藻類生物燃料的研究進(jìn)展

陸小青

（上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)辦公室，上海200032）

1 能源危機(jī)

隨著全球人口的急劇增長(zhǎng)和能耗的成倍增加，煤炭、石油、天然氣這些不可再生資源日趨緊缺，能源危機(jī)日益緊迫，已嚴(yán)重威脅到世界的和平與發(fā)展，成為世界各國(guó)共同關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，2020年全球一次能源需求總量將比2008年增加40%。油價(jià)上漲帶動(dòng)煤炭、天然氣等能源價(jià)格上揚(yáng)。預(yù)計(jì)未來(lái)能源供需形式偏緊，價(jià)格波動(dòng)的局面仍將持續(xù)[2]。

近10 a來(lái)，世界能源消耗總量呈現(xiàn)不斷攀升的趨勢(shì)，而以國(guó)際原油價(jià)格為代表的能源價(jià)格，也隨著能源消費(fèi)的增長(zhǎng)而不斷提升。圖1、圖2分別是原油價(jià)格和原油消耗量的走勢(shì)圖。

圖1 美國(guó)墨西哥灣地區(qū)1990-2007年原油價(jià)格走勢(shì)圖

圖2 原油消耗總量走勢(shì)圖

此外，圖3中顯示的是世界能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)圖。2007年世界能源消耗放緩，但是2.4%的增長(zhǎng)率卻高于近10a的平均值。煤炭依然是增長(zhǎng)最迅速的能源，而原油的消耗量卻在放緩。

圖3 世界能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)圖

圖4顯示的是世界能源結(jié)構(gòu)圖。由圖3可以看到：目前能源結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主，世界化石燃料占總能源供應(yīng)的78%，其中油占1/3，煤占約1/4，而且是世界范圍內(nèi)電力的主要資源。核能所占比例較小，水電能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⑻?yáng)能和風(fēng)能等無(wú)污染的新能源占的份額更少，不足4%。

圖4 世界能源結(jié)構(gòu)圖

能源的開(kāi)發(fā)利用與生產(chǎn)力發(fā)展水平相適應(yīng)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化也是生產(chǎn)力發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)基本是吻合的。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類在能源消費(fèi)上經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前正蘊(yùn)釀走向第四階段。在整個(gè)前資本主義時(shí)期，生產(chǎn)力不發(fā)達(dá)，人力和畜力是主要生產(chǎn)動(dòng)力，木柴等在能源消費(fèi)中居首位，被稱為能源的“木柴時(shí)代”。以蒸汽機(jī)為標(biāo)志的18世紀(jì)的資產(chǎn)階級(jí)產(chǎn)業(yè)革命促進(jìn)了煤炭的大規(guī)模使用，大約經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，到19世紀(jì)70年代，煤炭在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占24%，之后電力開(kāi)始進(jìn)入社會(huì)經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)煤炭的需求量猛增，到20世紀(jì)初達(dá)95%，取代木柴成為主要能源，進(jìn)入了能源的“煤炭時(shí)代”，完成了世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的第一次重大變革。一直持續(xù)到20世紀(jì)50年代未、60年代初，煤炭還占消費(fèi)總量的1/2以上。20世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)問(wèn)世，汽車、飛機(jī)制造業(yè)興起，各工業(yè)部門和運(yùn)輸業(yè)相繼采用石油為燃料的動(dòng)力裝置，一些新型軍事裝置也廣泛應(yīng)用石油為動(dòng)力，致使石油消費(fèi)量顯著增加。第二次世界大戰(zhàn)后，60年代初石油（氣）產(chǎn)量與消費(fèi)量超過(guò)煤炭，世界能源邁入了“石油時(shí)代”（中期石油多于煤炭）。結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)換的主要原因：一是石油產(chǎn)量的增加。第二次世界大戰(zhàn)后，新的特大油田的不斷發(fā)現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，勘探能力的提高，使大陸架和海底石油的開(kāi)發(fā)成為可能。新油田多分布在以西亞地區(qū)為代表的亞非拉發(fā)展中國(guó)家。獨(dú)立后適應(yīng)民族經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大力開(kāi)采石油，增加出口換取外匯收入。因此，石油產(chǎn)量迅速增加。二是石油自身?xiàng)l件優(yōu)越，可燃性強(qiáng)，單位熱量高（比煤炭約高一倍），利用價(jià)值大；石油開(kāi)采條件好，費(fèi)用低，按熱量計(jì)算，石油成本只等于煤炭的1/3；又便于運(yùn)輸，陸上管道與海上油輪，既方便又便宜。這些都為滿足世界石油消費(fèi)量巨量增長(zhǎng)提供了有利條件，并為石油取代煤炭提供現(xiàn)實(shí)的可能性。三是國(guó)際石油壟斷組織為了從亞非拉地區(qū)掠奪大量廉價(jià)石油，控制了石油貿(mào)易，壓低國(guó)際石油價(jià)格，使石油價(jià)格比煤炭便宜一半，從而加速了石油取代煤炭的進(jìn)程。當(dāng)然煤炭開(kāi)采條件日益惡化也是一個(gè)因素。60年代以來(lái)，結(jié)構(gòu)變化總的特點(diǎn)是：煤炭基本呈下降趨勢(shì)，油（氣）在70年代中期高達(dá)65%。近些年煤炭略有回升，石油微降，天然氣、水電、核電一直持續(xù)緩增。其主要原因：20世紀(jì)70年代中后期的兩次石油危機(jī)，兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等影響國(guó)際市場(chǎng)石油供應(yīng)銳減，許多國(guó)家為擺脫石油危機(jī)，加速發(fā)展新能源，重新啟用煤炭，以及節(jié)能措施等。今后能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將從傳統(tǒng)的礦物燃料（煤、油、氣等）轉(zhuǎn)化可再生能源（太陽(yáng)能、核聚變能、生物質(zhì)能等）為基礎(chǔ)的持久能源系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)換的過(guò)渡時(shí)期，仍以油氣為主，煤炭、核能、新能源的比重可望有所提高，將是能源的“多極化時(shí)代”。

