劉 波，裴明遠(yuǎn)

（1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2.天津工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，天津 300387）

以藻類為原料生產(chǎn)生物燃料，是當(dāng)今世界的熱門課題，也是生物燃料的發(fā)展方向[1]。與現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的以玉米等糧食作物為原料制取生物燃料的方法相比，以藻類為原料的生物燃料的生產(chǎn)有其自身的發(fā)展優(yōu)勢[1～8]。例如，藻類具有很強(qiáng)的繁殖能力，單位面積的產(chǎn)量非常高；不與農(nóng)業(yè)用耕地及食料競爭；排水、生產(chǎn)水（produced water，在石油產(chǎn)業(yè)中，是指開采石油及天然氣時(shí)產(chǎn)出的水）、鹽水均可用于藻類的培養(yǎng)，無需使用有限的淡水；藻類吸收發(fā)電廠及其它產(chǎn)業(yè)排放的含大量CO2的排放氣中的C；藻類細(xì)胞中的油重質(zhì)油含量高，但幾乎不含S；能生產(chǎn)有價(jià)值的副產(chǎn)品。

以微細(xì)藻類為原料生產(chǎn)生物燃料的技術(shù)研究，主要是以美國和日本為中心進(jìn)行的，美國和日本走在了世界前列[9]，澳大利亞[10]和以色列也研究微細(xì)藻類。本文對日本藻類生物燃料的研究概況及日本藻類生物燃料的研究情況進(jìn)行概述。

1 日本藻類生物燃料的研究概況

日本由原通產(chǎn)省及經(jīng)產(chǎn)省實(shí)施了陽光計(jì)劃（1974～1993年）及新陽光計(jì)劃（1993～2000年）[11]。只是，活動內(nèi)容以調(diào)查為中心，培養(yǎng)試驗(yàn)等停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，未進(jìn)行大規(guī)模的示范試驗(yàn)。

近年來，日本也開始關(guān)注藻類生物燃料的研究開發(fā)。2010年4月，筑波大學(xué)大學(xué)院、東京工業(yè)大學(xué)大學(xué)院、東北大學(xué)大學(xué)院、國立環(huán)境研究所、出光興產(chǎn)株式會社、日輝株式會社、住友重機(jī)械株式會社等大學(xué)及企業(yè)發(fā)起建立了“藻類產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造財(cái)團(tuán)”[12]，期待著對藻類生物燃料進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

2 日本主要的藻類生物燃料的研究[2，9，12，13]

據(jù)報(bào)道，日本還沒有已進(jìn)入試驗(yàn)階段的藻類生物燃料項(xiàng)目，藻類生物燃料項(xiàng)目基本都在研究開發(fā)階段，被研究的藻類可分為3類。

2.1 Aurantiochytrium

2010年12月13～14日，在日本的筑波大學(xué)召開的“首屆亞洲大洋洲藻類創(chuàng)新高峰論壇”（The 1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit）[14]上，筑波大學(xué)大學(xué)院的渡邉信教授的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了可有效地生產(chǎn)油脂的Aurantiochytrium的相關(guān)內(nèi)容。

Aurantiochytrium的特點(diǎn)是：與過去在日本國內(nèi)主要研究的Botryococcus braunii相比，在適宜的溫度環(huán)境下其繁殖速度非?？?，是Botryococcus braunii的36倍；油的生產(chǎn)效率達(dá)到Botryococcus braunii的10倍以上。

（1）Aurantiochytrium概要 Aurantiochytrium是不含葉綠素（無光合成）的從屬營養(yǎng)型的藻類，細(xì)胞呈球形，直徑為數(shù)微米。因?yàn)锳urantiochytrium本身不能進(jìn)行光合成，所以通過吸收CO2以外的碳化合物（也就是通過其它植物的光合成而得到的有機(jī)碳化合物）進(jìn)行繁殖進(jìn)而生產(chǎn)油脂。

