朱延雄　王春莉　王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

國內(nèi)外海洋能源微藻技術及產(chǎn)業(yè)分析

朱延雄王春莉王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

本文針對海洋微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的特點，研究分析國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新資源的布局、關鍵技術及產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出適合我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議。

海洋；微藻；生物質(zhì)能源；對策建議

隨著全球經(jīng)濟的快速增長，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危機已迫在眉睫，對生物質(zhì)能等可再生能源的關注漸成熱點。在眾多的非糧生物質(zhì)中，海洋微藻具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應能力強、生長周期短、產(chǎn)量高等特點，可用于制備生物燃料（乙醇、生物柴油、燃料油或者氫等），并兼?zhèn)涮紲p排的功效。海洋微藻生物質(zhì)能源的研究已經(jīng)成為全球生物質(zhì)能源研究的重點，利用微藻生產(chǎn)生物燃料具有廣闊的發(fā)展前景。

1海洋微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的特點和優(yōu)勢

海洋生物質(zhì)能源是海洋植物利用光合作用將太陽能以化學能的形式貯存的能量形式，此類海洋生物質(zhì)的主要來源為海洋藻類，包括海洋微藻和大型海藻等，目前較為熱門的是對海洋微藻的研究，主要原因是海洋微藻具有以下特點和優(yōu)勢。

生長周期短，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可大量提供非糧食可再生的生物質(zhì)能。

適應能力強，不爭地，不爭水：微藻具有鹽堿適應能力，可利用海水、地下鹵水等在灘涂、鹽堿地進行大規(guī)模培養(yǎng)，無需占用農(nóng)業(yè)用地，也不消耗淡水資源；而且利用封閉式光生物反應器培養(yǎng)微藻，其養(yǎng)殖過程可以實現(xiàn)自動化控制。

大量積累脂質(zhì)，可高效生產(chǎn)生物燃油：一些產(chǎn)油微藻的脂肪酸總量可達干重的50%～90%，有望成為最有前景的生物燃油來源。

具有減排效應，可以直接處理工業(yè)廢氣：微藻可以通過光合作用利用廢氣和廢水，不僅能緩解溫室氣體的排放，而且可以通過利用廢水、廢氣降低生產(chǎn)成本，具有顯著減排效應，有望進行商業(yè)化減排。

可高值化綜合利用：微藻含有豐富的生物活性物質(zhì)，在制備生物燃油的同時可進行高值化綜合利用，相對降低微藻產(chǎn)油的成本?？砷_發(fā)的高值產(chǎn)品包括蝦青素、活性蛋白、活性多糖、不飽和脂肪酸、天然色素、生物肥料和餌料等。

2海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的技術構成及開發(fā)流程

海洋微藻生物質(zhì)能源的產(chǎn)業(yè)開發(fā)主要包括海洋微藻藻種的篩選、大規(guī)模培養(yǎng)、采收，以及生物燃料制備工藝等方面。

表1海洋微藻能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)流程及配套技術

2.1藻種的選育

藻種的選育主要是篩選生長快速、適應性強的適宜生物質(zhì)能開發(fā)的優(yōu)良藻種，采用傳統(tǒng)選育與分子生物學相結合的方法改良藻種。

國內(nèi)外的科學家利用各種方法已選育出了幾種含油量較高的藻種，包括小球藻、異養(yǎng)小球藻、鹽藻、角毛藻等，為低成本的生物燃料生產(chǎn)提供了原料支持。

2.2微藻的大規(guī)模培養(yǎng)

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇需考慮幾個方面：微藻的生理學特性、地產(chǎn)投資、勞工、能源、水、營養(yǎng)、天氣(室外培養(yǎng))以及最終產(chǎn)品的形式。

水自古以來就與人類的生活環(huán)境緊密相關，在各類造景元素中，水景的營造一直是居住區(qū)景觀中備受關注的熱點.人們普遍有親水的傾向和心理，水景作為第四代建筑的基本設計理念已得到設計師們的一致認可，并倍受用戶青睞.從住宅外環(huán)境的裝飾點綴到依水而建、擇水而居再到現(xiàn)在流行的住宅區(qū)大面積人工水景設計，水景始終是居住空間的重要賣點[1].水景已經(jīng)深深融入到城市景觀建設之中，增添了城市的詩韻與靈動.