2 溫室氣體減排

CO2、CH4、N2O等溫室氣體的無(wú)序排放與全球氣候變化有著密切的關(guān)系。根據(jù)氣候變化國(guó)際控制委員會(huì)(IPCC)的估計(jì),全球氣候變暖可能引起冰川融化、全球平均海平面上升，干旱蔓延、作物生產(chǎn)率下降、動(dòng)植物行為發(fā)生變異等自然災(zāi)害，“溫室效應(yīng)”與地球變暖已成為21世紀(jì)全人類所面臨的最為顯著的環(huán)境問(wèn)題之一。溫室氣體大量排放導(dǎo)致全球性的氣候變化已經(jīng)引起了社會(huì)各界的普遍關(guān)注，人類已經(jīng)意識(shí)到全球氣候變化可能帶來(lái)的一些嚴(yán)重后果，必須采取一些強(qiáng)有力的措施應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)重威脅地球生態(tài)環(huán)境和人類生存的環(huán)境問(wèn)題。1997年，第三次聯(lián)合國(guó)氣候轉(zhuǎn)變框架公約(UNFCC)締約方會(huì)議上簽署的《京都議定書(shū)》對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型國(guó)家溫室氣體排放量的削減做出了明確規(guī)定，同時(shí)要求包括我國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家制定自愿削減溫室氣體排放的目標(biāo)。

《京都議定書(shū)》給出了人類排放的溫室氣體主要有6種，即二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）和六氟化硫（SF6），其中對(duì)氣候變化影響最大的是CO2，它產(chǎn)生的增溫效應(yīng)占所有溫室氣體總增溫效應(yīng)的63%，在大氣中存留期最長(zhǎng)可達(dá)200a。而甲烷為15%，氧化亞氮為4%、氫氟碳化物和全氟化碳共同的效應(yīng)為11%，六氟化硫?yàn)?%（見(jiàn)圖5）。

在所有溫室氣體中，CO2排放影響空間大、作用時(shí)間長(zhǎng),在大氣中含量高、壽命長(zhǎng)，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，而且主要是由人為因素產(chǎn)生，因此CO2應(yīng)當(dāng)作為溫室氣體削減與控制的重點(diǎn)，CO2減排是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

