加快推進(jìn)微藻能源（固碳）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程——訪華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實驗室李元廣教授

加快推進(jìn)微藻能源（固碳）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程——訪華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實驗室李元廣教授

李元廣，“973”計劃能源領(lǐng)域微藻能源項目首席科學(xué)家。1994年博士畢業(yè)于清華大學(xué)化工系?，F(xiàn)為華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國家重點(diǎn)實驗室教授，二級教授，博導(dǎo)，海洋生化工程研究室主任。

長期從事微藻生物技術(shù)和微生物農(nóng)藥等方面的研發(fā)工作，在國內(nèi)外獨(dú)創(chuàng)了一項微藻培養(yǎng)領(lǐng)域嶄新的平臺技術(shù)——“異養(yǎng)-稀釋-光誘導(dǎo)串聯(lián)培養(yǎng)”，解決了制約微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的低密度低品質(zhì)培養(yǎng)這一瓶頸問題（2013年實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化）；創(chuàng)制了國內(nèi)外第一個以類芽孢桿菌屬菌株為生防菌的多黏類芽孢桿菌系列微生物農(nóng)藥（2004年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）及國內(nèi)外第一個海洋微生物農(nóng)藥——海洋芽孢桿菌系列微生物農(nóng)藥（特別適合于鹽漬化土壤，2015年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：目前，國內(nèi)外在競相研發(fā)微藻生物技術(shù)，請您簡單介紹一下微藻具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢？

李元廣：微藻是一類介于微生物與高等植物細(xì)胞之間的單細(xì)胞生物，通過光合作用，可以有效利用太陽能，將H2O、CO2和無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)物。微藻的光合作用十分高效，固碳效率是植物的10倍以上，具有能源儲備與碳減排的雙重獨(dú)特優(yōu)勢。此外，微藻生長過程需要大量的N/P等營養(yǎng)元素，這正是解決我國水體富營養(yǎng)化等問題的有效途徑。在大健康產(chǎn)業(yè)方面，微藻可以說全身是寶。微藻富含色素、蛋白質(zhì)、多糖、多不飽和脂肪酸等多種生物活性物質(zhì)，可被開發(fā)為各種功能食品與保健品，市場需求量大。因此，微藻是集“碳減排、新能源、水處理、大健康”于一體的獨(dú)特生物資源。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：微藻能源（固碳）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸體現(xiàn)在哪些方面？

李元廣：微藻有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢，但是我們必須客觀地看待其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在當(dāng)前的大形勢下，不論是對于微藻固碳，還是對于生物能源而言，其產(chǎn)業(yè)化的潛在競爭優(yōu)勢尚未完全體現(xiàn)出來。

首先，從能源角度來說，與石化資源相比，微藻生物質(zhì)的積累所耗時間要短得多。植物憑借光合作用將CO2固定，經(jīng)過億萬年的積累形成石化資源；油料作物的生長一般需要數(shù)月；而微藻從藻種擴(kuò)培到油脂的制備只需1～2周。

其次，與石化能源相比，微藻能源原料的來源、成分與工藝相對復(fù)雜且原料不具有即得性。能源微藻的細(xì)胞必須自行利用陽光、碳源、氮源、磷源等生長，而且，微藻的水含量很高，需要從大體積的水相中采收，這些特點(diǎn)與能源作物等其他能源原料完全不同。再者，利用高效的光合作用所獲得的微藻，其生物質(zhì)的化學(xué)組分非常復(fù)雜（油脂只占不到一半，其余為蛋白、多糖等生物活性物質(zhì)），這也是其備受人們青睞的另一重要原因，也為微藻作為能源原料的煉制提出挑戰(zhàn)，這樣從工藝角度來說，微藻生物質(zhì)加工的過程工藝就會很復(fù)雜且很多技術(shù)尚不成熟。因此，微藻的培養(yǎng)、分離提取加工，與以往技術(shù)工業(yè)化的研究是不同的。

再者，從行業(yè)的沉淀角度來說，石油煉制可謂是整個現(xiàn)代工業(yè)體系的基礎(chǔ)與支柱，歷史積累悠久，石油資源已被開采與煉制多年，主要成本在于開采，而微藻能源產(chǎn)業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，整體的開發(fā)成本相對較高，與生物柴油、纖維素乙醇等新能源一樣，其開發(fā)尚達(dá)不到經(jīng)濟(jì)可行的產(chǎn)業(yè)化水平。

