微藻生物：可培育的“綠色石油”

對傳統能源枯竭的焦慮，使人們打起了“生物質能源”的主意，實踐證明，微藻生物能源的回報相比之下更高一些。

2009年3月底，發改委宣布將汽、柴油價格每噸分別提高290元和180元。這是自今年1月15日成品油定價機制改革以來，根據“原油成本定價法”實施的首次油價調整。對此，國家發改委給出的解釋是：油價調整鑒于近期國際油價持續上漲。

盡管金融危機爆發以后，全球原油價格不斷下跌，但是石化能源消耗的不可持續性是不可能改變的，人們早就把眼光投向了生物質能源領域。生物質能源是地球上最普遍的一種可再生能源，它是通過植物光合作用，將太陽能以化學能的形式貯存在生物體內的一種能量形式，被稱為綠色能源。但是如果用玉米、高粱等糧食來制作乙醇等生物質能源，將威脅全球的糧食安全。因此，對于生物質能源的原料，人們的目光一直集中在傳統的陳化糧、木質素、動物油脂等領域，然而對于生物質能源的重要來源、開發前景同樣廣闊、屬水生植物的藻類卻認識不足。

作為一種重要的可再生資源，藻類具有分布廣泛、生物量大、光合作用效率高、環境適應能力強、生長周期短、產量高等突出特點。而藻類中的微藻，更是遍布全球的浮游植物，它在海洋、淡水湖泊等水域或是潮濕的土壤、樹干處，在任何有光照且潮濕的地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定的二氧化碳，竟達全球二氧化碳固定量的40％以上。微型藻生物技術的開發，將為我國提供新的能源途徑。

陽光和水的結晶

微藻，其細胞中含有獨特的初級或次級代謝產物，化學成分復雜，太陽能轉化效率可達到3.5％，因而作為能源原料的潛力十分巨大。從微藻中得到的脂肪酸可轉化成脂肪酸甲酯，即生物柴油。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以外，還具有有害氣體排放低的環保特性。在沸石催化劑的作用下，微藻通過熱化學轉化可以生產出汽油型燃料；生長在海水中的綠藻，能積累大量游離的甘油以平衡環境中的鹽濃度，其甘油的含量可占自身干重的85％。

山東省科技廳副廳長、青島國家海洋科學中心主任李乃勝說，通過微型藻類生產能源有很多優勢一一微藻幾乎能適應各種生長環境，不管是海水、淡水、室內、室外，還是一些荒蕪的灘涂鹽堿地、廢棄的沼澤、魚塘、鹽池等都可以實現種植；微藻產量非常高，一般陸地能源植物一年只能收獲一到兩季，而微藻幾天就可收獲一代，而且不因收獲而破壞生態系統，就單位面積產量來說比玉米高幾十倍；不占用可耕地，藻類可以種植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同類型的水土資源，具有不與傳統農業爭地的優勢；產油率極高，微藻含有很高的脂類(20％～70％)、可溶性多糖等，1公頃土地的年油脂產量是油菜籽的80倍；微藻加工工藝相對簡單，微藻沒有葉、莖、根，不產生無用生物量，易于被粉碎和干燥，預處理成本比較低微；微藻熱解所得生物質燃油熱值高，平均高達33MJ／kg(兆焦爾／千克)，是木材或農作物秸稈的1.6倍，最后，有利于環境保護，藻類植物能捕獲空氣中的二氧化碳，有助于控制溫室氣體排放。

微藻種植可與二氧化碳這樣的溫室氣體地處理和減排相結合，據統計，占地1平方公里的養藻場可年處理5萬噸二氧化碳，而且微藻不含硫，燃燒時不排放有毒有害氣體，整個產油過程非常清潔。

據估算，我國鹽堿地面積達1.5億畝，假如用14％的鹽堿地培養種植微藻，在技術成熟的條件下，生產的柴油量可滿足全國50％的用油需求。

此外，太湖區域藍藻的大面積爆發，也使科研人員開始思考藍藻的治理和利用問題，而將藻類轉化成燃料油或許是太湖藍藻變害為寶的良方。但要使這種“變化”成為經濟可行的能源生產方式，還有很多問題要解決。譬如，藻細胞的收獲、藻細胞中水分的脫除、灰分的降低等。

高成本的門檻

我國的內海域按自然疆界可達473萬平方公里，向外海延伸至國際公共海域，面積更為廣大。可以說，以微藻生產生物質能源，蘊含著海量的潛能。既然如此，為什么目前科研人員沒有大規模地用藻類來生產生物質能源呢?