圖5 六種溫室氣體比例圖

2007年大氣中CO2的濃度有379ppmv,所有溫室氣體總體的濃度水平在433～477ppmvCO2當(dāng)量，全球溫室氣體的年排放量一直在增長(zhǎng)。相比1970年，目前的年排放總量增長(zhǎng)了70%，與1990年的水平相比增長(zhǎng)24%。其中CO2的年排放總量比1970年增長(zhǎng)80%，相比1990年水平增長(zhǎng)28%。IEA的一項(xiàng)最新研究認(rèn)為，全球溫室氣體排放總量還將持續(xù)增長(zhǎng)到2030年[3]。目前我國(guó)二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的排放量也居世界前列。據(jù)預(yù)測(cè),到2025年前后,我國(guó)二氧化碳排放總量很可能超過(guò)美國(guó),居世界第一位[4]。

由于二氧化碳是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因，為了使地球免受氣候變暖的威脅，國(guó)際社會(huì)正在積極地采取有效措施，來(lái)減少二氧化碳的排放量。1997年147個(gè)國(guó)家和地區(qū)代表在日本簽訂的 《京都議定書(shū)》規(guī)定，到2010年，所有發(fā)達(dá)國(guó)家排放的二氧化碳等6種溫室氣體的數(shù)量，要比1990年減少5.2%，發(fā)展中國(guó)家沒(méi)有減排義務(wù)。對(duì)各發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，2008～2012年必須完成的削減目標(biāo)是：與1990年相比，歐盟削減8%，美國(guó)削減7%，日本削減6%，加拿大削減6%，東歐各國(guó)削減5%～8%。新西蘭、俄羅斯和烏克蘭則不必削減，可以將排放量穩(wěn)定在1990年的水平上。議定書(shū)同時(shí)允許愛(ài)爾蘭、澳大利亞和挪威的排放量分別比1990年增加10%、8%、1%?；谶@個(gè)原因，《京都議定書(shū)》納入了3個(gè)合作減排機(jī)制———國(guó)際排放貿(mào)易(IET)、聯(lián)合履行機(jī)制(J I)和清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)[4]。

2007年12月3日至15日舉行的巴厘島會(huì)議制定的“巴厘島路線圖”規(guī)定，2009年前就應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題新的安排舉行談判，達(dá)成一份新協(xié)議。新協(xié)議將在《京都議定書(shū)》第一期承諾2012年到期后生效。巴厘島會(huì)議雖未提出具體的減排目標(biāo)，但是與會(huì)者們還是達(dá)成了一些共識(shí)，作為指導(dǎo)未來(lái)談判的原則。這些原則包括：首先，解決全球氣候變暖的方案要求所有國(guó)家參與。第二，不能有免費(fèi)乘客。貿(mào)易制裁是國(guó)際社會(huì)目前具有的唯一有效的制裁手段。所以，可以而且應(yīng)該對(duì)那些不合作的國(guó)家施加貿(mào)易制裁。第三，全球氣候變暖的問(wèn)題是巨大并且復(fù)雜，因此需要整個(gè)國(guó)際社會(huì)必須全力以赴。中國(guó)為繪制該路線圖做出了自己的貢獻(xiàn)，把環(huán)境保護(hù)作為一項(xiàng)基本國(guó)策，將科學(xué)發(fā)展觀作為執(zhí)政理念，根據(jù)《公約》的規(guī)定，結(jié)合中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，制定并公布了《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》，成立了國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化領(lǐng)導(dǎo)小組，并頒布了一系列法律法規(guī)，減少溫室氣體的排放。

二氧化碳主要來(lái)自于火力發(fā)電、制造業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)。以化石燃料為主要能源的電力生產(chǎn)中，排放的CO2量約占世界人類排放的所有CO2量的30%。同時(shí)，它也是最大的單點(diǎn)CO2排放源。調(diào)查認(rèn)為，全球發(fā)電排放CO2近100億t，美國(guó)在全世界超過(guò)5萬(wàn)座發(fā)電廠中有超過(guò)8000座發(fā)電廠，占世界約25%。每年排放CO228億t。而中國(guó)電廠排放為27億t。環(huán)球能源全球開(kāi)發(fā)中心2007年11月下旬發(fā)布的研究報(bào)告，中國(guó)電廠CO2排放預(yù)計(jì)將于2017年超過(guò)美國(guó)公用設(shè)施主要溫室氣體的排放。發(fā)電廠CO2的過(guò)量排放使得溫室效應(yīng)和各種環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,在合理限制CO2氣體排放的同時(shí)，更應(yīng)選擇一種合理而低成本的方式來(lái)緩解溫室效應(yīng)，這是一項(xiàng)極有意義的工作。