此外，微藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還會受到國際油價、全球經(jīng)濟(jì)形勢及國際政治因素的影響?？梢哉f，微藻相較于其他能源作物與能源原料的獨(dú)特優(yōu)勢，也決定了其開發(fā)的難度。但是，微藻的研究是具有十分重大的戰(zhàn)略意義的。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：正如您所說，微藻能源（固碳）產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程面臨諸多挑戰(zhàn)和發(fā)展瓶頸，如何理性地從宏觀角度看待微藻能源（固碳）這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？

李元廣：剛才我談到了諸多復(fù)雜的因素會影響微藻能源的開發(fā)利用，但對于我們國家而言，這項研究一定要做，并且要作為“大產(chǎn)業(yè)”來做，原因就 在于開發(fā)微藻能源和碳減排的戰(zhàn)略意義。

我們必須以能源的價值與固碳的成本角度，以參與物質(zhì)大循環(huán)的工程化角度考慮這個問題。比如，從碳減排角度來說，把廢棄的秸稈燃燒時不僅會造成嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象，而且燃燒后放出的大量CO2也需要固定，這會造成我國很大的環(huán)保支出。隨著碳減排的迫切需要，我相信微藻固碳技術(shù)必將得到各界的紛紛關(guān)注。

提及微藻，人們更多會聯(lián)想到營養(yǎng)品和化妝品。微藻可以被直接食用，比如小球藻和螺旋藻可以直接作為營養(yǎng)品，現(xiàn)在其養(yǎng)殖成本也很低；雨生紅球藻可以產(chǎn)蝦青素——抗氧化之王；葡萄藻細(xì)胞中的烴含量較高，可以被用作化妝品生產(chǎn)的原料。但是相對于微藻能源，這只是一方面。其實，開發(fā)微藻能源涉及大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展、能源安全保障、碳減排、水處理等多方面的意義。

人類不能為石油資源再等待億萬年?；仡櫳锘W(xué)科發(fā)展的歷史，它起始于第二次世界大戰(zhàn)時期，以抗生素的大規(guī)模生產(chǎn)為標(biāo)志。1928年，弗萊明意外發(fā)現(xiàn)青霉素，在普及之前，青霉素價格是十分昂貴的。但是，通過科學(xué)家不懈地努力，推動了技術(shù)的進(jìn)步，隨著研究不斷地深入與積累，青霉素的價格也逐步下降，最終使全人類從中受惠。這說明科學(xué)研究是需要過程與時間的，特別是新生事物，更應(yīng)該耐心對待，不能急于求成。

我們需要科學(xué)地認(rèn)識到微藻能源和固碳技術(shù)在未來的一段時期內(nèi)很難做到產(chǎn)業(yè)化，不能操之過急，但在國家層面上必須發(fā)展，要先做工業(yè)化示范，這很有價值。此外，微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展涉及多學(xué)科交叉，其發(fā)展會同時帶動多學(xué)科的進(jìn)步，還會培養(yǎng)出一大批相關(guān)的科研人才。

微藻能源和固碳技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)是一個典型的生物產(chǎn)品工程開發(fā)過程，涉及生物、化學(xué)、材料、化工、能源、資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)等多個學(xué)科領(lǐng)域，不僅可帶動現(xiàn)有微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體升級，而且可極大地促進(jìn)微藻生物技術(shù)學(xué)科的發(fā)展。因此，微藻能源和固碳這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將促進(jìn)微藻生物技術(shù)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。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：我國微藻能源的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在世界上處于什么樣的水平？

李元廣：從技術(shù)層面來說，在微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，我國與國際上其他國家沒有明顯的差距。我國在微藻種質(zhì)資源和大規(guī)模培養(yǎng)等方面有著良好的研究基礎(chǔ)，特別是在微藻養(yǎng)殖方面還很有優(yōu)勢，比如螺旋藻的養(yǎng)殖，目前中國處于領(lǐng)先水平，螺旋藻Spirulina產(chǎn)量居世界第一。

