陳劍秋

（福州東方曙光科技有限公司，福建 福州350009）

1 引言

生物質(zhì)能源作為一種來源廣泛的可再生資源，對(duì)于緩解化石燃料短缺危機(jī)，減少環(huán)境污染和維持生態(tài)平衡具有重要的作用，發(fā)展生物質(zhì)能源已成為“后石油時(shí)代”世界能源發(fā)展戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變的方向。生物質(zhì)能源發(fā)展經(jīng)歷了以傳統(tǒng)油料作物和農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn)乙醇、纖維素乙醇和生物柴油的階段，其較高的原料成本及“與糧爭(zhēng)地、與人爭(zhēng)糧”弊端，限制了生物燃料的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。微藻因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被視為新一代，甚至可能是唯一能夠取代石化柴油的綠色可再生生物能源。

2 利用微藻開發(fā)綠色可再生能源的優(yōu)勢(shì)

微藻是最古老的單細(xì)胞或群體的低等植物，含有葉綠素a，光合效率很高，每年固定的CO2占全球凈光合總量的40%，在生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化和碳素循環(huán)中起著舉足輕重的作用。目前已發(fā)現(xiàn)的微藻有2萬多種，廣泛分布于各種生態(tài)環(huán)境中，具有生長(zhǎng)方式、系統(tǒng)發(fā)生、遺傳和表型、生物功能等方面的多樣性，其代謝產(chǎn)物也極其豐富，能通過生物轉(zhuǎn)化和后加工形式形成各種類型的生物能源，尤其是某些微藻單位面積的產(chǎn)油量約是陸生能源植物的30倍，被認(rèn)為是最具有開發(fā)和利用價(jià)值的可替代能源，具有許多無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

（1）易培養(yǎng)，成本低。微藻多生長(zhǎng)于水體中，容易適應(yīng)環(huán)境，營(yíng)養(yǎng)需求簡(jiǎn)單，可直接轉(zhuǎn)化和利用CO2、無機(jī)鹽、有機(jī)廢水等，可利用海灘、鹽堿地和荒漠等土地進(jìn)行大規(guī)模高密度的工業(yè)化生產(chǎn)，成本較低。

（2）效率高，易轉(zhuǎn)化。微藻繁殖快，生長(zhǎng)周期短，7～8d即可收集，油脂含量極高，整個(gè)藻體可用于熱解化，且熱解化難度較低，所獲得的熱解生物油具有較高的熱值、密度和粘度，燃油的品質(zhì)與化石燃油相當(dāng)，其應(yīng)用不需要改變汽車、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和能源分配方式。

（3）產(chǎn)品附加值高。微藻代謝產(chǎn)物多樣且豐富度高，除了極高的油脂之外，還富含微量元素，能生產(chǎn)如EPA、DHA、蝦青素、胡蘿卜素、多糖、凝集素、蛋白質(zhì)等多種生物活性物質(zhì)，在食品、醫(yī)藥、化工等方面有重要應(yīng)用前景，這些高附加值產(chǎn)品的綜合利用有力地促進(jìn)了微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

（4）環(huán)境友好。微藻能吸收并有效利用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排放出的大量二氧化碳及氮化物，而且微藻生物燃料在生產(chǎn)和使用過程中不增加二氧化碳，具有維持碳平衡作用；微藻還能消耗水體環(huán)境中的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素以及吸附重金屬，對(duì)水體環(huán)境有一定的凈化作用，是很好的治污生物［1］。

（5）開發(fā)實(shí)力強(qiáng)，可帶動(dòng)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)升級(jí)。我國(guó)海洋面積遼闊，微藻種質(zhì)豐富，微藻基礎(chǔ)研究開發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，長(zhǎng)期以來積累了大量的微藻研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)，大規(guī)模養(yǎng)殖藻類已走到世界前列。微藻生物能源產(chǎn)業(yè)可以和發(fā)電廠、煉鋼廠、水泥廠、化工廠等大型工業(yè)聯(lián)合起來，形成一個(gè)全新的、良性的、以“低碳循環(huán)”為特征的綠色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)模式。