3 未來(lái)燃料的生物來(lái)源——藻類

微藻是指一些微觀的單細(xì)胞群體,是最低等的、自養(yǎng)的釋氧植物。它是低等植物中種類繁多、分布極其廣泛的一個(gè)類群。無(wú)論在海洋、淡水湖泊等水域,或在潮濕的土壤、樹(shù)干等處,幾乎在有光和潮濕的任何地方,微藻都能生存[5]。

海藻含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、纖維、無(wú)機(jī)元素和脂肪酸等，不少種類可食用，如紫菜、海帶、裙帶菜、發(fā)菜等；螺旋藻食品，非洲一些國(guó)家早已用作食物，中國(guó)、美國(guó)和墨西哥等國(guó)已制成商品出售，現(xiàn)已風(fēng)靡世界。各種海藻油、海藻膠化妝品，也頻頻報(bào)道。海帶、石花菜、紫菜，更是餐桌上的美味佳肴。藻類也可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)衛(wèi)生上，如：海藻可作為微生物培養(yǎng)基的一種必不可少的成分，硅藻在法醫(yī)上有一定的作用。最近，美國(guó)科學(xué)家正研究海洋浮游生物，試圖從中提煉治癌物質(zhì)，以開(kāi)發(fā)治癌藥物的原料來(lái)源。藻類也是全世界的醫(yī)學(xué)科學(xué)家正在關(guān)注的生物制藥資源之一。有些藻類是提制瓊膠、卡拉膠和褐藻膠等藻膠的工業(yè)原料，20世紀(jì)50年代末中國(guó)進(jìn)行了從海帶提取褐藻膠、甘露醇和碘的綜合利用研究，開(kāi)發(fā)了海藻了工業(yè)的價(jià)值。中國(guó)的藻膠工業(yè)已年產(chǎn)達(dá)幾萬(wàn)噸，產(chǎn)值達(dá)幾億元，僅次于美國(guó)。硅藻死亡后，外殼沉積而成硅藻土，在各種工業(yè)如造漆、造紙、制糖等中供過(guò)濾之用。石油是來(lái)自遠(yuǎn)古硅藻產(chǎn)生的油類，藻類還與水處理和環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)某些藻類在環(huán)境保護(hù)中，作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指示生物，可以標(biāo)志水體的污染程度。用生物方法來(lái)治理水質(zhì)污染在21世紀(jì)具有廣闊的前景[6]。

藻類具有獨(dú)特的化學(xué)組成和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是制取生物燃料的優(yōu)良生物來(lái)源。微藻細(xì)胞的主要化學(xué)成分是脂類、纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等[7]。根據(jù)微藻細(xì)胞這種特有的化學(xué)成分，一方面，利用高溫高壓液化技術(shù)或超臨界CO2萃取技術(shù)[8]可以獲得細(xì)胞中的油脂，再通過(guò)酯交換技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峒柞ィ瓷锊裼?；另一方?可以利用微藻直接熱解制備生物燃料，即在絕氧的條件下將微藻加熱到500℃左右，使其分解轉(zhuǎn)化為其它液體、固體及氣體，用以生產(chǎn)高芳烴、高熱值、高穩(wěn)定性、高辛烷值的生物質(zhì)油以及焦炭、合成氣、氫氣等多種燃料物質(zhì)。生物質(zhì)油及副產(chǎn)燃料有著能量密度高、易儲(chǔ)運(yùn)、含硫低等優(yōu)點(diǎn)，與生物柴油一樣,可直接作為民用燃料和內(nèi)燃機(jī)燃料[9]。

藻類慢速熱解的主要產(chǎn)物是焦炭，副產(chǎn)生物質(zhì)油；快速熱解的產(chǎn)物主要是生物質(zhì)油和可燃?xì)怏w，且具有高的轉(zhuǎn)化率，一般可將80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的微藻等生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)油。微藻的催化熱解可得到高芳烴含量、高辛烷值的生物質(zhì)油[10]。吳慶余等[7]的研究表明，微藻熱解油的C、H含量高于木質(zhì)素?zé)峤庥停襉含量低，因此，微藻熱解油的熱值高，且較穩(wěn)定。同時(shí)微藻熱解油具有很好的流動(dòng)性，可直接作為民用燃料和內(nèi)燃機(jī)燃料，或經(jīng)深加工作為汽油和柴油[9]。

