利用微藻固定 CO2和生產(chǎn)生物燃料技術(shù)的研究進(jìn)展

任德剛

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司,北京 100120)

利用微藻固定 CO2和生產(chǎn)生物燃料技術(shù)的研究進(jìn)展

任德剛

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司,北京 100120)

介紹了國(guó)內(nèi)外利用微藻固定 CO2和生產(chǎn)生物燃料技術(shù)的最新研究和應(yīng)用情況,指出了存在的問(wèn)題和主要研究方向,展望了該技術(shù)的發(fā)展前景。

微藻;CO2固定;生物燃料

植物在進(jìn)行光合作用時(shí),可吸收 CO2并釋放氧氣。利用這一原理減排 CO2稱(chēng)為生物吸附。微藻細(xì)胞內(nèi)碳含量超過(guò) 50%,每生產(chǎn) 100 t的微藻,就可以吸收 183 t的 CO2[1]。有些微藻的光合作用產(chǎn)物為油脂,可轉(zhuǎn)化為生物柴油;有些微藻能夠合成長(zhǎng)鏈烯烴,也具有發(fā)展生物燃料的潛力;有些微藻在光合作用時(shí)還能生產(chǎn)出更加清潔和高效的能源——?dú)?。微藻遍布全球水體,生長(zhǎng)環(huán)境簡(jiǎn)單,不占用可耕地,產(chǎn)量高,產(chǎn)油率高 (20%～70%),不含硫[2],是優(yōu)質(zhì)的綠色能源。目前,利用微藻固定 CO2和生產(chǎn)生物燃料結(jié)合技術(shù),已成為研究熱點(diǎn)。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

1.1 美國(guó)

1978年,美國(guó)啟動(dòng)微藻能源計(jì)劃,研究以化石燃料產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)高含脂微藻。這一計(jì)劃因經(jīng)費(fèi)精減、藻類(lèi)制油成本過(guò)高而于 1996年中止。2006年 11月,美國(guó)綠色燃料科技公司和亞利桑那公眾服務(wù)公司建立了可與 1040MW電廠煙氣相連接的商業(yè)化系統(tǒng),成功地利用煙氣中的 CO2大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻,并轉(zhuǎn)化為生物柴油和生物乙醇[3-4]。2007年,由美國(guó)能源部牽頭,宣布了由國(guó)家能源局支持的“微型曼哈頓計(jì)劃”,計(jì)劃在 2010年實(shí)現(xiàn)微藻制備生物柴油的工業(yè)化。在各項(xiàng)技術(shù)全面進(jìn)展的前提下,將微藻產(chǎn)油的成本降低。2007年 11月,美國(guó)國(guó)際能源公司開(kāi)發(fā)以微藻為原料生產(chǎn)可再生柴油和噴氣燃料,其專(zhuān)有技術(shù)使微藻可分離和提取生物油,同時(shí)保持產(chǎn)油細(xì)胞自身的生長(zhǎng)能力,脫去了生物油的微藻重新放入培養(yǎng)液中仍可繼續(xù)生長(zhǎng),重新積累烴類(lèi)物質(zhì),從而最大限度地減少了生物質(zhì)的生產(chǎn)時(shí)間,提高了烴類(lèi)的產(chǎn)量[5]。

美國(guó) Diversified能源公司和 XL可再生能源公司共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)低成本體系,大大降低了生物燃料生產(chǎn)過(guò)程中的資本投入及操作維護(hù)成本[6]。美國(guó)國(guó)防部于 2008年底宣布開(kāi)展微藻生物柴油研究工作,主要目的在于:在 2010年前證實(shí)并使基于海藻的生物質(zhì)燃料能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化[5]。

