日本藻類生物燃料的研究進(jìn)展

劉 波，裴明遠(yuǎn)

（1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001；2.天津工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，天津 300387）

以藻類為原料生產(chǎn)生物燃料，是當(dāng)今世界的熱門課題，也是生物燃料的發(fā)展方向[1]。與現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的以玉米等糧食作物為原料制取生物燃料的方法相比，以藻類為原料的生物燃料的生產(chǎn)有其自身的發(fā)展優(yōu)勢(shì)[1～8]。例如，藻類具有很強(qiáng)的繁殖能力，單位面積的產(chǎn)量非常高；不與農(nóng)業(yè)用耕地及食料競(jìng)爭(zhēng)；排水、生產(chǎn)水（produced water，在石油產(chǎn)業(yè)中，是指開采石油及天然氣時(shí)產(chǎn)出的水）、鹽水均可用于藻類的培養(yǎng)，無(wú)需使用有限的淡水；藻類吸收發(fā)電廠及其它產(chǎn)業(yè)排放的含大量CO2的排放氣中的C；藻類細(xì)胞中的油重質(zhì)油含量高，但幾乎不含S；能生產(chǎn)有價(jià)值的副產(chǎn)品。

以微細(xì)藻類為原料生產(chǎn)生物燃料的技術(shù)研究，主要是以美國(guó)和日本為中心進(jìn)行的，美國(guó)和日本走在了世界前列[9]，澳大利亞[10]和以色列也研究微細(xì)藻類。本文對(duì)日本藻類生物燃料的研究概況及日本藻類生物燃料的研究情況進(jìn)行概述。

1 日本藻類生物燃料的研究概況

日本由原通產(chǎn)省及經(jīng)產(chǎn)省實(shí)施了陽(yáng)光計(jì)劃（1974～1993年）及新陽(yáng)光計(jì)劃（1993～2000年）[11]。只是，活動(dòng)內(nèi)容以調(diào)查為中心，培養(yǎng)試驗(yàn)等停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，未進(jìn)行大規(guī)模的示范試驗(yàn)。

近年來(lái)，日本也開始關(guān)注藻類生物燃料的研究開發(fā)。2010年4月，筑波大學(xué)大學(xué)院、東京工業(yè)大學(xué)大學(xué)院、東北大學(xué)大學(xué)院、國(guó)立環(huán)境研究所、出光興產(chǎn)株式會(huì)社、日輝株式會(huì)社、住友重機(jī)械株式會(huì)社等大學(xué)及企業(yè)發(fā)起建立了“藻類產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造財(cái)團(tuán)”[12]，期待著對(duì)藻類生物燃料進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

2 日本主要的藻類生物燃料的研究[2，9，12，13]

據(jù)報(bào)道，日本還沒有已進(jìn)入試驗(yàn)階段的藻類生物燃料項(xiàng)目，藻類生物燃料項(xiàng)目基本都在研究開發(fā)階段，被研究的藻類可分為3類。

2.1 Aurantiochytrium

2010年12月13～14日，在日本的筑波大學(xué)召開的“首屆亞洲大洋洲藻類創(chuàng)新高峰論壇”（The 1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit）[14]上，筑波大學(xué)大學(xué)院的渡邉信教授的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了可有效地生產(chǎn)油脂的Aurantiochytrium的相關(guān)內(nèi)容。

Aurantiochytrium的特點(diǎn)是：與過(guò)去在日本國(guó)內(nèi)主要研究的Botryococcus braunii相比，在適宜的溫度環(huán)境下其繁殖速度非?？欤荁otryococcus braunii的36倍；油的生產(chǎn)效率達(dá)到Botryococcus braunii的10倍以上。

（1）Aurantiochytrium概要 Aurantiochytrium是不含葉綠素（無(wú)光合成）的從屬營(yíng)養(yǎng)型的藻類，細(xì)胞呈球形，直徑為數(shù)微米。因?yàn)锳urantiochytrium本身不能進(jìn)行光合成，所以通過(guò)吸收CO2以外的碳化合物（也就是通過(guò)其它植物的光合成而得到的有機(jī)碳化合物）進(jìn)行繁殖進(jìn)而生產(chǎn)油脂。

據(jù)文獻(xiàn)資料介紹，含Aurantiochytrium的Labyrinthulea類中還含有Schizochytrium limacinum（美國(guó)有很多Schizochytrium limacinum相關(guān)的研究報(bào)告）。眾所周知，Aurantiochytrium食用海水中的有機(jī)碳，在體內(nèi)蓄積不飽和脂肪酸——Docosahexaenoic acid（簡(jiǎn)稱為DHA）油脂。

在使用DNA進(jìn)行解析之前，人們將Aurantiochytrium歸類為蘑菇和真菌類，從廣義上來(lái)說(shuō)Aurantiochytrium也屬于藻類。從屬營(yíng)養(yǎng)型的生物其生長(zhǎng)速度比通過(guò)光合成生產(chǎn)碳水化物的獨(dú)立營(yíng)養(yǎng)型生物要快。

