藻類:未來能源希望之光

□馮普凌

生物燃料在實(shí)驗研究和工業(yè)化領(lǐng)域中，都取得了引人注目的長足進(jìn)展。但是，原油價格波動影響著生物燃料的市場。同時，以糧食作物為原料的第一代生物燃料和以非糧食作物為原料的第二代生物燃料，其初期投資會與糧食作物和土地成本價格的上升發(fā)生沖突。因此，以藻類為原料的第三代生物燃料，成為全球現(xiàn)在關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，藻類生物燃料還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但有一些裝置正在建設(shè)。

藻類生物柴油受關(guān)注

第一代生物燃料（如生物乙醇）的原料是糧食作物，由于世界人口的不斷增長，可能會引發(fā)糧食短缺或糧價上漲，這將會給原料來源帶來挑戰(zhàn)。

第二代生物燃料的原料是非糧食作物的生物質(zhì)廢料，如玉米或小麥的莖、柳枝稷和木材廢料等。第二代生物燃料（如纖維質(zhì)乙醇）是將生物質(zhì)廢料合成液體燃料。第二代生物燃料不涉及與人類糧食需求發(fā)生沖突的問題，但卻面臨生物質(zhì)廢料的收集和處理等新難題。

第三代生物燃料以藻類為原料，可彌補(bǔ)前兩代生物燃料的缺陷。藻類可在新鮮水域或海洋環(huán)境中快速成長，將可自由利用的能源陽光、水和二氧化碳，轉(zhuǎn)化為存儲于藻類細(xì)胞脂質(zhì)中的化學(xué)能，這些脂質(zhì)可從藻類細(xì)胞中提取出來，合成生物燃料。從藻類提取出的脂質(zhì)可轉(zhuǎn)化為汽車用生物柴油，或用于噴氣發(fā)動機(jī)的可再生柴油。藻類生物燃料無須改變目前市場上汽車發(fā)動機(jī)的現(xiàn)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，且使用中排碳量低，無須大面積的原料生產(chǎn)基地。

藻類生物燃料中最受關(guān)注的是生物柴油。生物柴油的定義為長鏈脂肪酸烷基醚，原料是可再生能源，如蔬菜油、動物脂肪，有時還可使用烹調(diào)油。生物柴油可完全燃燒，可生物降解，無毒，具有無須添加硫和芳烴的潛在可能性。生物柴油不屬于石油，卻可以任何比例與石油燃料混合使用，可用于壓燃式發(fā)動機(jī)，即柴油機(jī)，并且基本無須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改動。

生產(chǎn)優(yōu)勢明顯

多數(shù)生物燃料的原料，如水生生物、農(nóng)作物、林產(chǎn)等，可生產(chǎn)生物天然氣、生物氫、生物乙醇、生物油和生物柴油。這些生物燃料與化石燃料的燃燒過程相似，都是固定碳被轉(zhuǎn)化為二氧化碳，所以同樣存在碳循環(huán)的問題。另外，由于原料使用的是生物質(zhì)，使自然資源過度消耗的問題日益嚴(yán)重。而藻類生物燃料對環(huán)境和土地的壓力較輕。

2002～2007年，全球生物柴油的生產(chǎn)能力以每年至少50%的速度增長。另外，生物柴油的迅猛發(fā)展也體現(xiàn)在產(chǎn)地分布的變化上。2005年，83%的生物柴油產(chǎn)于歐洲，其次是北美洲和亞洲，分別為8%和4%。而到了2007年，歐洲、北美洲和亞洲的份額則分別為55%、21%和15%。據(jù)預(yù)測，到2012年，歐洲的份額將下降到48.5%，依然名列第一，亞洲將上升到第二位，占20.2%，排名第三的北美洲占19.6%。

生物柴油代替化石柴油，并不存在重大的技術(shù)限制，而是受農(nóng)作物油、動物脂肪等可用原料的限制以及用于生產(chǎn)原料的可耕種土地的限制。

為了減少石油進(jìn)口，解決能源獨(dú)立性的問題，美國投入大量資金生產(chǎn)生物柴油，用于交通能源。生物柴油占領(lǐng)交通能源市場，需要極大的產(chǎn)量滿足需求。如果采用農(nóng)作物油或是動物脂肪等原料，則需要大量土地，這將造成很大困難。而微藻為生物柴油的發(fā)展帶來了希望。據(jù)分析，美國可利用1%到3%的播種土地養(yǎng)殖微藻，以滿足該國50%的交通能源需求。