3 利用微藻開發(fā)綠色可再生能源的技術(shù)研究

目前，利用微藻開發(fā)綠色可再生能源的研究主要有：利用微藻吸收煙氣中的CO2以生產(chǎn)高附加價(jià)值的生物質(zhì)能源及控制溫室氣體；綠藻可逆產(chǎn)氫酶產(chǎn)氫；藍(lán)藻固氮酶產(chǎn)氫；微藻產(chǎn)烴；厭氧發(fā)酵微藻制取甲烷和富脂微藻生產(chǎn)生物柴油等；藻渣可以用來生產(chǎn)動(dòng)物飼料、有機(jī)肥料和甲烷等。相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 能源藻種的選育

優(yōu)選出大量?jī)?yōu)良的微藻品種是發(fā)展綠色可再生能源的首要前提。已篩選出的微藻品種主要有斜生柵藻、葡萄藻、鹽生杜氏藻、小球藻、高山組囊藻、網(wǎng)翼藻屬、灰色念珠藻、固氮藍(lán)藻等，其中葡萄藻因其烴類物質(zhì)可占干重75%，最有可能成為工業(yè)化產(chǎn)烴的藻種［2］。對(duì)微藻脂肪酸報(bào)道較多的是小球藻、球等鞭金藻、三角褐指藻、硅藻、扁藻等。

3.2 能源微藻的培養(yǎng)

能否大規(guī)模培養(yǎng)是制約微藻產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一。微藻的培養(yǎng)方式主要有自養(yǎng)、異養(yǎng)和混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)。自養(yǎng)培養(yǎng)采用開放式光生物反應(yīng)器和封閉式光生物反應(yīng)器，開放式光生物反應(yīng)器技術(shù)簡(jiǎn)單且投資低廉，但培養(yǎng)條件不穩(wěn)定、易污染，多用于經(jīng)濟(jì)藻類的大規(guī)模培養(yǎng)；封閉式光生物反應(yīng)器的培養(yǎng)環(huán)境易調(diào)節(jié)但成本較高，多用于生產(chǎn)一些高附加值的微藻［3］。異養(yǎng)培養(yǎng)的微藻總脂含量有所增加，但氧氣的供應(yīng)是其限制因子，目前多采用傳統(tǒng)的發(fā)酵裝置進(jìn)行培養(yǎng)。選擇適合的有機(jī)碳源進(jìn)行混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)不僅可提高藻細(xì)胞的生物量，而且有利于油脂積累，因此只要能保證凈能比大于1，混合培養(yǎng)的方式也是切實(shí)可行的［4］。

3.3 微藻的采收

微藻的采收方法有離心法、氣浮法、超濾法、絮凝法等，比較可行的是氣浮法（泡沫分離法）。通過調(diào)節(jié)pH值、增大回流比、延長(zhǎng)溶氣時(shí)間和接觸停留時(shí)間等操作參數(shù)，可以簡(jiǎn)便、安全、高效地從培養(yǎng)液中采收微藻細(xì)胞。將微藻的規(guī)模培養(yǎng)、連續(xù)補(bǔ)碳、氣浮采收集成在一起，可實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)的集約化、自動(dòng)化、低成本和規(guī)?；a(chǎn)；將微藻細(xì)胞溶劑化補(bǔ)碳與氣浮法采收相耦合，操作方便，放大容易，適宜于工業(yè)化高效培養(yǎng)和收集；利用孔徑為20nm的中空纖維陶瓷膜濃縮采收與分離藻細(xì)胞也具有很大的優(yōu)勢(shì)［5］。

3.4 微藻的生物煉制

通過轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)制備微藻生物柴油有化學(xué)催化法、超臨界流體催化法和生物酶法。其中，化學(xué)催化法反應(yīng)時(shí)間短、工藝也較為成熟，但催化成本較高；超臨界流體催化法產(chǎn)率高、萃取和反應(yīng)耦合，但前期設(shè)備投資費(fèi)用較高，操作復(fù)雜，工業(yè)化生產(chǎn)困難重重；生物酶法反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本較低，但酶易失活，產(chǎn)業(yè)化難度較大［6］。微藻可逆產(chǎn)氫酶兩步法間接光水解制氫的研究有所突破，但距實(shí)用化還有相當(dāng)大的距離，對(duì)產(chǎn)氫藻種的篩選和改良是該研究的基礎(chǔ)和核心［7］。近年來正在探索以加氫裂化的技術(shù)煉制生物柴油，獲得的烷烴生物柴油，可與石化柴油以任意比例混合使用，具有投資少、容易產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)，是微藻油脂加工的重要發(fā)展方向。

