微藻生物燃料的遠(yuǎn)景展望

張姍姍 李金偉

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

0 前言

隨著石油供應(yīng)減少，世界范圍極大的能源需求對(duì)日益減少的能源資源形成激烈的競(jìng)爭(zhēng)。此外，化石燃料的燃燒導(dǎo)致嚴(yán)重的全球溫室氣體積累，據(jù)報(bào)道，全世界每年排放到大氣中的CO2約為100億t［1］，它影響世界經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)棲息。生物燃料顯示了潛在的前景，可幫助解決能源需求。其中，第二代生物能源應(yīng)運(yùn)而生，這類(lèi)能源的主要特點(diǎn)是單位面積產(chǎn)量高、不占用農(nóng)業(yè)耕地、環(huán)境影響?。?］。藻類(lèi)是制備生物柴油的最佳的生物質(zhì)原料之一。藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)的許多方面已引起世界各地研究人員和企業(yè)家的關(guān)注。這些方面包括：（一）單位面積生產(chǎn)力高；（二）藻類(lèi)原料是非糧食資源；（三）使用其他非生產(chǎn)性不適耕種的土地；（四）利用各種水源（淡水，半咸水，咸水和廢水）；（五）緩解溫室氣體的釋放；（六）能同時(shí)生產(chǎn)有價(jià)值的副產(chǎn)品。

雖然藻類(lèi)有巨大潛能取代石油燃料，但是許多領(lǐng)域的技術(shù)仍處于初級(jí)階段。在藻類(lèi)燃料商業(yè)化生產(chǎn)前，要解決許多基礎(chǔ)和應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)等方面的問(wèn)題。為了減低藻類(lèi)燃料生產(chǎn)成本，我們將對(duì)藻類(lèi)研究做簡(jiǎn)明的概述，同時(shí)描述目前藻類(lèi)研究與開(kāi)發(fā)的狀態(tài)。最后，我們將找出一些關(guān)鍵的必須克服的技術(shù)壁壘使藻類(lèi)生物燃料達(dá)到經(jīng)濟(jì)上可行。

1 藻類(lèi)生物燃料的前期研究

ASP成功的證明了藻類(lèi)物種作為油來(lái)源的可行性而且還完善了許多重要技術(shù)。這些提高是通過(guò)藻株分離和生化性質(zhì)［3］，基因工程［4］，工程學(xué)和過(guò)程開(kāi)發(fā)［5］，以及戶(hù)外藻類(lèi)規(guī)模培養(yǎng)示范等［6］。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和資源評(píng)估是該計(jì)劃的重要方面，能指導(dǎo)許多重要的科學(xué)和技術(shù)障礙。雖然ASP取得重大進(jìn)展，但這個(gè)計(jì)劃被擱置了一段時(shí)間。直到最近，藻類(lèi)的關(guān)注急劇增加，現(xiàn)在許多國(guó)家都在開(kāi)展這一研究。

微藻包括各種各樣的光合微生物，能夠固定大氣中的二氧化碳來(lái)有效生產(chǎn)生物而且速度比陸地植物更快。許多藻株已被證明在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)超過(guò)50％生物量的是脂類(lèi)［7］，其中大部分是三酰基甘油類(lèi)。三酰基甘油類(lèi)是高能量密度燃料（如生化柴油，綠色柴油，綠色煤油和綠色汽油）的期望原料。脂類(lèi)含量隨著生長(zhǎng)條件［8］的不同其數(shù)量和質(zhì)量也不同。

現(xiàn)實(shí)中傳統(tǒng)油料作物生物燃料的發(fā)展還不能滿(mǎn)足運(yùn)輸用燃料［9］的需求。除去脂質(zhì)成分，剩余的生物量也可以用來(lái)生產(chǎn)能量，更多的液體氣體燃料，或更高價(jià)值的副產(chǎn)物。藻類(lèi)生物燃料比從玉米等油料作物中獲取的生物柴油的希望高，而且比纖維質(zhì)乙醇［10］的可能性還高。

1.1 海藻養(yǎng)殖和收獲

目前微藻并沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。只有少量（約5000～100000t的全球藻類(lèi)生物量）是商業(yè)生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)高價(jià)值，低量補(bǔ)充食物和營(yíng)養(yǎng)保健品［11］。微藻生物柴油成套技術(shù)涵蓋多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括微藻的篩選和培育，獲得性狀優(yōu)良的高含油量藻種，在光生物反應(yīng)器中吸收陽(yáng)光、CO2等，生成微藻生物質(zhì)，最后經(jīng)過(guò)采收、加工，轉(zhuǎn)化為微藻生物柴油［12］。

藻類(lèi)培養(yǎng)使用開(kāi)放式和封閉系統(tǒng)。無(wú)論哪種都需要高資金的投入。封閉光反應(yīng)器的建造更昂貴，但目前并沒(méi)有大幅度降低成本的方法。反應(yīng)器技術(shù)不成熟，許多不確定因素需要繼續(xù)研究。針對(duì)開(kāi)放和封閉培養(yǎng)系統(tǒng)的問(wèn)題，如反應(yīng)器材質(zhì)，混合，優(yōu)化栽培規(guī)模，加熱/冷卻，蒸發(fā)，氧氣的積累，操作和CO2等，在一定程度上已審議并探討，待詳細(xì)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)后會(huì)有明確答案。