除了土地方面的優(yōu)勢，藻類的另一個優(yōu)點(diǎn)是生長迅速。通過研究發(fā)現(xiàn)，無論在任何地方，微藻都可以在4～24小時內(nèi)，使其生物質(zhì)成倍生長。基于物種、生長條件和其他因素，微藻中的油成分在20%到80%之間。具有高含油量的微藻，更能滿足生物柴油的生產(chǎn)需要。

企業(yè)加大投入優(yōu)化工藝

為了解決高額成本帶來的難題，各大公司的工藝優(yōu)化項目正在進(jìn)行當(dāng)中。一些大型石油公司如?？松梨凇hevron和BP已宣布投資進(jìn)行研發(fā)，并與一些創(chuàng)業(yè)集團(tuán)和大學(xué)實(shí)驗室開展合作。其中最大的一個項目是，?？松梨谟?009年7月作出的6億美元投資，該公司與基因?qū)W家Craig Venter 創(chuàng)辦的Synthetic Genomics公司開展合作。

藻類培植方法分為光合藻和異養(yǎng)藻兩種。目前，多數(shù)公司致力于光合藻工藝的研究。利用該工藝，藻類可將二氧化碳和陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后轉(zhuǎn)化/儲存為脂質(zhì)或油。光合藻可在開放式池塘或是光—生物反應(yīng)器中生長。異養(yǎng)藻是一種可替代工藝，可在發(fā)酵罐中利用糖或植物材質(zhì)等固定碳資源生長，可在陽光下以極高的效率將這些資源轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)。

一些企業(yè)利用開放式池塘進(jìn)行藻類培植，包括Aurora生物燃料公司在美國佛羅里達(dá)州建設(shè)的試點(diǎn)項目。HR Biopetroleum公司與殼牌公司的合資企業(yè)Cellana公司是藻類生物燃料的創(chuàng)始者，在美國夏威夷建立開放式池塘試驗廠。美國Livefuels公司正致力于綠色資源與現(xiàn)有煉油基礎(chǔ)設(shè)備一體化的研究。美國PetroAlgae公司正在建立藻類培植實(shí)驗基地。美國PetroSun公司計劃開發(fā)藻類鹽水池塘。其他還有不少在開放式池塘培植光合藻的企業(yè)。

還有一些企業(yè)利用光—生物反應(yīng)器等封閉式系統(tǒng)培植藻類。加拿大Valcent公司在美國得克薩斯州的EI Paso建立了試驗裝置，研發(fā)出一種封閉式循環(huán)操作的高密度立式光—生物反應(yīng)器。美國Sapphire Energy公司正致力于生產(chǎn)可再生汽油。Solix Biofuels公司在美國科羅拉多州的FortColins建立試驗裝置，進(jìn)行用可擴(kuò)展型封閉式光—生物反應(yīng)器生產(chǎn)生物燃料的研究。美國OriginOil公司正在開發(fā)螺旋式生物反應(yīng)器，在螺旋部分安置了低能光；OriginOil公司與Desmet Ballestra公司開展合作，將試驗廠的小試規(guī)模擴(kuò)大為中試規(guī)模。美國Algenol Biofuels公司采用三角式光—生物反應(yīng)器，以微藻為原料生產(chǎn)乙醇。

美國Solazyme公司開發(fā)出一種新型異養(yǎng)藻工藝，通過改變微藻基因，利用糖、蔗糖或葡萄糖等固定碳資源，使微藻在黑暗的環(huán)境下生長。這種方法不需要陽光，以大型不銹鋼容器代替了大面積的開放式池塘或大量玻璃/塑料管，使工藝過程簡化。另外，研究者發(fā)現(xiàn)，這種在黑暗環(huán)境中生長的異養(yǎng)藻，其生長密度可大于光合自養(yǎng)藻的1000倍。

制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范市場

美國制定了生物燃料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 6751，歐洲制定了生物燃料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EN 1421，燃料級生物柴油必須符合這些國家和地區(qū)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以確保燃料性能。如果生物柴油與石油燃料混合使用，那么必須對混合比例進(jìn)行標(biāo)注，例如B40，表示生物柴油占40%，石油燃料占60%。美國新可再生燃料法，特別指出藻類生物燃料需遵循可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)中纖維質(zhì)生物燃料的相關(guān)規(guī)定。另外，美國還將向藻類生物燃料生產(chǎn)商提供優(yōu)惠政策，每加侖的藻類生物燃料享受1.01美元的所得稅減免。

雖然到目前，藻類生物燃料還處于起步階段，但政府的政策法規(guī)將大大推動藻類生物燃料的工業(yè)化，眾多公司的研究與實(shí)踐也將有力促進(jìn)其商業(yè)化。