（2）以Aurantiochytrium為原料生產(chǎn)生物燃料時(shí)存在的問題 以Aurantiochytrium為原料生產(chǎn)油脂，需要數(shù)倍于油脂產(chǎn)量的飼料。但是，如同Solazyme公司的工藝，作為營(yíng)養(yǎng)物可使用由很多生物質(zhì)得到的糖類及通過(guò)光合成得到的糖類。

2.2 Pseudochoricystis ellipsoidea

Pseudochoricystis ellipsoidea為5μm大小的綠色單細(xì)胞植物，是可生產(chǎn)柴油的微細(xì)藻，是日本海洋生物技術(shù)研究的藏野憲秀氏等人于2005年在溫泉發(fā)現(xiàn)的。

Pseudochoricystis ellipsoidea的特征是：通過(guò)光合成吸收CO2繁殖，但是如果N不足則在細(xì)胞內(nèi)蓄積成分與柴油相當(dāng)?shù)臒N油；此外，所蓄積的烴油的30%可轉(zhuǎn)化為柴油餾分，以殘?jiān)鼮樵线€可生產(chǎn)生物乙醇。因此，作為有助于應(yīng)對(duì)地球溫暖化的藻類，Pseudochoricystis ellipsoidea倍受關(guān)注。

Pseudochoricystis ellipsoidea為單細(xì)胞，因此，其生產(chǎn)效率高于Botryococcus。目前，以DensoJapan為中心，與慶應(yīng)義塾大學(xué)先進(jìn)生命科學(xué)研究所一起進(jìn)行研究開發(fā)[15]。應(yīng)慶大學(xué)正在研究藻類轉(zhuǎn)化為油的機(jī)理，以便找到高效地生產(chǎn)油的培養(yǎng)條件。近來(lái)，中央大學(xué)、京都大學(xué)也致力于藻類生物燃料的研究。

2.3 Botryococcus braunii

Botryococcus braunii是生活在淡水中的藻類，形成綠色到紅色的30～500μm大小的菌格（colony）。通過(guò)光合成生產(chǎn)碳?xì)浠衔?，在?xì)胞內(nèi)及colony內(nèi)部蓄積干燥質(zhì)量的20%至75%的烴。

據(jù)筑波大學(xué)的報(bào)告，Botryococcus braunii的生產(chǎn)性為植物中生產(chǎn)性高的棕櫚油的3倍以上。

3 藻類生物燃料的展望

由藻類生產(chǎn)生物燃料的研究開發(fā)，正在以美國(guó)為中心如火如荼地進(jìn)行著，包括從石油巨頭到風(fēng)險(xiǎn)投資公司在內(nèi)的很多企業(yè)都在進(jìn)行藻類生物燃料的研究。大部分項(xiàng)目都采用可進(jìn)行光合成的藻類，但是還有一部分企業(yè)采用生產(chǎn)性高的從屬營(yíng)養(yǎng)型藻類。

自然界中存在的藻類其種類非常多，在其中選出生物燃料的生產(chǎn)效率高、所生成的油脂的性狀接近于石油燃料的藻則需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

由藻類中提取油的操作，因所采用的工藝的不同其成本也大不相同。

使用可進(jìn)行光合成的藻類的項(xiàng)目，需要較大面積的土地，對(duì)美國(guó)而言這是可行的。從成本方面考慮，一般認(rèn)為可將價(jià)格降至能與石油抗衡的程度。

對(duì)提供廣闊的土地存在困難的日本而言，生長(zhǎng)速度快、單位面積的產(chǎn)量高的從屬營(yíng)養(yǎng)型藻類可操作性大。從屬營(yíng)養(yǎng)型藻類可在一般的發(fā)酵罐中培養(yǎng)。對(duì)Aurantiochytrium而言，如果培養(yǎng)溫度為15℃則需要培養(yǎng)6h，如果溫度為20℃則需要4h。對(duì)煉油公司而言，使用Aurantiochytrium存在如下優(yōu)點(diǎn)：煉油廠內(nèi)存在大量的被排放的溫度較高的水，溫度容易控制；可用過(guò)去的技術(shù)對(duì)所生成的生物燃料進(jìn)行改質(zhì)及精制；可用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品的存儲(chǔ)和運(yùn)輸；如果組合使用光合成藻類與從屬營(yíng)養(yǎng)型藻類，可將源于制氫裝置的CO2為原料。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)石油產(chǎn)品的需求在穩(wěn)步增長(zhǎng)，而中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的石油不能滿足需求，因此，需要從中東進(jìn)口大量石油，2010年的石油進(jìn)口量比2009年增加了6%，原油對(duì)外依存度為52%[16]，在未來(lái)10年我國(guó)原油對(duì)外儲(chǔ)存度將達(dá)到60%～70%[17]。因此，為了開發(fā)石油替代能源從而確保未來(lái)能源安全，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)地球變暖問題，中國(guó)應(yīng)大力開發(fā)藻類生物燃料的研究開發(fā)工作。

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