4 藻類生物燃料在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

早在1978年美國(guó)卡特政府看到了藻類高含油的特性，啟動(dòng)了總價(jià)值2 500萬(wàn)美元的Aquatic Species項(xiàng)目，由聯(lián)邦可再生能源實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作，他們發(fā)現(xiàn)藻類農(nóng)場(chǎng)的淺塘區(qū)生產(chǎn)出的藻類植物可以提供足夠數(shù)量的生物柴油，能夠替代化石燃料從交通運(yùn)輸?shù)郊矣萌∨?/p>

當(dāng)時(shí)科學(xué)家們不僅要收集含油量高的微藻，還要收集不同生存條件下的微藻，例如不同溫度、pH值和鹽堿度。收集的地點(diǎn)主要在美國(guó)西部、西北部、東南部、夏威夷等地，共收集到3 000種以上的海藻標(biāo)本，經(jīng)篩選、分離和表征，最后篩選出300種海藻樣品，主要是綠藻和硅藻。這些樣品仍儲(chǔ)藏在夏威夷大學(xué)，可供繼續(xù)研究。收集這些珍貴樣品的目的不僅僅是為了將其用于提取油脂的研究，也可作為基因源用于基因工程或醫(yī)藥工業(yè)的研究[5]。

隨著能源枯竭和能耗的日益增加，油價(jià)不斷飆升，各國(guó)紛紛開(kāi)始注重對(duì)藻類生物燃料的研究和開(kāi)發(fā)。美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員探明了藻類產(chǎn)油的生理和生化機(jī)理，通過(guò)基因工程產(chǎn)生了“工程微藻”，使藻類的含油量提高到了60%以上，戶外生產(chǎn)也可使其增加到40%以上[5]。

日本的研究人員設(shè)計(jì)了一種密閉透明生化反應(yīng)器，避免了露天池塘生產(chǎn)微藻有可能出現(xiàn)的有機(jī)物以及風(fēng)沙污染，反應(yīng)器的材質(zhì)為可視纖維，因?yàn)槔w維的比表面積大，可以在單位體積內(nèi)獲得更多的海藻產(chǎn)量[1]。

清華大學(xué)繆曉玲等[7]通過(guò)異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞工程技術(shù)獲得了高脂含量的異養(yǎng)小球藻細(xì)胞，其脂含量高達(dá)細(xì)胞干重的55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，是自養(yǎng)藻細(xì)胞的4倍。利用該藻類制得的生物柴油符合ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

中國(guó)科學(xué)院大連化物所生物技術(shù)部也進(jìn)行了產(chǎn)油菌種培育和篩選方面的研究工作；中國(guó)科學(xué)院植物研究所和水生生物研究所利用基因工程也開(kāi)發(fā)出高產(chǎn)的油藻品種；青島海洋大學(xué)通過(guò)十幾年的淡水和海水藻類物質(zhì)的研究，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。

5 藻類在生物能源和溫室氣體控制的應(yīng)用

二氧化碳的減排技術(shù)一般可分為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類。煙氣中高效二氧化碳的分離和固定在對(duì)溫室效應(yīng)的控制、CO2的資源化利用等方面有著重要的意義。傳統(tǒng)的CO2分離技術(shù)主要有變壓吸附、低溫分餾、溶液(化學(xué))吸收、深冷法、膜分離法等。如何通過(guò)陸地、海洋生態(tài)環(huán)境中的植物、自養(yǎng)微生物等的光合作用或化能作用來(lái)實(shí)現(xiàn)分離和固定二氧化碳技術(shù)，是當(dāng)前重要的研究方向之一。固定大氣中二氧化碳的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物。因此研究如何依靠地球上存在的各種各樣的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是在植物不能生長(zhǎng)的特殊環(huán)境中，通過(guò)自養(yǎng)微生物固定二氧化碳是二氧化碳減排技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

