微藻能源技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展思路與策略

黃英明，王偉良，李元廣，謝靜莉，范建華，陶黎明

1 中國生物技術發(fā)展中心，北京 100036 2 華東理工大學 生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237

微藻能源技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展思路與策略

黃英明1，王偉良2，李元廣2，謝靜莉2，范建華2，陶黎明2

1 中國生物技術發(fā)展中心，北京 100036 2 華東理工大學 生物反應器工程國家重點實驗室，上海 200237

隨著石油資源的日益減少及實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的迫切需要，微藻能源已成為世界各國重點研究與發(fā)展的戰(zhàn)略方向。微藻能源關系國家能源重大戰(zhàn)略儲備，因此我國迫切需要自主開發(fā)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術。文中分析了我國發(fā)展微藻能源的優(yōu)勢，及目前微藻能源產(chǎn)業(yè)化中存在的瓶頸和亟待解決的問題，既包括基礎科學研究內(nèi)容，也包括產(chǎn)業(yè)化進程中亟需攻克的關鍵技術問題。在此基礎上，提出微藻能源的發(fā)展思路和策略，指出了其產(chǎn)業(yè)化中的主要環(huán)節(jié)的技術發(fā)展方向，展望了產(chǎn)業(yè)化進程。

微藻能源，技術開發(fā)，產(chǎn)業(yè)化，發(fā)展策略

Abstract:With the dwindling of fossil fuels supply and the urgent need for the development of low-carbon economy, microalgae bioenergy, both renewable and environmentally friendly, has become one of the worldwide focuses.Given its benefit to the security of national energy supply, microalgae energy is particularly significant for China, with more than 50% crude oil imported and limited arable land for grain and edible oil production.In this article, both the advantages of microalgae bioenergy and the challenges of its development are addressed, which involves fundamental research and technology development as well as commercial production.Furthermore, strategies are proposed for China’s microalgae bioenergy development, and its prospects are projected.

Keywords:microalgae bioenergy, R & D, commercial production, development strategy

1 微藻能源正成為重點研究的戰(zhàn)略方向

1.1 發(fā)展微藻能源的重要意義

眾所周知，資源、能源和環(huán)境是當前人類社會發(fā)展面臨和必須解決的三大難題。目前，我國能源短缺形勢嚴峻，石油等化石能源儲備嚴重不足，遠遠不能滿足經(jīng)濟和社會高速發(fā)展的需要，迫切需要從戰(zhàn)略角度發(fā)展新的可再生能源。受技術和資源等因素限制，核能、風能、潮汐能以及太陽能等替代能源，還無法替代石油等傳統(tǒng)化石能源，液體燃料仍具有不可替代性。近年來，作為液體燃料之一的生物柴油，是國際上可再生能源的新生力量，因可直接利用現(xiàn)有發(fā)動機及加油站等設施，且對環(huán)境友好(N、S含量低)，同時其熱值接近化石柴油，因而發(fā)展迅猛，應用范圍不斷擴大，在柴油市場所占比例穩(wěn)步上升，但原料不足是限制國內(nèi)外生物柴油大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。

CO2減排已成為亟待解決的全球性問題。2009年聯(lián)合國哥本哈根氣候大會，標志著一個以減少碳排放和提升碳吸儲能力為核心的低碳經(jīng)濟時代的來臨。目前，我國已經(jīng)將發(fā)展低碳經(jīng)濟納入國家總體發(fā)展戰(zhàn)略，并提出了到2020年，單位GDP排放CO2比2005年下降40～45%的自主行動目標[1]。要實現(xiàn)這一宏偉目標，作為國民經(jīng)濟支柱的能源產(chǎn)業(yè)，必須在CO2減排中發(fā)揮主導作用。

