徐旭東研究員：微藻燃料，能源危機的出口？

據英國《衛報》消息，英國日前啟動一項藻類生物燃料公共資助項目，計劃將耗資2600萬英鎊（約2.8億元人民幣）于2020年前實現利用藻類生產運輸燃料。
 
本期關注：微藻生物燃料

    徐旭東  中國科學院水生生物所研究員，從事微藻遺傳育種和生物技術研究，獲國家杰出青年科學基金、第四屆中國青年科技獎，入選中國科學院“百人計劃”。

生物燃料通常指以生物質為原料生產乙醇、生物柴油等液體燃料，或者利用微生物發酵生產氫、甲烷等氣體燃料。用玉米和大豆生產生物燃料一度是炙手可熱的項目，但全球糧價的大幅上漲使人們開始對這種能源“解渴”方式產生質疑。好在生物燃料的生產還有其他路徑，比如，很多科學家目前正在打微藻的主意。
 

更高效、環保的“產油大王”
 
微藻是遍布全球水體的浮游植物，每年由微藻光合作用固定的二氧化碳占全球二氧化碳固定量的40%以上，在能量轉化和碳元素循環中起到舉足輕重的作用。有些微藻把光合作用產物轉化成油貯藏起來，在細胞內形成油滴。從這些微藻提取的油通過轉酯化后可轉變為脂肪酸甲酯，即生物柴油。還有一些微藻能夠合成長鏈烯烴，也具有發展生物燃料的潛力。微藻和高等植物的油屬三酰基甘油酯，都可作為生物柴油的生產原料。
 
與柴油相比，生物柴油除了具有較好的燃料性能、潤滑性能和安全性能，還具有二氧化硫和硫化物排放低、不含芳香族烷烴等環保特性。
 
與一些產油植物相比，利用微藻生產生物柴油的優勢在于以下幾個方面：首先，微藻單位面積的產率高出高等植物數十倍；其次，微藻沒有高等植物的根莖葉等器官分化，在缺氮等條件下，某些單細胞微藻可大量積累油脂，含油量可高達70％；再次，微藻可利用灘涂、鹽堿地、荒漠進行大規模培養，可利用海水、鹽堿水和荒漠地區地下水進行培養，因此微藻可以不與農作物爭地、爭水；最后，微藻的培養可利用工業廢氣中的二氧化碳，緩解溫室氣體的排放，也可以吸收工業廢氣中的氮氧化合物，減少環境污染。
 

高成本是目前障礙
 
利用高等植物和微藻生產生物燃料，其能量都來自于太陽光。地球上單位面積、單位時間內接受到的太陽光能是在限定范圍內的，要生產巨大量的生物燃料，依賴于巨大的植物或微藻生產占地面積，從巨大的面積上把生物量收集起來才能進行工業化加工。生產、收集和運輸生物量所耗費的能量與生物質可產出的能量之間的關系，是決定生物能源產業發展的關鍵問題。微藻在單位面積上的高能量密度產出是相對于高等植物產油的關鍵優勢。但是，以目前的技術水平，微藻培養也存在單位面積生產能耗大、投入成本高的問題，微藻生物柴油要真正成為一種替代能源，降低微藻的生產能耗和成本至關重要。
 
微藻的大量培養主要有開放池和密閉反應器兩類培養方式。開放池培養成本相對較低，但藻類生長所達到的細胞密度較低，某些情況下易于被當地其他微藻侵染，水蒸發量大。密閉培養可達到較高的藻細胞密度，不易被雜藻侵染，水蒸發量小，但反應器造價和運轉成本較高，因而需要發展出集二者優點而回避其缺點的新型培養方式。
 
另外，微藻培養液中細胞只占很小一部分，絕大部分是水，需要發展出低能耗的收集細胞并循環使用培養液的技術。
 
目前，從微藻中提油的方法主要有溶劑萃取、機械壓榨、超臨界二氧化碳萃取等方法，都存在能耗大或溶劑損失代價高的問題，發展低能耗的、經濟的提油技術也是面臨的問題之一。
 
這些問題的解決，一方面需要各環節技術的突破，另一方面也都依賴于優良藻種的篩選和遺傳改造。
 

世界各國都摩拳擦掌
 
世界上以發展生物柴油產業為目的進行較大規模的微藻產油研究始于上世紀70年代末。1978年，美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）啟動了一項利用微藻生產生物柴油的水生生物種計劃，研究人員經過10多年的努力，從美國西部、西北、西南部和夏威夷采集分離到了3000株微藻，并篩選出其中300余株具備潛力的產油藻種。該研究計劃還對其中生長速度快、油含量高的微藻采用開放池系統進行室外培養試驗。
 
從1990年到2000年，日本國際貿易和工業部曾資助了一項名為“地球研究更新技術計劃”的項目。該項目利用微藻來生物固定二氧化碳, 并著力開發密閉光合生物反應器技術，通過微藻吸收火力發電廠煙氣中的二氧化碳來生產生物質能源。該項計劃共有大約20多個私人公司和政府的研究機構參與，10年間共投資約25億美元，篩選出多株耐受高二氧化碳濃度、生長速度快、能形成高細胞密度的藻種，建立起了光合生物反應器的技術平臺以及微藻生物質能源開發的技術方案。
 
進入21世紀，石油價格一度大幅上揚，刺激了微藻生物柴油技術的研究。2007年10月，國際能源公司宣布開發以微藻為原料生產生物燃料的新技術；12月，Shell公司宣布與美國從事生物燃料業務的HR Biopetroleum公司組建Cellena合資公司，投資70億美元開展微藻生物柴油技術的研究。美國第二大石油公司Chevron于2007年底宣布與美國能源部可再生能源實驗室協作研究微藻生物柴油技術。美國PetroSun Drilling公司不斷完善其開放池系統，宣布3年內將達到500萬噸/年的生產規模。荷蘭AlgaeLink公司2007年10月宣布開發成功新型微藻光生物反應器系統，開始向全球銷售其反應器，并提供相關技術支持。其他如Solazyme、Valcent、Vertigro、CEHMM等多家公司都在積極開展相關技術研發。
 
隨著生物柴油開發的興起，我國一些科研機構及企業也開始關注產油微藻的研究和開發。譬如，有人利用異養生長（利用外加的葡萄糖生長）的產油小球藻進行了密閉培養、提油和生物柴油加工研究，在技術上證明是可行的。中國科學院所屬相關單位曾經承擔過多項國家及省部級微藻育種和生產的研究，培養了一支經驗豐富的微藻生物技術研發隊伍。在產油微藻的研究方面，目前已有水生生物所、武漢植物園、過程工程研究所、南海海洋所、青島海洋所等單位開展了選種、育種、大量培養、收集和提油等研究，并積極開展與我國大型石油化工企業的合作，試圖開辟適合我國國情的微藻生物柴油產業化道路。
 
《科學時報》 (2008-11-4 A1 要聞)