光合微生物的固碳作用主要利用太陽(yáng)光作為能量，通過(guò)大規(guī)模培養(yǎng)的藻類微生物固定煙氣中的CO2，它不僅能夠安全長(zhǎng)期地運(yùn)用于解決CO2過(guò)量排放引起的各種環(huán)境問(wèn)題，此外收獲的藻類還可以做工農(nóng)業(yè)原料生產(chǎn)食品、藥物、餌料等。大型工業(yè)廠區(qū)(包括發(fā)電廠、水泥廠、鋼鐵廠等耗能工廠)是排放含高濃度CO2廢氣的主要場(chǎng)所，其廢氣中含有20%～30%高濃度的CO2,一般高等植物不能在這種條件下存活，因此能夠耐受極高CO2的藻類具有較大的應(yīng)用價(jià)值。直接利用藻類光合作用固定高CO2濃度煙氣的技術(shù)對(duì)于有效控制二氧化碳的排放意義重大，在生物固碳領(lǐng)域具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

二氧化碳的減排技術(shù)一般可分為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類。煙氣中高效二氧化碳的分離和固定在對(duì)溫室效應(yīng)的控制、CO2的資源化利用等方面有著重要的意義。傳統(tǒng)的CO2分離技術(shù)主要有變壓吸附、低溫分餾、溶液(化學(xué))吸收、深冷法、膜分離法等。如何通過(guò)陸地、海洋生態(tài)環(huán)境中的植物、自養(yǎng)微生物等的光合作用或化能作用來(lái)實(shí)現(xiàn)分離和固定二氧化碳技術(shù)，是當(dāng)前重要的研究方向之一。固定大氣中二氧化碳的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物，因此研究如何依靠地球上存在的各種各樣的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是在植物不能生長(zhǎng)的特殊環(huán)境中，通過(guò)自養(yǎng)微生物固定二氧化碳是二氧化碳減排技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前，減少溫室氣體(主要是CO2)排放的方法，按其原理主要可以分為物理、化學(xué)和生物學(xué)技術(shù)。物理技術(shù)的原理簡(jiǎn)單，但成本極高，如深海注射、陸地埋葬等技術(shù)耗資巨大；化學(xué)技術(shù)主要通過(guò)酶促氫化及電化學(xué)技術(shù)、碳化作用，將碳源轉(zhuǎn)化為可永久儲(chǔ)存的化學(xué)物質(zhì)，或轉(zhuǎn)化為可重復(fù)利用的化學(xué)能源，起到消耗CO2的作用，但該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成本一般較高，并且在處理過(guò)程中能源的消耗及排放的CO2又會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，也存在較多問(wèn)題。 生物固碳的技術(shù)主要有:：(1)原始森林和再造林的調(diào)節(jié)；(2)高等植物和藻類的光合作用；(3)非光合微生物的固碳作用，主要是通過(guò)光合作用固定CO2。其中利用大規(guī)模培養(yǎng)的微藻固定CO2是一項(xiàng)新興的生物技術(shù)，它能夠安全長(zhǎng)期地運(yùn)用于解決CO2過(guò)量排放引起的各種環(huán)境問(wèn)題，因此極具推廣性[13]。

藻類植物主要是通過(guò)光合作用的途徑吸收大氣中的二氧化碳。光合作用(Photosynthesis)是植物、藻類和某些細(xì)菌利用葉綠素，在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖，并釋放出氧氣的生化過(guò)程。植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者，是因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^(guò)光合作用利用無(wú)機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物并且貯存能量。通過(guò)食用，食物鏈的消費(fèi)者可以吸收到植物所貯存的能量，效率為30%左右。對(duì)于生物界的幾乎所有生物來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是它們賴以生存的關(guān)鍵。而地球上的碳氧循環(huán)，光合作用是必不可少的。對(duì)于海藻來(lái)說(shuō)，由于海洋面積占地球表面積的70%，而海藻在海洋中的分布又極為廣泛，因此海洋中的海藻吸收二氧化碳的能力非常強(qiáng)大，成為了控制地球大氣中二氧化碳含量的一個(gè)重要因素。

目前，許多國(guó)家都在研究采用不同方法采集空氣中的二氧化碳，以制止全球變暖趨勢(shì)。其中一種頗有應(yīng)用前景的方式是大面積培植可大量吸入二氧化碳的藻類，這種藻類在生長(zhǎng)過(guò)程中需要吸入二氧化碳，生長(zhǎng)成熟后可以用作生物燃料的原材料。這種處理二氧化碳的方式的優(yōu)勢(shì)非常明顯：一可避免工業(yè)產(chǎn)生的大量二氧化碳進(jìn)入大氣：二可生產(chǎn)可再生能源，減少對(duì)化石燃料的需求。