美國(guó)加州大學(xué)等研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫萊因哈德衣藻 (Chlamydomonasreinhadtii)的綠藻具有持續(xù)產(chǎn)氫能力。這種天然藻產(chǎn)氫量很低,每升衣藻水體可以釋放 2.0～2.5mL/h的氫氣,能維持 24～70 h,隨后氫氣產(chǎn)生量持續(xù)減少。可以通過(guò)控制其生長(zhǎng)所必需的或障礙生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素或采用分子遺傳技術(shù)改造藻的特性提高其產(chǎn)氫能力[8]。

1.2 日本

1990年 -2000年,日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部資助了名為“地球研究更新技術(shù)計(jì)劃”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用微藻來(lái)固定 CO2,并開(kāi)發(fā)密閉式光生物反應(yīng)器,通過(guò)微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的 CO2生產(chǎn)生物能源。日本一家研究小組從表層海水中獲得一種叫Tit-1的海藻新品種,白天它與普通植物一樣在光照條件下將 CO2轉(zhuǎn)化為淀粉貯藏起來(lái),在弱光或厭氧條件下將淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇[10]。日本把產(chǎn)氫藻和光合細(xì)菌的高效產(chǎn)氫列為研究重點(diǎn)。

1.3 其他國(guó)家

新西蘭 Aquaflow生物經(jīng)濟(jì)公司針對(duì)微藻生產(chǎn)的生物柴油,進(jìn)行了世界首次概念驗(yàn)證[7]。2007年3月,以色列一家公司對(duì)外展示了利用海藻吸收電廠煙氣中 CO2,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能新技術(shù),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(zhuǎn)化為燃料[3]。

荷蘭AlgaeLink公司是一家擁有工業(yè)化藻類(lèi)培養(yǎng)設(shè)備和藻油加工技術(shù)的公司,該公司向全球銷(xiāo)售其反應(yīng)器,并提供相關(guān)技術(shù)支持。2008年 4月該公司與荷蘭航空公司簽訂了利用藻油開(kāi)發(fā)航空燃油的協(xié)議[8]。2008年 5月,西班牙阿利坎特市生物燃料系統(tǒng)公司研制出“生態(tài)石油”,稱(chēng)其生態(tài),因?yàn)樵撌褪且环N含有纖維和細(xì)胞膜中硅的有機(jī)物質(zhì)。該公司下一步的目標(biāo)是在一年內(nèi)建立第一個(gè)以生態(tài)石油為燃料的電廠,裝機(jī)容量為 30MW[9]。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)在能源微藻基礎(chǔ)研究方面擁有很強(qiáng)的研發(fā)力量,眾多高校和科研院所承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)微藻分類(lèi)、育種和保存技術(shù)研究,擁有一大批淡水和海水微藻種植資源。目前,我國(guó)在微藻大規(guī)模養(yǎng)殖方面已走在了世界前列。

新奧集團(tuán)已經(jīng)完成微藻生產(chǎn)能源實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模的工藝技術(shù)路線,完成了研發(fā)中心試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與中試示范化工程。在此基礎(chǔ)之上,新奧集團(tuán)將于 2012至 2013年實(shí)現(xiàn)微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化和盈利,形成可復(fù)制的產(chǎn)業(yè)化單元技術(shù),實(shí)現(xiàn)生物能源產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)[5]。

由上海市科委立項(xiàng)、上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院承擔(dān)的微藻制油項(xiàng)目已取得小試階段性成果。科研人員正加緊研發(fā)既能產(chǎn)出柴油,又能減排CO2的微藻制油新技術(shù),并準(zhǔn)備將成果率先應(yīng)用于治理燃煤電廠廢氣。中科院與中石化公司聯(lián)合承擔(dān)的微藻生物柴油成套技術(shù)項(xiàng)目已啟動(dòng),近期要完成小試研究,2015年前后實(shí)現(xiàn)戶(hù)外中試裝置研發(fā),遠(yuǎn)期將建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)示范裝置[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前,利用微藻吸收 CO2、制造生物燃料的研究尚處于科研階段,成本和規(guī)模是開(kāi)發(fā)微藻的兩大瓶頸問(wèn)題[11]。主要的研究方向?yàn)閇11-12]:應(yīng)用基因改良或遺傳育種技術(shù),選育能快速生長(zhǎng)的富油和富烴微藻,特別是適應(yīng)發(fā)電廠煙氣 CO2濃度高、溫度高且含有 SOx、NOx等藻毒素特性的微藻;利用電廠廢熱,降低藻類(lèi)植物的干燥成本;開(kāi)發(fā)應(yīng)用于 CO2高效捕獲與微藻生物質(zhì)快速增殖的低成本光合生物反應(yīng)器;液化、分離、產(chǎn)氫、熱解等與從藻類(lèi)植物中提取油脂相關(guān)的技術(shù)研究;藻類(lèi)養(yǎng)殖排放水再應(yīng)用及處理;油脂萃取后的副產(chǎn)品再利用。

