規(guī)模還是出口貿易，在世界上都占有舉足輕重的地位。我國海藻養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較早，并成功地掌握了紫菜、海帶、裙帶菜等海藻大規(guī)模培養(yǎng)的關鍵技術。在螺旋藻和小球藻等微藻的藻種選育、規(guī)模培養(yǎng)和產業(yè)化方面取得了大量技術成果，某些技術已經達到國際先進水平。

與國際上其他國家相比，我國在推動藻類能源規(guī)模化制備技術上有一定優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為以下幾點：一是我國擁有一定的高水平技術人員和技術儲備，并在人力成本方面具有明顯優(yōu)勢。二是海藻分類區(qū)系、藻種選育和基因工程等領域具備較強的科研力量。三是我國海洋環(huán)境富營養(yǎng)化和赤潮比較嚴重，可以通過大規(guī)模海藻栽培實現(xiàn)對海洋的生態(tài)修復。四是我國在海洋資源方面擁有明顯的區(qū)位及環(huán)境優(yōu)勢，海域地跨熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，灘涂面積廣闊，擁有1.8萬km大陸海岸線、沿海島嶼6 500多個、483萬km2海域，為海藻種植提供了遼闊的空間。

我國在海藻能源開發(fā)方面有很多不足之處，概括起來主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是海藻的燃料轉化技術研究投入不足，發(fā)展相對滯后。二是實現(xiàn)封閉式光生物反應器的規(guī)?；a方面技術落后。三是我國海藻的栽培局限于近海小規(guī)模的試驗場，試驗項目的投入在技術和資金方面與發(fā)達國家相比明顯不足。

2 海洋生物質能源發(fā)展趨勢的必然性

2.1 發(fā)展海洋生物質燃料可以滿足國家戰(zhàn)略需求

我國1993年開始成為石油凈進口國。近幾年隨著石油需求的上升，對進口石油的依存度不斷增加，預計2030年有可能達到80%。能源安全已成為國家安全戰(zhàn)略中最重要的一環(huán)。我國的能源發(fā)展方向不但決定著能源安全，甚至影響到國家安全。

目前，國家倡導的新能源除生物質能外，還有核能、風能和太陽能等。無論是技術還是資源規(guī)模上，生物質能都很有可能成為未來的重要交通運輸能源。2009年11月，中美兩國宣布在清潔能源領域的合作項目 （ECP）。2010年5月，在中美兩國政府部門的組織、領導下，中美兩國企業(yè)和研究機構簽署一系列合作協(xié)議，推動中國可持續(xù)航空生物燃油產業(yè)的發(fā)展。

我國約80%的電能來自煤炭，環(huán)境問題嚴重。海洋藻類可以通過光合作用吸收二氧化碳，減少溫室氣體的排放。另外，同美國和巴西不同，我國耕地少，人口多，糧食問題突出。我國的糧食安全是首位的，生物質燃料的原料不能選擇糧食。使用農作物秸稈來原料，目前存在收集與運輸成本過高的問題。

2.2 利用海藻發(fā)展生物燃料在技術上可行

2006年全球研發(fā)海藻生物燃料的企業(yè)大約有4家，到2008年已超過50家，我國目前從事海藻生物柴油研發(fā)的企業(yè)已有5家。2009年6月， 《美國生物燃料月刊》根據(jù)生物燃料摘要報告和對 PetroAlgae，Algenol，Solazyme， Aurora Biofuels， Sapphire Energy， PetroSun 及Solix等30多家公司的海藻生物柴油商業(yè)化研究的進展進行了評估。根據(jù)這些企業(yè)對生產能力和價格的預測分析，認為到2014年，海藻生物柴油將達到6.13億L的生產能力，每升的批發(fā)價格約為0.34美元。 《生物燃料文摘》編輯Jim Lane評論認為，從理論上看，海藻生物柴油的成本會像過去預計電腦的市場成本一樣，很快會降下來。

3 發(fā)展海洋藻類生物質能的戰(zhàn)略意義

綜上所述，發(fā)展海洋藻類生物質能完全有可能成為解決目前全球能源和環(huán)境問題的重要出路之一。結合實際情況，就我國發(fā)展海洋藻類生物質能研究領域的資源配置及研究重點提出以下幾點建議。一是從國家層面上設計和制定系統(tǒng)的科技發(fā)展路線圖。應從國家利益出發(fā)，整合技術、人才和產業(yè)資源，以突破產業(yè)發(fā)展的技術壁壘為目標，繪制技術路線圖。將政策、資源、人才、資金分階段，有效地落到實處?？萍及l(fā)展路線圖還將有助于架起區(qū)域乃至國際合作平臺，促進我國物質能源產業(yè)的健康發(fā)展。二是明確關鍵科技問題，開展有針對性的技術攻關。三是開展海洋藻類基礎生物學的研究。因為光合作用是所有生物能源形成的基礎，特別是以光合作用為核心的海藻代謝與調控、遺傳與發(fā)育、生長與繁殖等基礎生物學研究，是海藻生物質能技術發(fā)展的科學基礎。四是開展具有共性的關鍵技術研究，我國 “十一五”期間組織科研機構相繼開展了富油藻種的選育和改造、高效微藻光反應器、高密度培養(yǎng)、高效加工等技術研究工作，但與國際先進水平相比仍有一定差距。只有加強這些共性關鍵技術的研究，才能突破海洋生物質能產業(yè)化的技術瓶頸。五是建立健全海藻環(huán)境保護和海藻資源合理有序開發(fā)的有關法律法規(guī)，制定海藻能源產品的技術標準及相關產業(yè)扶持政策，保證海洋生物質能產業(yè)得到健康持續(xù)的發(fā)展。

4 藻類生物質能的研發(fā)展望

隨著全球氣候惡化，國際上很多領域對碳排放指標提出越來越明確的要求。在航空領域，歐盟2010年公布自2012年起對所有抵達或離開歐盟國家的商業(yè)航班實施碳排放權配額制度。按照這一方案測算，我國民航業(yè)為購買碳排放權，僅2012年1年應向歐盟支付8億元人民幣。德國漢莎航空公司計劃2011年4月起，該公司往返于法蘭克福與漢堡的一架空客A321型客機將使用生物燃油試飛6個月。其主要目的是，研究生物燃油在常規(guī)飛行中的應用效果、有害物質排量以及對引擎的影響等。與傳統(tǒng)的航空煤油相比，生物燃油在燃燒中產生的固體顆粒物和二氧化碳較少。在6個月試驗期間，這架空客A321型客機預計減排二氧化碳1500t。

當前生物質燃料的原料來源主要是農作物，這一做法明顯不適合我國人多地少的實際情況。大力發(fā)展海洋藻類生物質能似乎是我們唯一的選擇。我國在海洋藻類生物質能研究方面有較強的研發(fā)能力，特別是在能源微藻基礎研究方面，擁有一定的種質資源，在海藻大規(guī)模養(yǎng)殖方面也位于世界前列。

我國海域和灘涂資源豐富，發(fā)展海藻養(yǎng)殖的空間廣闊；我國部分富油微藻最高含油比例已經達68%，因藻類光合作用效率高，生長快，通常一個生長周期不會超過兩周。目前，每公頃土地玉米年產油量120L，大豆為440L，而藻類可達1.5萬～8萬L，藻類將是非常有潛力的生物質燃料來源。