目前，生產(chǎn)生物柴油所用原料均源于油料作物，由于油料作物的油脂面積產(chǎn)率不高，大力發(fā)展生物柴油必然要占用大量耕地，影響糧食生產(chǎn)。而微藻種類繁多、分布廣，是最簡單、最古老的低等植物，可直接利用陽光、CO2及N、P等簡單營養(yǎng)物質(zhì)快速生長并在胞內(nèi)合成大量油脂(主要是甘油三酯)，為生物柴油生產(chǎn)提供新的油脂資源。目前國內(nèi)外普遍認為，作為一種新的生物能源，微藻能源發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1.2 微藻能源發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀

微藻作為生物柴油原料的研究始于 20世紀 60年代。20世紀 70年代中東戰(zhàn)爭等因素導致國際原油供應緊張，美國、日本、澳大利亞等西方國家為了減少對進口原油的依賴，大力資助微藻培養(yǎng)產(chǎn)油項目[2]。其中，美國在1978?1996年由國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)牽頭并聯(lián)合多個單位進行的《水生物種計劃—藻類生物柴油》(Aquatic species program—biodiesel from algae，ASP)最為著名，該計劃開展了包括產(chǎn)油微藻優(yōu)良藻種篩選、培養(yǎng)模式、油脂代謝調(diào)控與分子操作等方面的研究。雖然利用微藻產(chǎn)油在技術上可行，但其成本比當時石油價格高出很多[2]。所以，能源微藻的研發(fā)曾一度中斷。

20世紀 90年代以來，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對石油需求增加，不僅導致價格上漲，而且石油基能源產(chǎn)品的大量消費使溫室氣體排放增加，生態(tài)環(huán)境惡化，世界各國又開始大力發(fā)展環(huán)境友好的微藻生物柴油[3]。2006—2008年，石油價格的大幅上揚，進一步推進了微藻能源(主要是生物柴油)產(chǎn)業(yè)化技術的發(fā)展，美國等發(fā)達國家的政府和企業(yè)在該領域紛紛投入或計劃投入大量資金進行微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術研發(fā)，在國際上掀起了一股勢不可擋的微藻能源開發(fā)熱潮[4]，如埃克森美孚公司于 2009年7月宣布，將啟動一項規(guī)模達6億美元的藻類生物燃料計劃[5]。

為了加快微藻能源的產(chǎn)業(yè)化進程和總體部署，2008年12月，美國能源部召開了國家藻類生物燃料發(fā)展規(guī)劃研討會，2009年發(fā)布了《藻類生物燃料技術路線圖》草案，并于2010年6月28日正式發(fā)布[6]。英國、澳大利亞等一些發(fā)達國家也都紛紛啟動了微藻生物柴油方面的科研項目，目前全球已有150多家專門從事微藻能源開發(fā)的公司，但迄今國內(nèi)外尚無經(jīng)濟上可行的微藻能源生產(chǎn)系統(tǒng)[7]。據(jù)英國《獨立報》2010年6月10日報道，空中客車公司“新一代鉆石DA42”飛機，采用100%微藻生物燃料驅(qū)動，在6月8日開幕的柏林國際航空航天展覽會上完成首飛，首次證明了微藻生物燃料完全可以獨立為飛機提供發(fā)動機燃料，并且使用微藻生物燃料后排放的尾氣中，碳氫化合物、氮氧化合物和硫氧化物分別是化石燃料的1/8、60%和1/60[8]。

我國近年來也加大了對微藻生物柴油的研發(fā)力度，政府、科研機構和企業(yè)對微藻生物柴油的開發(fā)予以了高度重視。例如科技部于2009年開始啟動微藻能源方面的863重點項目；在“十二五”期間將在973計劃及863計劃中對微藻能源予以立項支持；中石化、中石油以及中海油等能源巨頭均對微藻能源予以高度的重視；華東理工大學與上海澤元海洋生物技術有限公司聯(lián)合在江蘇泰興市對高產(chǎn)油脂的小球藻在戶外敞開池中的光自養(yǎng)培養(yǎng)進行小規(guī)模中試研究，即將在國內(nèi)微藻生產(chǎn)龍頭企業(yè)——江西新大澤實業(yè)集團的海南微藻養(yǎng)殖基地進行大規(guī)模培養(yǎng)試驗，同時以培養(yǎng)出的大量能源微藻為原料進行生物柴油的規(guī)?；苽溲芯浚恍聤W科技發(fā)展有限公司已開始利用管道式及平板式光生物反應器從事能源微藻的中試培養(yǎng)研究。2010年5月在北京召開了“第二輪中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟對話”，期間中美簽訂了一系列關于航空生物燃料方面的合作項目，其中之一就是《推進藻類可持續(xù)航空生物燃料合作》[9]?？梢哉f微藻生物柴油正成為世界各國重點研究的戰(zhàn)略方向。