在北美，目前有不少公司都在探索開(kāi)發(fā)藻類生物反應(yīng)器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以與煤、天然氣發(fā)電廠或大型工業(yè)設(shè)施相結(jié)合。開(kāi)發(fā)的思路是將這些大型工業(yè)設(shè)施排放的二氧化碳?xì)怏w引導(dǎo)至一個(gè)人工的 “藻類農(nóng)場(chǎng)”，農(nóng)場(chǎng)里的藻類植物靠吸取二氧化碳生存，待其長(zhǎng)大成熟后用作工業(yè)原料。長(zhǎng)大、成熟的藻類含油量豐富，可以用來(lái)生產(chǎn)生物柴油、酒精、動(dòng)物飼料，以及各種塑料。

美國(guó)研究人員正在嘗試建設(shè)一種 “藻類農(nóng)場(chǎng)”，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶剂稀＿@種技術(shù)的核心裝置是一些裝滿水的塑料容器，水中有大量綠色微藻。當(dāng)來(lái)自發(fā)電廠的廢氣輸入容器后，藻類便很快地吸取廢氣中的二氧化碳，并利用陽(yáng)光和水進(jìn)行光合作用生成糖類。這些糖類隨后經(jīng)新陳代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)和脂肪。隨著藻類的繁殖，容器里的油脂越來(lái)越多。利用現(xiàn)有技術(shù)，就可將這些油脂提取出來(lái)，支撐生物柴油和乙醇。據(jù)報(bào)道，這家公司已成功提取了幾加侖藻類油脂。該公司計(jì)劃于2009年在美國(guó)亞利桑那州一座發(fā)電廠附近建設(shè)一家占地面積為1 km2的“藻類農(nóng)場(chǎng)”。該農(nóng)場(chǎng)沒(méi)呢可處理5萬(wàn)t二氧化碳。若有足夠多的藻類，便可以處理一座1 000 MW發(fā)電廠的全部廢氣。這樣，每年將可產(chǎn)生1.5億t生物柴油和1.9億L乙醇。以色列錫姆生物公司的研究人員成功實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。他們從發(fā)電廠排放的廢氣中分離出二氧化碳，冷卻后將其釋放到養(yǎng)殖海藻的池塘里。經(jīng)過(guò)培養(yǎng)，海藻長(zhǎng)勢(shì)迅猛，產(chǎn)量大大提高，這為利用海藻制取生物燃料提高了原料保障。目前，該公司已經(jīng)在美國(guó)申請(qǐng)了專利。

美國(guó)劍橋的GreenFuel技術(shù)公司與亞歷桑那公共服務(wù)公司(APS)合作，利用從燃?xì)怆娬九欧诺腃O2作為可轉(zhuǎn)化成生物柴油的海藻的營(yíng)養(yǎng)。2005年，GreenFuel公司的技術(shù)已在Arizona的APS電廠完成了中試。該技術(shù)使用了高生長(zhǎng)率的海藻，將海藻置于裝有水的大型試管內(nèi)，并曝置于直接的陽(yáng)光照射下。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化了光合作用。據(jù)稱，該驗(yàn)證項(xiàng)目需有足夠的陽(yáng)光和CO2供應(yīng)，實(shí)驗(yàn)取得了成功，該項(xiàng)目將從電廠所在地?cái)U(kuò)大到一系列的綠色房間似的建筑物內(nèi)，面積達(dá)1 394 m2。該公司預(yù)計(jì)，2008年將在Arizona開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，以后的發(fā)展目標(biāo)地是澳大利亞和南非[5]。加拿大政府決定投資研發(fā)自己的微型藻類系統(tǒng)，目標(biāo)是在3 a內(nèi)研究出一種可處理l億t工業(yè)排放二氧化碳的系統(tǒng)，并使之商業(yè)化。