利用微藻固定 CO2并生產(chǎn)生物燃料,具有重要社會(huì)、環(huán)境效益。隨著研究的深入,微藻生物燃料的成本有望接近或低于石油產(chǎn)品的成本,由此得到大規(guī)模應(yīng)用。

[1]陳國(guó)帝,盧文章,白明德,等.大規(guī)模藻類(lèi)培養(yǎng)吸附 CO2探討[J].永續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展(溫室氣體管理策略專(zhuān)輯),2008,(41):36-43.

[2]李乃勝.關(guān)于發(fā)展海藻生物能源的認(rèn)識(shí)與建議[N].科學(xué)時(shí)報(bào),2009-02-10.

[3]鄭言.海洋微藻:化解能源危機(jī)的一把“鑰匙”[EB/OL].中國(guó)新能源網(wǎng),http://www.newenery.org.cn/html/0096/680927816.html,2009-06-08.

[4]張軍.微藻能源探索前行[J].中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館科學(xué)研究檢測(cè)動(dòng)態(tài)快報(bào)(先進(jìn)能源科技專(zhuān)輯),2008,72(9):6-8.

[5]王春明.美國(guó)國(guó)際能源公司宣布任命“藻類(lèi)生物燃料”咨詢(xún)委員會(huì)專(zhuān)家[J].中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館科學(xué)研究檢測(cè)動(dòng)態(tài)快報(bào)(先進(jìn)工業(yè)生物科技專(zhuān)輯),2008,44(11):3-4.

[6]新華網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù).微藻生物能源簡(jiǎn)介[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/zgjx/2009-07/16/content_11720337_1.htm,2009-07-16.

[7]Melis A,Zhang L P,ForestriM,et al.Sustained photobiological hydrogen gasproduction upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green algae chlamydomonas reinhardii[J].Plant Physiology,2000,(122):127-136.

[8]MelisA,Happe T.Hydrogen production:Green algae as a source of energy[J].Plant Physiology,2001,(127):740-748.

[9]胡建廷,王延斌,孫明河.海藻制油:能源新曙光[N].科技日?qǐng)?bào),2008-07-21.

[10]顧永強(qiáng).微藻制生物柴油前景可期[N].中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào),2009-05-16.

[11]程麗華,張林,陳歡林,等.微藻固定 CO2研究進(jìn)展 [J].生物工程學(xué)報(bào),2005,21(2):177-181.

[12]楊忠華,陳明明,曾嶸,等.利用微藻技術(shù)減排二氧化碳的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2008,28(8):15-19.

Recent progress on CO2fixation and biofuel production bymicroalgae

The recent progress on carbon d ioxide fixat ion and biofuel product ion by m icroalgae is reviewed.The m ajor obstacles and research direct ion are pointed out.The technology future is forecasted.

m icroalgae;CO2fixation;biofuel

X701.7

B

1674-8069(2010)06-061-02

2010-07-30;

2010-11-02

任德剛 (1969-),男,山東煙臺(tái)人,碩士,高級(jí)工程師,從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)和管理工作。E-mail:dgren@cpecc.net