徐旭东研究员：微藻燃料，能源危机的出口？

据英国《卫报》消息，英国日前启动一项藻类生物燃料公共资助项目，计划将耗资2600万英镑（约2.8亿元人民币）于2020年前实现利用藻类生产运输燃料。
 
本期关注：微藻生物燃料

    徐旭东  中国科学院水生生物所研究员，从事微藻遗传育种和生物技术研究，获国家杰出青年科学基金、第四届中国青年科技奖，入选中国科学院“百人计划”。

生物燃料通常指以生物质为原料生产乙醇、生物柴油等液体燃料，或者利用微生物发酵生产氢、甲烷等气体燃料。用玉米和大豆生产生物燃料一度是炙手可热的项目，但全球粮价的大幅上涨使人们开始对这种能源“解渴”方式产生质疑。好在生物燃料的生产还有其他路径，比如，很多科学家目前正在打微藻的主意。
 

更高效、环保的“产油大王”
 
微藻是遍布全球水体的浮游植物，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，在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。有些微藻把光合作用产物转化成油贮藏起来，在细胞内形成油滴。从这些微藻提取的油通过转酯化后可转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。还有一些微藻能够合成长链烯烃，也具有发展生物燃料的潜力。微藻和高等植物的油属三酰基甘油酯，都可作为生物柴油的生产原料。
 
与柴油相比，生物柴油除了具有较好的燃料性能、润滑性能和安全性能，还具有二氧化硫和硫化物排放低、不含芳香族烷烃等环保特性。
 
与一些产油植物相比，利用微藻生产生物柴油的优势在于以下几个方面：首先，微藻单位面积的产率高出高等植物数十倍；其次，微藻没有高等植物的根茎叶等器官分化，在缺氮等条件下，某些单细胞微藻可大量积累油脂，含油量可高达70％；再次，微藻可利用滩涂、盐碱地、荒漠进行大规模培养，可利用海水、盐碱水和荒漠地区地下水进行培养，因此微藻可以不与农作物争地、争水；最后，微藻的培养可利用工业废气中的二氧化碳，缓解温室气体的排放，也可以吸收工业废气中的氮氧化合物，减少环境污染。
 

高成本是目前障碍
 
利用高等植物和微藻生产生物燃料，其能量都来自于太阳光。地球上单位面积、单位时间内接受到的太阳光能是在限定范围内的，要生产巨大量的生物燃料，依赖于巨大的植物或微藻生产占地面积，从巨大的面积上把生物量收集起来才能进行工业化加工。生产、收集和运输生物量所耗费的能量与生物质可产出的能量之间的关系，是决定生物能源产业发展的关键问题。微藻在单位面积上的高能量密度产出是相对于高等植物产油的关键优势。但是，以目前的技术水平，微藻培养也存在单位面积生产能耗大、投入成本高的问题，微藻生物柴油要真正成为一种替代能源，降低微藻的生产能耗和成本至关重要。
 
微藻的大量培养主要有开放池和密闭反应器两类培养方式。开放池培养成本相对较低，但藻类生长所达到的细胞密度较低，某些情况下易于被当地其他微藻侵染，水蒸发量大。密闭培养可达到较高的藻细胞密度，不易被杂藻侵染，水蒸发量小，但反应器造价和运转成本较高，因而需要发展出集二者优点而回避其缺点的新型培养方式。
 
另外，微藻培养液中细胞只占很小一部分，绝大部分是水，需要发展出低能耗的收集细胞并循环使用培养液的技术。
 
目前，从微藻中提油的方法主要有溶剂萃取、机械压榨、超临界二氧化碳萃取等方法，都存在能耗大或溶剂损失代价高的问题，发展低能耗的、经济的提油技术也是面临的问题之一。
 
这些问题的解决，一方面需要各环节技术的突破，另一方面也都依赖于优良藻种的筛选和遗传改造。
 

世界各国都摩拳擦掌
 
世界上以发展生物柴油产业为目的进行较大规模的微藻产油研究始于上世纪70年代末。1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）启动了一项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划，研究人员经过10多年的努力，从美国西部、西北、西南部和夏威夷采集分离到了3000株微藻，并筛选出其中300余株具备潜力的产油藻种。该研究计划还对其中生长速度快、油含量高的微藻采用开放池系统进行室外培养试验。
 
从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目。该项目利用微藻来生物固定二氧化碳, 并着力开发密闭光合生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产生物质能源。该项计划共有大约20多个私人公司和政府的研究机构参与，10年间共投资约25亿美元，筛选出多株耐受高二氧化碳浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案。
 
进入21世纪，石油价格一度大幅上扬，刺激了微藻生物柴油技术的研究。2007年10月，国际能源公司宣布开发以微藻为原料生产生物燃料的新技术；12月，Shell公司宣布与美国从事生物燃料业务的HR Biopetroleum公司组建Cellena合资公司，投资70亿美元开展微藻生物柴油技术的研究。美国第二大石油公司Chevron于2007年底宣布与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。美国PetroSun Drilling公司不断完善其开放池系统，宣布3年内将达到500万吨/年的生产规模。荷兰AlgaeLink公司2007年10月宣布开发成功新型微藻光生物反应器系统，开始向全球销售其反应器，并提供相关技术支持。其他如Solazyme、Valcent、Vertigro、CEHMM等多家公司都在积极开展相关技术研发。
 
随着生物柴油开发的兴起，我国一些科研机构及企业也开始关注产油微藻的研究和开发。譬如，有人利用异养生长（利用外加的葡萄糖生长）的产油小球藻进行了密闭培养、提油和生物柴油加工研究，在技术上证明是可行的。中国科学院所属相关单位曾经承担过多项国家及省部级微藻育种和生产的研究，培养了一支经验丰富的微藻生物技术研发队伍。在产油微藻的研究方面，目前已有水生生物所、武汉植物园、过程工程研究所、南海海洋所、青岛海洋所等单位开展了选种、育种、大量培养、收集和提油等研究，并积极开展与我国大型石油化工企业的合作，试图开辟适合我国国情的微藻生物柴油产业化道路。
 
《科学时报》 (2008-11-4 A1 要闻)