2 我國發(fā)展微藻能源的必要性及優(yōu)勢

2.1 我國發(fā)展微藻能源的必要性

我國現(xiàn)有的能源消耗以化石能源為主，能源結構不合理。我國政府已明確提出要積極發(fā)展可再生能源和新型、安全、清潔的替代能源，并且提出2020年我國非化石能源消費比重將由目前的不到 9%提高到15%[10]。此外，我國CO2減排任務非常繁重。因此，我國應加快能源結構的優(yōu)化調(diào)整，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。

微藻與能源植物相比，具有光合作用效率高、含油量高、生長周期短、油脂單位面積產(chǎn)率高，還可利用非可耕地和非淡水資源，富含色素、多糖和蛋白等高附加值產(chǎn)品等獨特優(yōu)勢，被認為是發(fā)展?jié)摿薮?、最有可能替代石油的生物能源大宗生產(chǎn)原料。目前，微藻能源作為生物能源領域的戰(zhàn)略儲備，世界各國都在搶占技術制高點，我國發(fā)展微藻能源的必要性主要表現(xiàn)在以下兩方面：1)微藻能源關系國家能源重大戰(zhàn)略儲備，國外一旦產(chǎn)業(yè)化技術成熟，其核心技術不可能轉(zhuǎn)讓給我國；2)能源微藻的藻種和培養(yǎng)技術等具有很強的地域及氣候差異性，不能從國外照搬，必須針對我國國情，走自主研發(fā)之路。

2.2 我國發(fā)展微藻能源的優(yōu)勢

我國耕地有限，但擁有廣闊的鹽堿地、灘涂和荒漠土地資源，可規(guī)模化利用。與其他油料作物相比，利用微藻培養(yǎng)積累的油脂生產(chǎn)生物柴油不僅用地面積最少，而且不占用耕地。因此，只有發(fā)展微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物柴油才最有可能滿足我國未來運輸燃料的供應。同時微藻，特別是海水微藻培養(yǎng)還可以利用灘涂地和海水資源，有效規(guī)避發(fā)展生物能源存在“與人爭糧、爭地和爭水”的矛盾。

我國CO2排放點多、量大、面廣，適合微藻培養(yǎng)的資源化利用，可大幅度降低微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)所需碳源成本，如培養(yǎng)1 t 螺旋藻所需的碳源(常規(guī)為NaHCO3)成本約為人民幣1萬元[4]。因此，利用微藻光自養(yǎng)生長過程，大規(guī)模吸收工業(yè)廢氣中的CO2，在實現(xiàn) CO2減排的同時，生產(chǎn)生物柴油所需的油脂原料(每噸藻約可固定2 t CO2)，既可大幅度降低能源微藻培養(yǎng)成本，又可從清潔能源發(fā)展機制(Clean development mechanism，CDM)中獲得收益。由于生物柴油的市場需求量極大(我國每年需求的柴油量約 1億 t，如全部通過光自養(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻來生產(chǎn)，約需要 3億 t 干藻粉，可吸收約6億t CO2)，因此微藻能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為緩解我國 CO2減排的壓力帶來了新的希望。此外，植物生長僅能吸收空氣中的 CO2，而能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)可解決 CO2的點源排放問題，這對于解決我國熱電廠、鋼鐵廠、化工廠等 CO2排放大戶的減排問題，具有重要的潛在應用價值。