目前，全球尚沒有微藻能源（固碳）規(guī)模化生產(chǎn)的成功案例，大多處于原創(chuàng)技術(shù)開發(fā)、中試階段，僅少數(shù)進(jìn)入示范階段?？v觀國際，現(xiàn)階段“微藻能源、碳減排、廢水資源化利用、高附加值產(chǎn)品開發(fā)”的一體化技術(shù)成為多數(shù)微藻能源公司和研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向。美國最大的微藻能源公司——藍(lán)寶石能源公司（Sapphire Energy）主要從事利用微藻生產(chǎn)高純度輕質(zhì)原油的開發(fā)，取得了很大的成功，但目前公司的運(yùn)轉(zhuǎn)并不是很順利，企業(yè)的運(yùn)營必須要結(jié)合化妝品、保健品等高值化產(chǎn)品的生產(chǎn)。美國Solazyme公司以前只專注于藻類生產(chǎn)油脂，目前也在從事藻類高附加值產(chǎn)品的相關(guān)研發(fā)。

國際上的微藻相關(guān)產(chǎn)業(yè)與研究正在起伏中前進(jìn)。其實，這是技術(shù)工業(yè)化正常的進(jìn)程。通常，很多實驗室都能制備小規(guī)模的微藻能源產(chǎn)品，但是想做到規(guī)?；乃剑杀咀匀粫痈卟幌?。也就是說，現(xiàn)階段微藻能源與微藻固碳的產(chǎn)業(yè)化一定要與高附加值產(chǎn)品的開發(fā)相結(jié)合，這是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必經(jīng)之路。

目前，我國涉足微藻能源領(lǐng)域的大型企業(yè)主要有新奧科技發(fā)展有限公司、中國石油化工集團(tuán)公司、嘉興澤元生物制品有限責(zé)任公司等。新奧科技發(fā)展有限公司在內(nèi)蒙古建立了大型的微藻生物柴油中試基地，并聯(lián)手歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)開發(fā)微藻生物航空煤油。華東理工大學(xué)微藻課題組利用在國內(nèi)外獨(dú)創(chuàng)的“異養(yǎng)-稀釋光誘導(dǎo)”串聯(lián)培養(yǎng)（SHDP）技術(shù)和“異養(yǎng)細(xì)胞-光自養(yǎng)種子”培養(yǎng)（HC-PC）新模式在浙江、云南等地與有關(guān)單位合作，建立了相應(yīng)的微藻能源與微藻固碳中試研究基地，為推進(jìn)我國微藻能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展全力以赴。小球藻異養(yǎng)培養(yǎng)及SHDP培養(yǎng)技術(shù)已在浙江實現(xiàn)了小規(guī)模生產(chǎn)；雨生紅球藻的SHDP培養(yǎng)模式，已在云南實現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)。上述培養(yǎng)新模式，使微藻培養(yǎng)從常規(guī)的設(shè)施農(nóng)業(yè)模式逐步轉(zhuǎn)向工業(yè)化模式，不僅使得微藻培養(yǎng)效率大幅度提高，而且成本明顯降低且質(zhì)量可靠，易于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，是微藻培養(yǎng)領(lǐng)域的嶄新的平臺技術(shù)，適合于可異養(yǎng)生長的微藻培養(yǎng)。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：您領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊在開發(fā)集“高附加值微藻產(chǎn)品、微藻能源與微藻固碳”一體化的技術(shù)上，目前取得了哪些重要進(jìn)展？

李元廣：要想做能源聯(lián)產(chǎn)，需要秉持的基本思路是，先進(jìn)行產(chǎn)品分類，然后將高附加值的、低附加值的聯(lián)合生產(chǎn)。具體到微藻能源來看，主要有兩條路線：一是將微藻中的油脂、非油脂等各種成分提取出來，即進(jìn)行生物煉制。這是十分理想的路線，但是限于目前分離技術(shù)的水平，分離手段對蛋白質(zhì)的破壞或溶劑的殘留等問題一直制約著該路線的發(fā)展；二是培養(yǎng)工藝的一體化，即耦合工藝。這是我們團(tuán)隊正在做的事情。由于工科專業(yè)的背景，我認(rèn)為應(yīng)該盡可能地在追求“高產(chǎn)”的同時，進(jìn)行“多級聯(lián)產(chǎn)”，以緩解“成本”壓力。