目前，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要有三種方式：傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)、封閉式的光生物反應器培養(yǎng)和封閉式的發(fā)酵罐生產(chǎn)。

2.3微藻的采收

微藻生物量的采收過程是生產(chǎn)過程的一個限制因素，需根據(jù)微藻的特性及經(jīng)濟因素選擇不同的方法和試劑，一般采用化學絮凝、離心和氣浮三種方法。

2.4以微藻為原料提取生物燃料

從微藻里提取生物燃料所使用的方法主要有直接液化技術、熱解技術等。

高溫高壓液化技術或超臨界流體萃取技術：可獲得細胞中的油脂，再通過酯交換技術將其轉變?yōu)橹舅峒柞?，即生物柴油?/p>

HTU技術（Hydro Thermal Upgrading Process）：另一種將生物質(zhì)轉化為液體燃料的工藝，將生物質(zhì)材料置于裝水的高壓容器中軟化成糊狀，然后液化，經(jīng)脫羧處理和去O2后獲得生物原油。

利用微藻直接熱解制備生物燃料：即在隔絕空氣條件下加熱使微藻生物質(zhì)降解成氣體、液體和固體等多種產(chǎn)物，包括快速熱解（主要產(chǎn)物是焦炭，副產(chǎn)物為生物油）和慢速熱解(主要產(chǎn)物是生物油和可燃氣體)。

3全球創(chuàng)新資源分布及國內(nèi)外主要研發(fā)機構

目前有關微藻能源技術的研究，無論是發(fā)明機構還是發(fā)明人均較為分散，但主要分布在美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家。美國在海洋微藻能源的研究應用方面占據(jù)了絕對的優(yōu)勢地位。

我國有關能源微藻的研究主要分布在北京、青島、大連、上海的高校及科研機構中，仍屬于實驗室階段的探索性研究，距離產(chǎn)業(yè)化還有非常大的距離。

3.2國內(nèi)外主要研發(fā)機構及技術

該領域的研究機構大多同時涉及藻種選育、培養(yǎng)、采集、燃料制備等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的技術研發(fā)，設計采用的集成系統(tǒng)，可完成微藻培養(yǎng)、采集、燃料制備等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。國內(nèi)外研發(fā)機構及相關技術見表2、表3。

表2國外研發(fā)機構及技術

表3國內(nèi)研發(fā)機構及技術

4海洋微藻生物質(zhì)能源技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1專利技術分析

通過對涉及海洋微藻養(yǎng)殖技術、富油藻種選育、微藻燃料制備技術專利文獻的檢索分析發(fā)現(xiàn)，美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家的海洋微藻生物質(zhì)能源技術的專利數(shù)量遠高于其他國家的專利申請數(shù)量。美國在海洋微藻能源的研究應用方面占據(jù)了絕對的優(yōu)勢地位。藻類生物燃料市場主要由北美和歐洲的公司主導，同時印度、以色列和中國的一些企業(yè)也在逐漸加大在該領域的研發(fā)投入。

我國的微藻能源科研力量大多集中在大專院校及科研機構中，企業(yè)專利權人特別是生物燃料公司占比極小，沒有形成以企業(yè)為主體的技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化體系。這類專利雖然有些處于比較前沿的地位，但是要想將這些技術成果轉化為生產(chǎn)力，還需要與企業(yè)的合作，而國內(nèi)企業(yè)在海洋微藻能源上的研發(fā)能力仍急需提高。

4.2國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

進入21世紀后，藻類生物燃料的研究工作出現(xiàn)了新的進展。美國、日本、德國、印度等國政府都已投入大量的資金及啟動相關的計劃進行海洋微藻生物質(zhì)能源的研究開發(fā)。國際上眾多的科研機構、生物燃料公司、投資公司紛紛宣布開發(fā)微藻產(chǎn)油技術，在該領域投入大量資金，其中包括比爾·蓋茨和洛克菲勒家族、國際石油巨頭殼牌(SHELL)石油公司與雪佛龍(CHEVRON)石油公司、美國國防部、國家可再生能源實驗室(NREL)、麻省理工學院(MIT)等，部分企業(yè)宣稱已完成了中試，生產(chǎn)出了符合標準的生物柴油,擁有規(guī)模化的商業(yè)化生產(chǎn)技術，微藻能源研究正從試驗階段逐步進入工業(yè)應用準備階段。