能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)還可利用我國量大面廣的富含N/P廢水資源。我國廢水中N/P含量高，處理成本高，導致水體富營養(yǎng)化并誘發(fā)藍藻爆發(fā)。微藻需要吸收N/P等營養(yǎng)物質(zhì)進行光自養(yǎng)生長，例如在培養(yǎng)小球藻的Walne培養(yǎng)基中N和 P含量分別為47 mg/L和5.2 mg/L，與我國城市生活污水中N、P含量基本相當。如果充分利用富含N/P廢水培養(yǎng)能源微藻，不僅降低了所需的 N源成本(0.3～0.4萬元/t螺旋藻)和P源成本(約0.3萬元/t螺旋藻)[4]，而且可省去廢水處理中脫N和除P環(huán)節(jié)，節(jié)約廢水處理成本(脫N和除P成本約為0.3元/t城市生活廢水)，達到富含N/P廢水資源化利用和去除污染物的雙重目的。

我國在微藻生物技術領域如種質(zhì)資源和大規(guī)模培養(yǎng)技術等方面具有較好的研究工作基礎，且微藻產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，如螺旋藻產(chǎn)量居世界第一。

3 微藻能源產(chǎn)業(yè)化過程中的關鍵問題

低成本是發(fā)展微藻能源的最基本要求，缺乏基礎研究支撐和技術優(yōu)化與系統(tǒng)集成，導致微藻能源成本高、生產(chǎn)效率低，是制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。究其原因，主要是由于微藻生物技術產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，而人們真正認識到微藻生物能源重要性也是近幾年的事，過去人們對該領域的研究重視不夠，很多關鍵技術及相關的基礎理論方面的研究少有涉足，產(chǎn)業(yè)化開發(fā)缺乏堅實的理論基礎和關鍵技術支撐。筆者認為，微藻能源產(chǎn)業(yè)化過程主要存在以下關鍵問題：

1)可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻優(yōu)良種(株)的選育技術和綜合評價體系。

2)對能源微藻光合固碳、油脂合成與積累的機制及其調(diào)控原理的認識。

3)高效低成本的光生物反應器優(yōu)化方法以及其放大技術。

4)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)工藝優(yōu)化與放大技術。

5)經(jīng)濟上可行的能源微藻細胞采收、油脂提取及生物能源產(chǎn)品加工技術。

6)非油脂組分資源化利用技術及系統(tǒng)集成優(yōu)化技術。

7)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的評價。

8)低成本高效率微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術路線及相應的研究平臺。

4 微藻能源發(fā)展的思路與策略

4.1 過程集成與工程技術研發(fā)及基礎研究并舉

能源微藻產(chǎn)業(yè)化技術的開發(fā)應首先以現(xiàn)有微藻產(chǎn)業(yè)中已實現(xiàn)規(guī)模化培養(yǎng)的優(yōu)良藻種(如小球藻、三角褐指藻等)為出發(fā)藻種，利用現(xiàn)有的相關技術開展規(guī)?；囵B(yǎng)、藻體采收、油脂提取、生物能源產(chǎn)品加工及性能評價等各環(huán)節(jié)的初步研究，初步建立微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng)，打通微藻能源產(chǎn)品生產(chǎn)的技術路線，通過實際運行獲得微藻能源的實際生產(chǎn)成本及其成本分布情況，發(fā)現(xiàn)各單元(尤其是規(guī)?；囵B(yǎng))存在的具體問題，同時可小規(guī)模制備微藻能源產(chǎn)品(如生物柴油等)。通過整個微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術的試運行，針對亟待解決的關鍵環(huán)節(jié)，開展工程技術研發(fā)及相關的基礎理論研究，及時在集成系統(tǒng)中對研究成果進行檢驗和應用，有針對性地解決微藻能源產(chǎn)業(yè)化中所存在的關鍵科學和技術問題，不斷優(yōu)化微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng)，一旦經(jīng)濟上可行，便及時進行工業(yè)化放大試驗，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。筆者認為，采用上述的過程集成與工程技術研發(fā)及基礎研究并舉的策略，可大大縮短微藻能源產(chǎn)業(yè)化開發(fā)所需時間。