中國科學院水生生物所徐旭東研究員認為，高成本是目前的主要障礙。因為利用高等植物和微藻生產生物質能源，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，要生產大量的生物燃料，必須依賴于大規模的植物或微藻生產面積。此外還要把這些微藻從廣大面積上收集起來，再進行工業加工。因此，生產、收集和運輸所耗費的能量與其可產出的能量之間的比例，是決定生物能源產業發展的關鍵。也就是說，微藻只有在單位面積上高密度產出，才是相對于其他高等植物產油的優勢關鍵所在。

但以目前的技術水平，微藻培養也存在單位面積生產能耗大、投入成本高的問題，因此，要使微藻生物柴油成為真正的替代能源，降低微藻的生產能耗和成本至關重要。

徐旭東說，微藻的大規模培養主要有開放池和密閉反應器兩類方式。開放池培養成本相對較低，但是藻類生長所達到的細胞密度較低，某些情況下容易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。因此，前途是需要發展出集二者優點，而回避各自缺點的新型培養方式。此外，微藻培養液中細胞只占很小一部分，絕大部分是水，還需要發展出低能耗的收集細胞，并循環使用培養液的技術。

盡管利用微藻生產生物質能源困難重重，但是我國科學家在此研究領域還是取得了重大突破。新奧集團副總裁、首席科學家甘中學說，新奧集團的微藻生物能源技術完全模擬生態環境運作——利用微藻的光合作用，讓微藻在生長中吸收煤化工生產中排放的工業廢氣，再從培育出的微藻中提煉生物柴油以及其他高附加值產品。

微藻是一種單細胞高生長率的生物，每4小時可繁殖一代。甘中學說，“我們不但結合了微藻轉基因工程改造、高通量篩選等技術，獲取生長速度快、油脂含量高、適合工業生產的優良藻種；而且采用高密度立體養殖技術和高效低成本光生物反應器技術，提高光利用效率及二氧化碳吸收效率；還運用含氮、磷較高的工業廢水回收技術和工業廢熱利用技術，提高養殖效率，降低養殖成本，實現微藻生物能源的產業化。”此外，微藻生物能源技術還將結合非燃燒催化氣化技術、地下氣化采煤技術、低成本制氫技術、甲烷化和發電技術等，實現煤基能源生產的“零”排放和“系統能效”最大化。

據悉，新奧集團目前已經完成實驗室和中試規模的工藝技術路線，完成了研發中心試驗平臺建設與中試示范化工程。在此基礎之上，新奧集團將于2012至2013年實現微藻生物能源的產業化和盈利，形成可復制的產業化單元技術，實現生物能源產品和高附加值產品的生產。

據統計，我國有大量低品位褐煤不易開采和利用。同時，傳統煤礦的開采率只有40％至50％，以至于全國大約有370億噸廢棄煤。“這項技術可以對褐煤及廢棄煤進行氣化開采，利用率可達73％左右”，甘中學說。新奧集團在內蒙古烏蘭察布建立了試驗區，已經成功運行了9個月，目前是我國唯一掌握該技術的單位。

全球熱潮

目前，微藻生物質能源已經在世界各國掀起了一股研究和開發熱潮，很多發達國家在微藻生物質能源項目上投入了大量資金，這些資金不僅來自政府投入，還有相當大一部分來自實力雄厚的企業。

世界上以發展生物質能源產業為目的，并進行較大規模的微藻產油研究始于20世紀70年代末。1978年，美國能源部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并分離到了3000株微藻，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。該項目利用微藻來固定二氧化碳，再從這些微藻中提煉出生物質能源。該項計劃共有大約20多家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，篩選出多株高品質藻種，建立起了光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。

2006～2008年，石油價格一度大幅上揚，大大刺激了微藻生物質能源產業化技術的開發，美國等發達國家的政府和企業在該領域紛紛投入巨資，在國際上掀起了一股勢不可擋的熱潮。

2006年11月30日，美國兩家公司在亞利桑那州建立了可與1040兆瓦電廠煙道氣相聯接的商業化系統，成功地利用煙道氣的二氧化碳，大規模“光自養”培養微藻，并將微藻轉化為生物燃料。同時由美國著名實驗室和科學家組成的國家聯盟，宣布了由國家能源局支持的“微型曼哈頓計劃”，計劃在2010年實現微藻制備生物柴油的工業化。

新西蘭某生物經濟公司針對微藻生產的生物柴油，進行了世界首次概念驗證。2006年12月，新西蘭能源部長以生物柴油作為動力，駕駛一部未經改裝的標準豪華休旅車，沿著威靈頓高速公路奔馳，這是生物柴油的光榮之路。

2007年末，國際能源公司宣布開發以微藻為原料生產可再生柴油和噴氣燃料，稍后，美國公司投資70億美元開展微藻生物柴油技術的研究，并在夏威夷建立了一個試驗工廠通過利用海洋藻類的植物油生產生物柴油。接著，美國第二大石油公司宣布與美國能源部可再生能源實驗室(NREL)協作開發微藻生物柴油技術，用作噴氣式發動機等交通工具的燃油。