4 利用微藻生產(chǎn)綠色可再生能源的前景與展望

微藻綠色可再生能源的開發(fā)潛力與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)之間存在著較大的差距，諸多挑戰(zhàn)性的技術(shù)“瓶頸”以及生產(chǎn)成本問題尚未解決，要真正實(shí)現(xiàn)微藻綠色可再生能源的工業(yè)化生產(chǎn)，可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

4.1 優(yōu)質(zhì)能源藻種的選育與基因工程改造

盡管人們已認(rèn)識(shí)到并篩選了多種能源微藻，但離工業(yè)化生產(chǎn)還相差甚遠(yuǎn)。優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)氫微藻光能利用率必須接近10%才有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且還必須能夠耐受高氧氣濃度。目前研究較多且烴類含量較高的葡萄藻生長(zhǎng)過于緩慢，所產(chǎn)烴類碳鏈較長(zhǎng)；產(chǎn)油量大的微藻生長(zhǎng)較慢，不易收獲。因此加強(qiáng)微藻物種的基礎(chǔ)生物學(xué)研究，尋找潛在的優(yōu)質(zhì)能源微藻品種或品系，并在構(gòu)建高密度培養(yǎng)、產(chǎn)能效率高的生物反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，通過基因工程技術(shù)改造較有潛力的能源微藻是解決能源微藻開發(fā)與利用的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.2 構(gòu)建高效率、低成本的生產(chǎn)模式

為了解決微藻大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)模式存在著的成本高、效率低的問題，今后應(yīng)加強(qiáng)的研究包括：將微藻養(yǎng)殖場(chǎng)所設(shè)置在工廠附近，利用工業(yè)有機(jī)廢水為主要培養(yǎng)基質(zhì)，吸收發(fā)電廠和酒精發(fā)酵廠排出的二氧化碳和氮氧化物氣體為養(yǎng)料，具有雙重的經(jīng)濟(jì)效益，可形成良性循環(huán)［8］；建立生物污染綜合防治技術(shù)、利用海水或鹽堿水馴化培養(yǎng)能源微藻等方式提高生產(chǎn)效率，降低成本；迫切需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新以有效解決光能利用、代謝產(chǎn)物傳遞、溫度調(diào)控、清潔污垢等技術(shù)難題，從而提高光生物反應(yīng)器技術(shù)水平，生產(chǎn)出廉價(jià)的能源產(chǎn)品；直接利用微藻生物質(zhì)為基質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)氫氣和甲烷也是開發(fā)的途徑之一，但需要解決如何高效率地獲得足夠的微藻生物量的問題，因此發(fā)展新型的、系統(tǒng)的、高效的微藻生物能源轉(zhuǎn)化技術(shù)至關(guān)重要。

4.3 生產(chǎn)成本的綜合優(yōu)化

微藻能源工業(yè)化生產(chǎn)成本受到生產(chǎn)技術(shù)、養(yǎng)殖場(chǎng)所、季節(jié)、氣候、藻種和石油價(jià)格等綜合因素的影響，因此要降低成本，提高產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力，就必須從各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，充分利用微藻產(chǎn)品，減少浪費(fèi)。在整個(gè)生產(chǎn)加工過程中，除了需要探索如何完善生產(chǎn)工藝以外，還要將微藻除油脂之外的其他各種生物活性物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)、凝集素、類胡蘿卜素、維生素、甾醇等分離提取出來，應(yīng)用于醫(yī)療、保健、食品等領(lǐng)域，剩余的藻渣還可作為動(dòng)物的飼料或者厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物燃?xì)?。這些高附加值系列產(chǎn)品的生產(chǎn)，可以在一定程度上降低成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

微藻綠色可再生能源的開發(fā)與利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益潛力和誘人的前景，但在短期內(nèi)要成功地商業(yè)化需要克服科學(xué)技術(shù)方面諸多挑戰(zhàn)性的難題。我國(guó)微藻的研究起步雖早，但多集中于藻種選育和培養(yǎng)領(lǐng)域，微藻能源開發(fā)方面尚處于萌芽和技術(shù)摸索階段，如何利用我國(guó)豐富的微藻資源和微藻基礎(chǔ)研究結(jié)果，借鑒國(guó)外成熟的技術(shù)水平和較為成功的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，突破技術(shù)瓶頸，降低生產(chǎn)成本，提高微藻能源的性能與品質(zhì)，是今后微藻綠色能源開發(fā)與利用的方向。

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