4.2 優(yōu)良藻種(株)選育與基因工程改造

微藻能源產(chǎn)業(yè)化的首要條件是要有性能優(yōu)良的藻種(株)，它應具有生長快、油脂含量高、抗逆性強及適合于戶外規(guī)?；囵B(yǎng)等特點，其篩選與誘變(如物理和化學誘變等)不應單純追求高生長速率或高油脂含量，而應以高油脂產(chǎn)率和易規(guī)模化低成本培養(yǎng)為目標[11]。

微藻能源產(chǎn)業(yè)化要求在我國不同地區(qū)不同季節(jié)均能做到連續(xù)生產(chǎn)，因此藻種(株)的選育具有區(qū)域性，不僅要在實驗室特定條件下進行，而且還須模擬戶外規(guī)模化培養(yǎng)的實際條件(如晝夜溫差、夜晚無光照等)來考察藻種的性能，最終還需通過戶外培養(yǎng)確定藻種的性能。

對于適合規(guī)?；囵B(yǎng)的藻種(株)，還可以通過基因工程方法對其進行改造，尤其對于遺傳背景較為清楚的藻種(株)，可在對其代謝網(wǎng)絡進行重構的基礎上，有針對性地進行分子生物學改造，以獲得性能優(yōu)良的工程藻株。

4.3 光生物反應器的設計、優(yōu)化與放大

微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)(即光生物反應器)有二大類：一是敞開池，二是封閉式光生物反應器。目前微藻大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)所用光生物反應器主要為敞開式跑道池與圓池，具有成本低的優(yōu)點，但其效率也低，自上世紀60年代開發(fā)出來后，迄今很少有人對其進行系統(tǒng)研究，工程設計、建造和運行缺乏理論和技術指導。

封閉式光生物反應器(管道式、平板式、柱式等)雖然具有細胞密度高、生長快等許多優(yōu)點，由于其制造和運行成本高、放大技術不成熟等，目前尚無法應用于能源微藻的大規(guī)模培養(yǎng)，但這類反應器可用于能源微藻藻種的培養(yǎng)。能源微藻在規(guī)?；囵B(yǎng)時需要大量藻種，而目前的藻種擴培系統(tǒng)存在培養(yǎng)密度低、周期長等缺點，難以滿足能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)對藻種的需求，封閉式光生物反應器所具備的優(yōu)點恰恰可以滿足能源微藻藻種快速擴培的需要。

目前國內(nèi)外所開發(fā)的各種戶外培養(yǎng)用封閉式光生物反應器是在不同自然光條件下分別進行微藻培養(yǎng)實驗以評價其性能的優(yōu)劣，由于光照對微藻生長影響極大，因此其結果可比性不強，亟需在相同的自然光照條件下對各種封閉式光生物反應器的性能進行評價。此外，由于光在微藻培養(yǎng)液中衰減嚴重，封閉式光生物反應器放大后的效率均明顯下降。迄今，封閉式光生物反應器的放大在國內(nèi)外均憑經(jīng)驗或在定性的方法指導下進行，缺乏系統(tǒng)的理論和定量的方法。

筆者在長期的研究中認識到，光生物反應器的設計、優(yōu)化和放大必須以促進光照方向的混合為基本原則，不論是敞開式培養(yǎng)池或封閉式光生物反應器的設計、優(yōu)化和放大都應遵循這一原則。近年來計算流體力學(Computational fluid dynamics，CFD)已被廣泛用于各類反應器的開發(fā)。針對光生物反應器中必須強化光照方向的混合程度這一特殊要求，在了解能源微藻光衰減特性的前提下，可以通過CFD模擬并結合冷模及熱模試驗，建立敞開式培養(yǎng)池及封閉式光生物反應器的設計、優(yōu)化和放大方法[12]，從而為能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)提供高效的裝置。

4.4 能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)