產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)藻類(lèi)，需要篩選菌株和確定菌種條件，以快速生產(chǎn)高脂肪含量的生物量。微藻可茁壯成長(zhǎng)的環(huán)境條件范圍很廣，但相比陸地作物，它的生長(zhǎng)條件較為有限。在高的太陽(yáng)輻射下，藻類(lèi)生產(chǎn)率的理論最大值為100g/m2.d。開(kāi)放池塘比封閉光反應(yīng)器下降了20～30g/m2.d，開(kāi)放式天然池塘的高峰生產(chǎn)能力接近50g/m2.d［13］。封閉光生物反應(yīng)器可以提高生產(chǎn)力，因?yàn)樗谋砻鎸?duì)體積比更高。

有資料表明，微藻采收的成本占其養(yǎng)殖成本（包括培養(yǎng)和采收）的20％～30％［14］。目前以微藻為原料的生物柴油生產(chǎn)成本極高，要想取代傳統(tǒng)的化石能源，必須大幅降低其生產(chǎn)成本（有90％以上的降低空間［15］），而采收是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在微藻采收、脫水和干燥作業(yè)上可節(jié)省99.75％以上的費(fèi)用［16］。因此，尋求一種高效率、低成本的采收方法是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題.在此情況下，最有前途的低成本的方法是，利用重力沉降——絮凝可能增強(qiáng)無(wú)化學(xué)絮凝劑的效益［17］。使用小數(shù)額的化學(xué)絮凝劑，以幫助這一進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)成本效益。然而，重大工程的研究工作旨在發(fā)展我們需要的有效的藻類(lèi)采收技術(shù)。

1.2 海藻油的提取

原油采收采用的程序?qū)τ谠孱?lèi)細(xì)胞和含油植物種子的要求是不同的。藻類(lèi)采油最可能的技術(shù)是涉及某種形式的溶劑萃取（如正己烷，超臨界CO2流體萃取，超聲等）。涉及干重的操作過(guò)程不太經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗婕澳芰枯斎?，與藻類(lèi)料漿等相關(guān)的操作是優(yōu)先的［18］。一旦藻油回收，下游處理成生物柴油或綠色柴油將會(huì)順利進(jìn)行，雖然燃料轉(zhuǎn)換可能存在并發(fā)癥如由藻類(lèi)種群和氣候變化引起的總脂質(zhì)含量差異（即三?；视皖?lèi)、磷脂質(zhì)和糖脂間相對(duì)水平）。就整個(gè)生物燃料產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)無(wú)機(jī)養(yǎng)分的成本并不是個(gè)沉重負(fù)擔(dān)，能源投入才顯著［18］。作為生物燃料整體經(jīng)濟(jì)的一部分還必須考慮副產(chǎn)品。藻類(lèi)廢水處理可以獲得大量的副產(chǎn)品，剩余的生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為能源（通過(guò)燃燒，熱解，或乙醇發(fā)酵）、價(jià)值較高的動(dòng)物飼料，獸醫(yī)營(yíng)養(yǎng)保健品等。如果有可能，藻類(lèi)生物質(zhì)中的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)應(yīng)該再循環(huán)到培養(yǎng)系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)流程最大效率。

1.3 藻類(lèi)燃料產(chǎn)品

歷史上，藻類(lèi)燃料產(chǎn)品的重點(diǎn)一直在高能脂質(zhì)方面。微藻油含有脂肪酸和甘油三酯化合物，就像陸地上的種子油，使用傳統(tǒng)技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為醇酯確（即生物柴油）。除此之外還有很多途徑來(lái)優(yōu)化反應(yīng)，因?yàn)轱暳辖M成和下游處理要求不同。

另外，油可以通過(guò)催化加氫過(guò)程生產(chǎn)可再生或綠色柴油產(chǎn)品。植物油和廢動(dòng)物脂只能處理有限的石油變?yōu)樵偕匀剂?。若汽油，航空煤油，柴油的原料是生物的它們一般被認(rèn)為是可再生的或綠色的，它們本質(zhì)上是原油經(jīng)過(guò)相同的化學(xué)解析而來(lái)。石油衍生燃料的主要特征是含氧量接近零。與原油相比典型的生物燃料如乙醇和生物柴油等都有很高的含氧量。成為可再生性汽油、航空煤油和柴油的首要目標(biāo)是使最終燃料的含氧量最小化，同時(shí)使最終含能量最大化。