6 目前存在的問(wèn)題

大規(guī)模利用生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻固碳，不僅能以高效的生物固碳方式固定大型工業(yè)生產(chǎn)及其他方式排放的大量CO2；同時(shí)，還可以生產(chǎn)能夠循環(huán)使用的能源，如甲烷、乙醇、煤油、石油及氫類燃料等，來(lái)代替化石類能源，節(jié)約有限的化石能源資源，而經(jīng)濟(jì)微藻的大量生產(chǎn)亦可以應(yīng)用于廢水處理和水產(chǎn)業(yè)，提供高價(jià)值的次生代謝副產(chǎn)品。在過(guò)去的10 a中，針對(duì)微藻生物技術(shù)在溫室氣體的收集方面的研究已經(jīng)越來(lái)越多，尤其是在美國(guó)和日本，全球每年微藻的總生產(chǎn)量大約為幾千噸，應(yīng)用的趨勢(shì)和領(lǐng)域也逐漸多元化了。但目前對(duì)于利用高CO2濃度培養(yǎng)藻類技術(shù)的開(kāi)發(fā)還處于起步階段，還有待更多的來(lái)參與到基礎(chǔ)研究及其相應(yīng)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作,幫助解決緊迫的環(huán)境問(wèn)題[13]。

耐受高CO2藻類技術(shù)的應(yīng)用主要決定于兩個(gè)因素：其一，耐受藻種的選擇；其二，培養(yǎng)條件的優(yōu)化及成本的降低。這也正是目前所面臨的兩個(gè)主要難題：生產(chǎn)出來(lái)的藻價(jià)值低，以及固碳效率低使得成本過(guò)高而影響了此項(xiàng)技術(shù)的推廣。因此，針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)其應(yīng)用提出“零成本”思路希望能對(duì)中國(guó)藻類生物技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供可行參考[13]。

在材料的選擇上，應(yīng)盡量選擇能夠高效積累有經(jīng)濟(jì)附加值副產(chǎn)物的耐高CO2微藻，這樣可以避免以往收獲無(wú)用微藻的尷尬；同時(shí)，它能耐受一般工業(yè)廢氣中常有的SOx和NOx等氣體，這樣不僅可以將廢氣直接通入藻池中供給碳源，簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，降低成本。另外，在培養(yǎng)模式的選擇上，一般前期主要是在密閉式的光生物反應(yīng)器中進(jìn)行，而后期放大培養(yǎng)應(yīng)該盡量選擇成本較低的開(kāi)放式培養(yǎng)池培養(yǎng)，同時(shí)耐受性藻可以降低污染，因而操作簡(jiǎn)單易于推廣[13]。

此外，決定藻類光合效率的條件是適宜的水溫、pH值、營(yíng)養(yǎng)成分和光照條件。一般來(lái)說(shuō)，藻類的光合作用包括在明亮的地方(明部)進(jìn)行的光反應(yīng)和在暗的地方(暗部)進(jìn)行的暗反應(yīng)。培養(yǎng)中通過(guò)這兩種反應(yīng)的交替進(jìn)行，光合作用的效率才會(huì)得以提高。如果藻類一直處于明部，暗反應(yīng)就難以進(jìn)行，光合作用的效率就會(huì)降低。因此，在培養(yǎng)裝置中必須要對(duì)藻類進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?，找到最適合的時(shí)間間隔讓藻類交替通過(guò)明部和暗部，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。

7 藻類生物燃料的發(fā)展前景

人類的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致了大氣中溫室氣體的含量日益升高，打破了溫室氣體產(chǎn)生與消耗之間的平衡。工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體具有多樣性、海量性、持續(xù)性等特點(diǎn)，是全球氣候變暖的主要影響因素。在全國(guó)巨大的溫室氣體排放量中，大部分來(lái)自能耗總量和污染物排放總量都較大的電廠、化工廠和鋼鐵廠。

針對(duì)工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生大量溫室氣體的特點(diǎn)，積極開(kāi)展廢氣中CO2的處置和回收利用技術(shù)是溫室氣體減排的重要途徑。利用藻類吸收CO2是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)可行的新興生物技術(shù)，藻類具有易于培養(yǎng)、富含油脂等特點(diǎn)，能夠通過(guò)光合作用吸收CO2進(jìn)行大量繁殖，不僅是制備生物燃料的優(yōu)良原料，具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景，而且利用藻類固碳也符合當(dāng)前國(guó)際社會(huì)溫室氣體的減排要求，有利于環(huán)境保護(hù)，是一項(xiàng)應(yīng)該大力推廣的技術(shù)。

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