我國的海洋生物質(zhì)能研究也已取得了一定進展，在海藻種質(zhì)資源和低成本生產(chǎn)技術上具備良好積累。中國科學院等高校、科研機構以及少數(shù)企業(yè)已在開展微藻能源研究工作，但大多屬于實驗室的探索性研究，微藻油脂的提取、轉化等技術仍然屬于實驗室的小試階段性成果，極少見中試規(guī)模以上的實施案例報道，距離產(chǎn)業(yè)化還有非常大的距離。

4.3海洋微藻生物質(zhì)能源技術研究熱點和發(fā)展趨勢分析

國內(nèi)外的核心技術及研發(fā)熱點基本趨于一致，主要集中在優(yōu)良藻種選育（加快微藻的生長速度、提高微藻的光合效率、增加微藻的含油量）、高效低成本培養(yǎng)模式（提高產(chǎn)量、縮短周期、選擇最佳環(huán)境條件和培養(yǎng)基組成的大規(guī)模養(yǎng)殖系統(tǒng)）、生物質(zhì)能高效轉化技術（生物發(fā)酵制備生物丁醇技術和發(fā)酵制氫技術，生產(chǎn)生物柴油的酯化反應技術、超臨界萃取液化技術、高壓液化技術，其他用于制取生物燃料的熱解、氣化技術）以及高值化綜合利用模式等方面的研究。這些共性關鍵技術是海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化的技術瓶頸。

盡管藻類生物能源的研究取得了很大進展，但目前所有藻類燃料公司所面臨的最大挑戰(zhàn)都是成本控制問題，微藻生物能源成本居高不下制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來幾年之內(nèi)，藻種的篩選、技術的改善、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化及設備制造成本下降，都將是直接影響微藻生物柴油成本下降的重要因素。目前在全部流程環(huán)節(jié)中，并沒有哪一項技術占的成本比重最大，因此最終要在產(chǎn)油微藻產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化開發(fā)方面取得突破，必須在各個環(huán)節(jié)都著力降低成本。而進行以微藻油脂為主線，蛋白質(zhì)、多糖、脂肪酸等的聯(lián)產(chǎn)與綜合利用，既是現(xiàn)代化工業(yè)技術對資源綜合利用的必然要求，也是在目前技術條件下有效降低藻油生產(chǎn)成本、早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必由之路。

5結語

發(fā)展海洋微藻生物質(zhì)能源已成為世界各國的重大國家戰(zhàn)略需求。目前國內(nèi)外的藻生物質(zhì)能源技術尚未成熟，研發(fā)熱點基本一致，圍繞微藻能源技術展開的競爭將越來越激烈，且已呈現(xiàn)全面提速的態(tài)勢。我國海洋微藻基礎研究力量較強，在海藻種質(zhì)資源和低成本生產(chǎn)技術上具有良好積累，應加強富油藻種選育、高效低成本培養(yǎng)模式建立、生物質(zhì)能高效轉化技術以及高值化綜合利用等核心技術的研發(fā)，突破產(chǎn)業(yè)化的技術瓶頸，促進海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

[1]李乃勝.關于發(fā)展海藻生物能源的認識與建議.科學時報, 2009，02，09年02月09日.

[2]任小波,等.海洋生物質(zhì)能研究進展及其發(fā)展戰(zhàn)略思考.地球科學進展，2009,4,24(4):403-410.

[3]鄭洪立,等.產(chǎn)生物柴油微藻培養(yǎng)研究進展.中國生物工程雜志, 2009,29（3）110-11.

[4]劉永平.海藻生物燃料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的進展.中外能源，2009,14: 31-38.

[5]王蒙,等.以海洋微藻為原料提取生物燃料的研究進展與發(fā)展趨勢,南方水產(chǎn),2 0 0 9,2,5(1):74-80.

[6]錢伯章.微藻生產(chǎn)生物燃料及其技術進展（下）.太陽能，2009.11: 33-35.

朱延雄，高級工程師，從事科技情報研究工作。