據(jù)文獻(xiàn)資料介紹，含Aurantiochytrium的Labyrinthulea類中還含有Schizochytrium limacinum（美國有很多Schizochytrium limacinum相關(guān)的研究報(bào)告）。眾所周知，Aurantiochytrium食用海水中的有機(jī)碳，在體內(nèi)蓄積不飽和脂肪酸——Docosahexaenoic acid（簡稱為DHA）油脂。

在使用DNA進(jìn)行解析之前，人們將Aurantiochytrium歸類為蘑菇和真菌類，從廣義上來說Aurantiochytrium也屬于藻類。從屬營養(yǎng)型的生物其生長速度比通過光合成生產(chǎn)碳水化物的獨(dú)立營養(yǎng)型生物要快。

（2）以Aurantiochytrium為原料生產(chǎn)生物燃料時(shí)存在的問題 以Aurantiochytrium為原料生產(chǎn)油脂，需要數(shù)倍于油脂產(chǎn)量的飼料。但是，如同Solazyme公司的工藝，作為營養(yǎng)物可使用由很多生物質(zhì)得到的糖類及通過光合成得到的糖類。

2.2 Pseudochoricystis ellipsoidea

Pseudochoricystis ellipsoidea為5μm大小的綠色單細(xì)胞植物，是可生產(chǎn)柴油的微細(xì)藻，是日本海洋生物技術(shù)研究的藏野憲秀氏等人于2005年在溫泉發(fā)現(xiàn)的。

Pseudochoricystis ellipsoidea的特征是：通過光合成吸收CO2繁殖，但是如果N不足則在細(xì)胞內(nèi)蓄積成分與柴油相當(dāng)?shù)臒N油；此外，所蓄積的烴油的30%可轉(zhuǎn)化為柴油餾分，以殘?jiān)鼮樵线€可生產(chǎn)生物乙醇。因此，作為有助于應(yīng)對地球溫暖化的藻類，Pseudochoricystis ellipsoidea倍受關(guān)注。

Pseudochoricystis ellipsoidea為單細(xì)胞，因此，其生產(chǎn)效率高于Botryococcus。目前，以DensoJapan為中心，與慶應(yīng)義塾大學(xué)先進(jìn)生命科學(xué)研究所一起進(jìn)行研究開發(fā)[15]。應(yīng)慶大學(xué)正在研究藻類轉(zhuǎn)化為油的機(jī)理，以便找到高效地生產(chǎn)油的培養(yǎng)條件。近來，中央大學(xué)、京都大學(xué)也致力于藻類生物燃料的研究。

2.3 Botryococcus braunii

Botryococcus braunii是生活在淡水中的藻類，形成綠色到紅色的30～500μm大小的菌格（colony）。通過光合成生產(chǎn)碳?xì)浠衔?，在?xì)胞內(nèi)及colony內(nèi)部蓄積干燥質(zhì)量的20%至75%的烴。

據(jù)筑波大學(xué)的報(bào)告，Botryococcus braunii的生產(chǎn)性為植物中生產(chǎn)性高的棕櫚油的3倍以上。

3 藻類生物燃料的展望

由藻類生產(chǎn)生物燃料的研究開發(fā)，正在以美國為中心如火如荼地進(jìn)行著，包括從石油巨頭到風(fēng)險(xiǎn)投資公司在內(nèi)的很多企業(yè)都在進(jìn)行藻類生物燃料的研究。大部分項(xiàng)目都采用可進(jìn)行光合成的藻類，但是還有一部分企業(yè)采用生產(chǎn)性高的從屬營養(yǎng)型藻類。

自然界中存在的藻類其種類非常多，在其中選出生物燃料的生產(chǎn)效率高、所生成的油脂的性狀接近于石油燃料的藻則需要較長的時(shí)間。

由藻類中提取油的操作，因所采用的工藝的不同其成本也大不相同。

使用可進(jìn)行光合成的藻類的項(xiàng)目，需要較大面積的土地，對美國而言這是可行的。從成本方面考慮，一般認(rèn)為可將價(jià)格降至能與石油抗衡的程度。