1.4 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和資源分析

項(xiàng)目研究必須要證明其經(jīng)濟(jì)可行性。一份詳細(xì)的關(guān)于藻類(lèi)到燃料的研究、發(fā)展、商業(yè)化的評(píng)論是不完整的，它還包括技術(shù)潛在成本的調(diào)查研究。藻類(lèi)生物燃料產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性高度的依賴(lài)于TAG原料的價(jià)格。價(jià)格、產(chǎn)量以及其他因素，將助于確定藻類(lèi)衍生脂質(zhì)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中的定價(jià)。目前正在探究的三個(gè)生產(chǎn)方案：開(kāi)放池塘，封閉光生物反應(yīng)器和發(fā)酵（發(fā)酵罐中異養(yǎng)生長(zhǎng)的藻類(lèi)利用的碳源是糖類(lèi)而不是CO2）［19］。

再生能源實(shí)驗(yàn)室集中于研究開(kāi)放跑道式池塘技術(shù)，因?yàn)檫@在藻類(lèi)生產(chǎn)中被認(rèn)為是最符合成本效益的選擇。我們使用奧斯瓦德等［20］提出的低資本成本的過(guò)程模型作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)。這個(gè)過(guò)程設(shè)想連續(xù)開(kāi)放培養(yǎng)藻類(lèi)，用化學(xué)絮凝劑濃縮生物量。生物量懸浮液用熱柴油提取來(lái)回收脂質(zhì)，然后送到一個(gè)三相離心機(jī)中分離油，水和廢生物量。雖然離心分離一般被認(rèn)為過(guò)于昂貴，生物質(zhì)濃縮使用絮凝劑將減少大約100倍的處理水量，從而減少離心機(jī)規(guī)模，使資本和運(yùn)營(yíng)成本降低至可接受的水平。提取生物量懸浮液的步驟中使用熱柴油，也降低了運(yùn)行成本，因?yàn)檫@省略了生物質(zhì)的干燥。它還省略了純?nèi)軇┑某杀?，脂質(zhì)流可以直接發(fā)送進(jìn)行生物燃料加工。在此工藝配置中，廢生物量被送到厭氧消化池中生產(chǎn)能產(chǎn)能產(chǎn)熱的甲烷。

微藻能成為高級(jí)生物燃料的原料，是因?yàn)樗纳鷳B(tài)足跡少，這項(xiàng)技術(shù)確使它在干旱、半干旱、鹽堿水或其他不適合農(nóng)業(yè)等生物生長(zhǎng)的地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)。集約管理微藻生產(chǎn)比農(nóng)作物或樹(shù)木固定的單位面積CO2多數(shù)倍以上。雖然藻類(lèi)生物燃料燃燒仍會(huì)產(chǎn)生CO2，微藻融合電廠收集的煙氣可以增加能量同時(shí)CO2的釋放量?jī)H有60％。微藻衍生的材料也可用于其他長(zhǎng)遠(yuǎn)用途，能隔絕CO2。發(fā)電廠的煙氣能提供足夠的CO2進(jìn)行大規(guī)模的微藻養(yǎng)殖。此外，以生物量為基礎(chǔ)，藻類(lèi)生產(chǎn)燃料的概念，需要從資源遠(yuǎn)景來(lái)分析，因此一些挑剔的要求，如CO2、養(yǎng)分、陽(yáng)光和水，應(yīng)該與它們的實(shí)用性相一致。資源的實(shí)用性對(duì)于藻類(lèi)生物燃料的發(fā)展是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)器。生產(chǎn)所需的藻類(lèi)，資源調(diào)查時(shí)許多因素需要考慮。為了大規(guī)模藻類(lèi)培養(yǎng)，一份關(guān)于資源要求和實(shí)用性的初步調(diào)查已在實(shí)施，注意力主要在氣候、土地、水和CO2上。需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定最佳條件和地點(diǎn)。

2 未來(lái)研究重點(diǎn)

藻類(lèi)可以大型戶(hù)外栽培和收獲。藻脂類(lèi)可以被提取并轉(zhuǎn)換為生物柴油或其他運(yùn)輸燃料。有關(guān)的問(wèn)題不是海藻能否生產(chǎn)生物燃料，而是使它們經(jīng)濟(jì)可行從而大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足人類(lèi)需求。但是達(dá)到這個(gè)目標(biāo)還存在不少困難。例如，如何提高藻種質(zhì)量；如何有效收集藻體，降低采收成本；如何降低能耗等都有待進(jìn)一步的研究［21］。今后應(yīng)加大基礎(chǔ)及應(yīng)用方面、提高藻類(lèi)生產(chǎn)力以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等方面的研究，以確保商業(yè)化的道路順利實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

雖然目前木質(zhì)纖維素是生物燃料生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，但富油且能利用CO2進(jìn)行光合作用的微藻，似乎前景更廣闊。光合微生物生產(chǎn)燃料的的研究和技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，延續(xù)到今天，興趣和投資在世界范圍內(nèi)迅速升溫。為了收獲獨(dú)立能源與藻類(lèi)原料安全，需要在藻類(lèi)生理學(xué)和大量培養(yǎng)方面創(chuàng)新，同時(shí)結(jié)合過(guò)程和整個(gè)系統(tǒng)工程，來(lái)確保技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。最后，至關(guān)重要的是要考慮這項(xiàng)工作的生態(tài)效益、管理問(wèn)題、公眾接受度和社會(huì)影響等。

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