2008年3月10日，PetroSun公司宣布其位于美國得克薩斯州的微藻養殖場于2008年4月1日投入商業化運作，這是該公司初期的商業化微藻制生物燃料裝置投產。現有的微藻養殖場的海水槽占地1100英畝，共包含94個5英畝和63個10英畝的海水池塘。

位于美國加州的Live Fuels公司正在資助一個由國家實驗室(美國能源部的一個研究部門)領導的科學團隊，從事一系列研究利用邊際土地，在淡水或咸水環境中培養微藻，并且利用微藻生產油脂。該公司樂觀地估計，2000～4000萬英畝的邊際土地生產出來的微藻油可以替代整個美國每年進口的石油，并且可以保留下整個美國4.5億英畝的肥沃土地來種植糧食作物。

美國國防部于2008年底宣布投入2000萬美元基金進行微藻生物柴油研究工作，主要目的在于在2010年前證實并使基于海藻的生物質燃料能夠實現商業化并成為JP-8噴氣燃料的替代品，該項目由遍布美國的各個機構共同實施，包括美國加州理工大學圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源研究所(Hawaii Bio Energy in Honolulu)以及北達科他大學能源環境研究中心(University of North Dakotds Energy and Environmental research center)等。華盛頓州立大學的陳樹林教授與波音公司合作，研究利用微藻開發戰斗機用油。

除美國、日本、新西蘭、荷蘭等國以外，英國也不甘落后。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，于2020年前實現利用藻類生產運輸燃料以代替傳統的化石燃料。

中國微藻能源的開發

在國際大環境之下，中國對微藻生物質能源的研究也處于領先水平。

2003年初，中國工程科學院組織各領域專家在北京召開了“生物柴油植物原料發展研討會”。會上專家認為，藻類的生物量巨大，一旦高產油藻開發成功并實現產業化，我國生物柴油產業規模將達到數千萬噸。

2006年底，在中國工程院主辦的“2006中國生物質能源發展戰略論壇”上，我國確定了自己的生物能源發展方針——“中國生物能源將以非糧作物為主，國家將采取各種優惠的財稅政策，推進中國生物質能源的快速發展。”

2008年5月，中科院高技術研究與發展局、中國科學院生命科學與生物技術局與中石化石油化工科學研究院聯合組織召開了“微藻生物柴油技術研討會”。目前，浙江省也在積極籌劃立項支持微藻生物柴油技術開發工作，擬建立微藻生物能源研究基地，利用其沿海優勢開展海洋微藻生物能源方面的研究工作。

2009年3底，國家科技基礎性工作專項重點項目“非糧柴油能源植物與相關微生物資源的調查、收集與保存”項目在廣州啟動實施。該項目擬在全國范圍內開展非糧柴油能源植物和相關微生物資源的全面的科學考察、野外實地調查、相關數據資料的采集，摸清我國非糧柴油能源植物和相關微生物資源的家底，掌握能源植物和相關微生物資料的種類、分布、貯藏量、化學成分等科學資料和相關信息，提出重點開發的種類，為能源植物與微生物的研究和生物柴油產業的可持續發展提供支撐。

由于目前世界上絕大多數國家在微藻生物能源的研究開發上時間并不長，大部分的工作都是在最近幾年剛剛開始。因而，“在微藻生物柴油開發方面，我國與發達國家相比差距并不明顯，甚至處于領先地位。如何抓住當前的有利時機，整合優勢資源，開發我國自己的微藻生物柴油技術，從而使我國在世界可再生能源研究領域占有一席之地，是我國政府、科研工作者和企業亟待思考和解決的問題，”甘中學這樣說。

李乃勝建議稱，迄今為止，微藻能源開發沒有成熟的技術，沒有成功的生產工藝，沒有可借鑒的技術標準，沒有現成的工業設備，因此它是一個全新的自主創新領域。因此，我國應加強對海藻生物燃料的戰略性認識。建議把海藻能源列為未來生物質燃料產業的重要組成部分，特別是沿海地區，把海藻能源列入新能源的戰略規劃，從實際意義上實施中國的微型曼哈頓計劃，大力強化海藻加工技術創新，從規劃、政策層面支持海藻能源產業的發展。

此外，還要加強富油海洋微藻的科學研究。建議立項支持富油海洋微藻的研究工作，主要包括；1、富油藻種的篩選培育。重點加強藻種的生理生化分析、遺傳突變與良種培育、微藻的分子生物學與遺傳學研究。利用轉基因等分子水平的生物技術培育生長快、收率高、成本低的優良工程藻種，盡快實現富油微藻藻種的大規模篩選和低成本微藻產物收集。2、微藻產／儲油機理的研究。查明微藻生油儲油的機理，提高光合作用效率，推動轉基因工程靶向選擇等方面的研究工作。3、微藻加工關鍵技術的研究。圍繞微藻油脂的高效提取，進行液化、分離、產氫、熱解等關鍵技術的研究，創造出中國特色的微藻加工提取系列技術。