我們課題組首先開發(fā)了有別于常規(guī)的光自養(yǎng)培養(yǎng)方法——SHDP。這種方法在培養(yǎng)初期，對微藻的品質(zhì)要求并不高，先讓其生長，后期通過稀釋、光誘導(dǎo)來串聯(lián)培養(yǎng)微藻。課題組認(rèn)為SHDP和HC-PC是很好的平臺技術(shù)，可以推廣到一系列可以進(jìn)行異養(yǎng)生長微藻的培養(yǎng)，我們課題組早在2003年就在小球藻中發(fā)現(xiàn)了這一有趣的現(xiàn)象并申請了相關(guān)專利，并于2012年發(fā)表了第一篇相關(guān)文章。

以此為基礎(chǔ)，我們開發(fā)的一個應(yīng)用技術(shù)是以小球藻為代表的“微藻能源、微藻固碳、高附加值微藻產(chǎn)品”一體化技術(shù)，建立了生物柴油高效制備與非油脂成分綜合利用的路線。另一個技術(shù)是培養(yǎng)雨生紅球藻高產(chǎn)蝦青素的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：微藻的培養(yǎng)方式因地域與氣候差異而存在差異，目前，微藻在我國鹽堿地、灘涂與荒漠的土地資源應(yīng)用研究現(xiàn)狀如何？

李元廣：微藻的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，在各種水質(zhì)都能生長。比如，它可以克服淡水資源的限制，利用富含N/P廢水資源和海水。但是，在此我想強(qiáng)調(diào)的是，微藻的應(yīng)用一定要結(jié)合不同地域氣候的特點(diǎn)，匹配不同的微藻品種。第一，要給予適宜的溫度，不同季節(jié)下培養(yǎng)微藻，要使用不同的品種；第二，要保證藻類生長所需的陽光，雨水太多不利于藻類的生長；第三，要供給充足的碳源和水資源。事實上，這并不容易。

我國擁有廣闊的鹽堿地、灘涂和荒漠，正滿足上述的要求，可以規(guī)?；丶右岳?，充分發(fā)揮地域優(yōu)勢。比如，云南的氣候條件很好，土地資源充足，利于微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。要擅于利用自身不同地域獨(dú)特的地理優(yōu)勢，將資源的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》：微藻能源未來的發(fā)展方向是什么？您對我國微藻能源和固碳的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有哪些建議？

李元廣：“十二五”期間，我國政府對微藻能源和微藻固碳及廢物資源化利用等方面給予了高度重視?？茖W(xué)技術(shù)部在“973”計劃、“863”計劃和科技支撐計劃中從不同角度對微藻能源和微藻固碳及富含N/P廢水資源化利用予以大力支持，資助總額超過1.6億元，這足已看出我國對微藻能源和固碳技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展的重視程度。微藻生物技術(shù)的發(fā)展必將與大健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展、糧食安全保障、能源安全保障、生態(tài)環(huán)境保護(hù)結(jié)合。簡而言之，未來，微藻能源的研究還是要緊密圍繞降低產(chǎn)業(yè)化成本這一大目標(biāo)，有針對性地開展基礎(chǔ)理論、應(yīng)用基礎(chǔ)及集成示范研發(fā)。

2014年以來，習(xí)近平總書記和美國總統(tǒng)奧巴馬的兩次會談后，在簽署的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》均提到：中國正在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，推動綠色低碳、氣候適應(yīng)型和可持續(xù)發(fā)展，加快制度創(chuàng)新，強(qiáng)化政策行動；中國到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降60%～65%，且盡早達(dá)到峰值。2015年12月巴黎世界氣候大會的重要成果《氣候變化框架公約》中明確指出：每年將最低籌資1000億美元用于CO2減排。這些目標(biāo)無疑將推動微藻固碳技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。

我國要通過多學(xué)科的交叉與集成創(chuàng)新，通過加快推進(jìn)平臺的構(gòu)建，通過有實力的企業(yè)之間的合作，加速微藻商業(yè)化進(jìn)程。微藻能源和固碳產(chǎn)業(yè)屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展的難度大，必須靠執(zhí)著的科研人員、有魄力的公司扛起這份責(zé)任。我也想借此機(jī)會，希望媒體呼吁國家繼續(xù)大力支持整個微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，支持微藻相關(guān)學(xué)科更深入地交流，加快微藻能源和固碳技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段的進(jìn)程。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.007