4.4.1 培養(yǎng)模式

微藻的培養(yǎng)模式主要包括光自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)(兼養(yǎng))3種形式。

微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)具有很多優(yōu)點[4]，同時也是目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的微藻(螺旋藻、小球藻、鹽藻、雨生紅球藻等)及餌料微藻的大規(guī)模培養(yǎng)中普遍采用的模式。對于能源微藻的培養(yǎng)，1998年美國的ASP計劃工作總結報告指出：相對低成本的敞開池光自養(yǎng)培養(yǎng)是最有前景的培養(yǎng)模式[13]，但敞開池光自養(yǎng)培養(yǎng)存在的培養(yǎng)密度低、易被污染、水分蒸發(fā)、CO2供給不足、受環(huán)境因素影響大等問題，使其難以滿足能源產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。封閉式光生物反應器雖然可克服敞開池的許多缺點，但由于成本高、放大技術不成熟等原因，迄今尚未應用于微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。

異養(yǎng)培養(yǎng)不能直接利用太陽能和 CO2，難以直接用于能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)；對于可異養(yǎng)生長的能源微藻，可采用異養(yǎng)方式對其藻種進行快速擴培。此外，如若微藻異養(yǎng)培養(yǎng)積累油脂的效率和成本優(yōu)于產(chǎn)油微生物，則將具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。

微藻的混養(yǎng)培養(yǎng)雖可獲得較高的細胞密度和細胞產(chǎn)率，但大規(guī)?；旌吓囵B(yǎng)過程中無法實現(xiàn)微藻無菌培養(yǎng)，易滋生雜菌(尤其是以易被微生物利用的糖類為碳源時)。在微藻油脂生產(chǎn)生物柴油過程中會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物甘油，從長遠來看，一旦微藻能源實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，副產(chǎn)的甘油量將非?？捎^，但甘油可以作為部分能源微藻混合培養(yǎng)時的碳源，如何利用甘油開展能源微藻的大規(guī)?；祓B(yǎng)培養(yǎng)也是未來值得研究的方向。

近年來研究者通過將不同的培養(yǎng)方式進行組合，產(chǎn)生了一些新的培養(yǎng)模式：

1)先自養(yǎng)后異養(yǎng)模式：先利用密閉式光生物反應器自養(yǎng)培養(yǎng)以固定 CO2，然后利用發(fā)酵法進行異養(yǎng)以提高含脂量[14]。該模式存在的最大問題是光自養(yǎng)培養(yǎng)過程放大后無法做到無菌培養(yǎng)[15]，由于微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)要求藻種必須不帶任何雜菌，因此該模式無法放大，在能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)方面不具有實際應用價值。

2)封閉式光生物反應器與開放池相結合的培養(yǎng)模式：先利用密閉式光生物反應器實現(xiàn)微藻的高密度培養(yǎng)，然后再和敞開池串聯(lián)，使藻液在封閉式光生物反應器和敞開池中循環(huán)流動。該模式不僅基本具備高密度、有效固定 CO2、低成本的特點，同時還可部分克服高溫季節(jié)封閉式光生物反應器降溫成本高、敞開式反應器水蒸發(fā)量大的缺點，但如何實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，非常值得深入研究。

4.4.2 能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng)工藝

低成本大規(guī)模的能源微藻培養(yǎng)是實現(xiàn)微藻能源產(chǎn)業(yè)化的關鍵環(huán)節(jié)之一。能源微藻培養(yǎng)是一個動態(tài)過程，面臨著多變的外部環(huán)境條件、污染生物的競爭以及細胞之間的相互作用，因此能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)工藝的優(yōu)化必須綜合考慮各個因素，使能源微藻的潛能得到最大程度的發(fā)揮。能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)工藝優(yōu)化應重點考慮以下內(nèi)容：

1)以CO2為碳源： 通入CO2有兩方面的作用，一是為微藻生長提供所需的碳源，二是調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值。微藻光自養(yǎng)過程中，培養(yǎng)液的pH值呈上升趨勢，過高的 pH不利于微藻的生長，通入 CO2可將pH值控制在其最適范圍內(nèi)。