對提供廣闊的土地存在困難的日本而言，生長速度快、單位面積的產(chǎn)量高的從屬營養(yǎng)型藻類可操作性大。從屬營養(yǎng)型藻類可在一般的發(fā)酵罐中培養(yǎng)。對Aurantiochytrium而言，如果培養(yǎng)溫度為15℃則需要培養(yǎng)6h，如果溫度為20℃則需要4h。對煉油公司而言，使用Aurantiochytrium存在如下優(yōu)點(diǎn)：煉油廠內(nèi)存在大量的被排放的溫度較高的水，溫度容易控制；可用過去的技術(shù)對所生成的生物燃料進(jìn)行改質(zhì)及精制；可用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品的存儲和運(yùn)輸；如果組合使用光合成藻類與從屬營養(yǎng)型藻類，可將源于制氫裝置的CO2為原料。

5 結(jié)語

近年來，中國對石油產(chǎn)品的需求在穩(wěn)步增長，而中國國內(nèi)生產(chǎn)的石油不能滿足需求，因此，需要從中東進(jìn)口大量石油，2010年的石油進(jìn)口量比2009年增加了6%，原油對外依存度為52%[16]，在未來10年我國原油對外儲存度將達(dá)到60%～70%[17]。因此，為了開發(fā)石油替代能源從而確保未來能源安全，同時(shí)為了應(yīng)對地球變暖問題，中國應(yīng)大力開發(fā)藻類生物燃料的研究開發(fā)工作。

［1］姚國欣，王建明.第二代和第三代生物燃料發(fā)展現(xiàn)狀及啟示［J］.中外能源，2010,15（9）：23-37.

［2］宇野博志.藻類からのバイオ燃料製造の現(xiàn)狀［DB/OL］.（2011-03）.http://mitsui.mgssi.com/issues/report/r1103j_uno.pdf.

［3］藏野憲秀.バイオ燃料の新しい主役：微細(xì)藻類［J］.日本機(jī)械學(xué)會誌，2009，（3）：66-66.

［4］渡邉信.藻類バイオマスエネルギー技術(shù)の展望［DB/OL］.［2011-12-20］.

［5］張姍姍，李金偉.微藻生物燃料的遠(yuǎn)景展望［J］.浙江化工，2011，42（7）：20-23.

［6］NEDO海外レポート.藻類系バイオ燃料の商業(yè)化（米國）［DB/OL］.（2010-09-15）.

［7］張璐瑤,李雪靜.利用微藻制備生物燃料現(xiàn)狀及應(yīng)用前景［J］.潤滑油與燃料，2009，19（5/6）：15-18.

［8］李華，王偉波，劉永定，等.微藻生物柴油發(fā)展與產(chǎn)油微藻資源利用［J］.可再生能源，2011，29（4）：84-89.

［9］山﨑博.藻類生物燃料的生產(chǎn)［DB/OL］.［2008-11-04］.

［10］日本農(nóng)林水産省.オランダにおける藻類利用の技術(shù)開発と地域での実用化推進(jìn)に関する狀況調(diào)査［EB/OL］.（2012-02）.

［11］John Ferrell.National Algal Biofuels Technology Roadmap［DB/OL］.［2010-05］.

［12］井上勲.藻類産業(yè)創(chuàng)成コンソーシアム設(shè)立の趣意［DB/OL］.（2010-04）.

［13］JPEC石油エネルギー技術(shù)センター..藻類を用いたバイオ燃料の最新狀況［DB/OL］.（2011-06-16）.

［14］獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu).第一回アジア?オセアニア藻類イノベーションサミット開催報(bào)告［DB/OL］.(2011-12-26).

［15］Denso Japan.Research on the absorption of CO2and production of biofuel,using a microalga［DB/OL］.［2011-12-26］.

［16］YW.經(jīng)濟(jì)、能源、石化相關(guān)事業(yè)的近況.［DB/OL］.2010-10-25.

［17］朱和，金云.中國煉油工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整［N］.中國石化報(bào)，2010-05-25.