2)優(yōu)化培養(yǎng)基：培養(yǎng)基是能源微藻細胞生長和油脂合成的物質(zhì)基礎，其組成對藻細胞的生長及油脂積累影響顯著。因此，在能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)研究中，培養(yǎng)基的優(yōu)化非常重要。此外，適合于已有能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)的N/P廢水資源的篩選也是一個非常值得研究的方向。

3)藻細胞生長及油脂積累與環(huán)境條件的相互作用：深入了解微藻光合作用和油脂積累與外界環(huán)境條件的響應機制，找出環(huán)境條件對藻細胞生長及油脂積累的影響規(guī)律，從而通過調(diào)控環(huán)境因子促進藻細胞生長及油脂的積累。

4)培養(yǎng)液的循環(huán)利用：能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)時的藻細胞密度一般較低，細胞采收后的大量培養(yǎng)液必須實現(xiàn)循環(huán)利用，否則不僅需要大量的水資源，而且會增加生產(chǎn)成本。

4.5 能源微藻采收、油脂提取及生物能源加工

能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)時細胞密度一般較低(一般為每升幾克干細胞)，傳統(tǒng)的液固分離技術(如離心等)因其成本高無法直接用于能源微藻的大規(guī)模采收。因此，微藻細胞采收也是能源微藻產(chǎn)業(yè)化中亟待解決的瓶頸問題之一。微藻種類繁多，形態(tài)、細胞壁等的組成結構與表面特性、包括油脂在內(nèi)的胞內(nèi)組成呈現(xiàn)多樣性特征，這些特征不僅因藻種而異，即使對于同一藻種，也隨培養(yǎng)工藝的差異而變化。因此關于能源微藻的采收、油脂提取及生物能源加工也應根據(jù)能源微藻細胞的多元特性開展有針對性的研究。

傳統(tǒng)生物能源加工原料大多為干物質(zhì)，根據(jù)全生命周期分析(Life cycle analysis，LCA)，利用干燥后的微藻生產(chǎn)能源產(chǎn)品過程的能量“入不敷出”[16]。由于微藻細胞中水含量高達80%以上，為避免干燥的高能耗，開發(fā)以濕藻為原料的低能耗微藻能源綠色制備方法將成為一個重要的研究方向。

4.6 藻體非油脂組分資源化利用

4.6.1 非油脂組分的高值化利用

微藻提油后的非油脂組分中含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖和色素等生物活性物質(zhì)，可被開發(fā)成為醫(yī)藥、食品及飼料添加劑等高附加值產(chǎn)品。通過對藻渣的高值化利用，不僅可以實現(xiàn)微藻細胞的綜合利用，還能夠提高微藻能源生產(chǎn)過程的綜合經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，降低微藻能源的生產(chǎn)成本。

4.6.2 非油脂組分的能源化利用

在藻體非油脂組分高值化利用市場飽和的情況下，大量非油脂組分必須全部進行能源化利用。美國能源部2010年6月正式發(fā)布的《藻類生物燃料技術路線圖》[7]，指出了微藻非油脂組分能源化利用的多個方向，如厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、熱解、與煤共氣化等，但相關技術均不成熟，有待深入研究。

4.7 微藻能源生產(chǎn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化

微藻能源產(chǎn)業(yè)化過程涉及的環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈長，其本身非常復雜，系統(tǒng)效率不但取決于各個單元的效率，也取決于各單元的相互影響和耦合。由于微藻能源興起的時間很短，迄今尚無微藻能源生產(chǎn)全過程中試的報道，因此對微藻能源規(guī)?；到y(tǒng)的集成了解甚少，亟待開展研究。

微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術開發(fā)必須建立一個集成系統(tǒng)的研究平臺，以便及時對各個單元的研究成果進行評價與集成，同時也便于各個單元之間研究工作相互銜接(如規(guī)?；囵B(yǎng)可為能源產(chǎn)品加工提供原料，油脂的提取方法對非油脂組分的高 値 化利用具有重要影響，且濕的藻細胞及提取油脂后的藻渣難以長時間保存，只能就地加工)。

LCA作為一種對工業(yè)過程整個生命周期中能耗和物耗以及對環(huán)境影響進行量化評價的工具，其對微藻能源的規(guī)?；a(chǎn)具有重要的指導意義。通過分析微藻能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和運輸、季節(jié)環(huán)境條件影響等過程中的能量和物質(zhì)平衡，從微藻能源生產(chǎn)過程中各單元能量和物質(zhì)的投入與產(chǎn)出、CO2固定、廢水排放等角度綜合考慮，對微藻能源生產(chǎn)過程進行全生命周期分析，以實現(xiàn)各個單元之間高效率的耦合，評價其過程經(jīng)濟性并建立相應的過程評價體系是十分必要的。

5 總結與展望

微藻能源順應我國新能源及低碳經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢，符合“不與人爭糧、不與糧爭地”的國家生物能源發(fā)展戰(zhàn)略，作為能源領域的重大戰(zhàn)略儲備，我國應合理部署，聚集大型研究團隊進行自主研發(fā)。

隨著石油價格的持續(xù)上漲和實現(xiàn)低碳經(jīng)濟、節(jié)能減排的迫切需要，相信制約微藻能源產(chǎn)業(yè)化的高成本這一瓶頸問題必將逐步得以解決。短期內(nèi)的成本問題可以通過以下幾個方面的集成來平衡[4]：1)持續(xù)的技術研發(fā)提高效率；2)CO2等廢物資源化以節(jié)省原輔材料消耗成本；3)微藻的生物煉制提高綜合技術經(jīng)濟指標。筆者認為，按照上述思路，在適合于能源微藻終年培養(yǎng)且具有CO2資源的我國南方地區(qū)，微藻能源有望在 5年左右初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并可盈利；此外，在持續(xù)的技術研發(fā)、石油價格的不斷攀升、CO2減排與CDM、政府補貼等多種因素的作用下，預計10年左右，即使在藻體非油脂組分高值化利用市場飽和的情況下，微藻能源大規(guī)模生產(chǎn)仍有望在經(jīng)濟上是可行的(如圖1所示，在美國華盛頓州立大學陳樹林教授提供的素材基礎上形成)。

圖1 降低微藻能源成本的對策與前景Fig.1 The strategies and prospects of reducing the cost of microalgae bioenergy.

微藻能源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)無疑將帶動現(xiàn)有微藻生物技術產(chǎn)業(yè)的整體升級，極大地促進微藻生物技術學科的發(fā)展。因此，微藻能源這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將促進微藻生物技術新興產(chǎn)業(yè)鏈的形成，使豐富但尚未被充分利用的微藻資源寶庫在解決人類面臨的“資源、能源和環(huán)境”等問題中發(fā)揮更大作用。

在微藻能源這一新興的熱點研究領域，我國目前與美國等發(fā)達國家差距不大，已經(jīng)具備了實現(xiàn)創(chuàng)新跨越的潛力。筆者認為，在各級政府和企業(yè)的大力支持下，充分發(fā)揮我國現(xiàn)有的資源優(yōu)勢和科技優(yōu)勢，在不久的將來，我國完全有可能在微藻能源這一新領域的國際競爭中占據(jù)領先地位。

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Strategies for research and development and commercial production of microalgae bioenergy

Yingming Huang1, Weiliang Wang2, Yuanguang Li2, Jingli Xie2, Jianhua Fan2, and Liming Tao2
1 China National Center for Biotechnology Development, Beijing 100036, China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Received:July 16, 2010;Accepted:July 17, 2010

Supported by:National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(Nos.2007AA02Z209, 2007AA09Z419).

Corresponding author:Yuanguang Li.Tel/Fax: +86-21-64250964; E-mail: ygli@ecust.edu.cn國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(Nos.2007AA02Z209, 2007AA09Z419)資助。