微藻生物燃料的遠景展望

張姍姍 李金偉

（青島科技大學化工學院，山東 青島 266042）

0 前言

隨著石油供應減少，世界范圍極大的能源需求對日益減少的能源資源形成激烈的競爭。此外，化石燃料的燃燒導致嚴重的全球溫室氣體積累，據報道，全世界每年排放到大氣中的CO2約為100億t［1］，它影響世界經濟和人類棲息。生物燃料顯示了潛在的前景，可幫助解決能源需求。其中，第二代生物能源應運而生，這類能源的主要特點是單位面積產量高、不占用農業耕地、環境影響小［2］。藻類是制備生物柴油的最佳的生物質原料之一。藻類生物燃料生產的許多方面已引起世界各地研究人員和企業家的關注。這些方面包括：（一）單位面積生產力高；（二）藻類原料是非糧食資源；（三）使用其他非生產性不適耕種的土地；（四）利用各種水源（淡水，半咸水，咸水和廢水）；（五）緩解溫室氣體的釋放；（六）能同時生產有價值的副產品。

雖然藻類有巨大潛能取代石油燃料，但是許多領域的技術仍處于初級階段。在藻類燃料商業化生產前，要解決許多基礎和應用研究與開發等方面的問題。為了減低藻類燃料生產成本，我們將對藻類研究做簡明的概述，同時描述目前藻類研究與開發的狀態。最后，我們將找出一些關鍵的必須克服的技術壁壘使藻類生物燃料達到經濟上可行。

1 藻類生物燃料的前期研究

ASP成功的證明了藻類物種作為油來源的可行性而且還完善了許多重要技術。這些提高是通過藻株分離和生化性質［3］，基因工程［4］，工程學和過程開發［5］，以及戶外藻類規模培養示范等［6］。技術經濟分析和資源評估是該計劃的重要方面，能指導許多重要的科學和技術障礙。雖然ASP取得重大進展，但這個計劃被擱置了一段時間。直到最近，藻類的關注急劇增加，現在許多國家都在開展這一研究。

微藻包括各種各樣的光合微生物，能夠固定大氣中的二氧化碳來有效生產生物而且速度比陸地植物更快。許多藻株已被證明在實驗室生產超過50％生物量的是脂類［7］，其中大部分是三酰基甘油類。三酰基甘油類是高能量密度燃料（如生化柴油，綠色柴油，綠色煤油和綠色汽油）的期望原料。脂類含量隨著生長條件［8］的不同其數量和質量也不同。

現實中傳統油料作物生物燃料的發展還不能滿足運輸用燃料［9］的需求。除去脂質成分，剩余的生物量也可以用來生產能量，更多的液體氣體燃料，或更高價值的副產物。藻類生物燃料比從玉米等油料作物中獲取的生物柴油的希望高，而且比纖維質乙醇［10］的可能性還高。

1.1 海藻養殖和收獲

目前微藻并沒有進行商業化生產。只有少量（約5000～100000t的全球藻類生物量）是商業生產，主要用于生產高價值，低量補充食物和營養保健品［11］。微藻生物柴油成套技術涵蓋多個技術環節，是一個復雜的系統工程，包括微藻的篩選和培育，獲得性狀優良的高含油量藻種，在光生物反應器中吸收陽光、CO2等，生成微藻生物質，最后經過采收、加工，轉化為微藻生物柴油［12］。

藻類培養使用開放式和封閉系統。無論哪種都需要高資金的投入。封閉光反應器的建造更昂貴，但目前并沒有大幅度降低成本的方法。反應器技術不成熟，許多不確定因素需要繼續研究。針對開放和封閉培養系統的問題，如反應器材質，混合，優化栽培規模，加熱/冷卻，蒸發，氧氣的積累，操作和CO2等，在一定程度上已審議并探討，待詳細的大規模實驗后會有明確答案。

產業化生產藻類，需要篩選菌株和確定菌種條件，以快速生產高脂肪含量的生物量。微藻可茁壯成長的環境條件范圍很廣，但相比陸地作物，它的生長條件較為有限。在高的太陽輻射下，藻類生產率的理論最大值為100g/m2.d。開放池塘比封閉光反應器下降了20～30g/m2.d，開放式天然池塘的高峰生產能力接近50g/m2.d［13］。封閉光生物反應器可以提高生產力，因為它的表面對體積比更高。

有資料表明，微藻采收的成本占其養殖成本（包括培養和采收）的20％～30％［14］。目前以微藻為原料的生物柴油生產成本極高，要想取代傳統的化石能源，必須大幅降低其生產成本（有90％以上的降低空間［15］），而采收是一個重要的環節。在微藻采收、脫水和干燥作業上可節省99.75％以上的費用［16］。因此，尋求一種高效率、低成本的采收方法是當前亟需解決的問題.在此情況下，最有前途的低成本的方法是，利用重力沉降——絮凝可能增強無化學絮凝劑的效益［17］。使用小數額的化學絮凝劑，以幫助這一進程來實現成本效益。然而，重大工程的研究工作旨在發展我們需要的有效的藻類采收技術。

1.2 海藻油的提取

原油采收采用的程序對于藻類細胞和含油植物種子的要求是不同的。藻類采油最可能的技術是涉及某種形式的溶劑萃取（如正己烷，超臨界CO2流體萃取，超聲等）。涉及干重的操作過程不太經濟，因為它涉及能量輸入，與藻類料漿等相關的操作是優先的［18］。一旦藻油回收，下游處理成生物柴油或綠色柴油將會順利進行，雖然燃料轉換可能存在并發癥如由藻類種群和氣候變化引起的總脂質含量差異（即三酰基甘油類、磷脂質和糖脂間相對水平）。就整個生物燃料產品的經濟來說無機養分的成本并不是個沉重負擔，能源投入才顯著［18］。作為生物燃料整體經濟的一部分還必須考慮副產品。藻類廢水處理可以獲得大量的副產品，剩余的生物質可轉化為能源（通過燃燒，熱解，或乙醇發酵）、價值較高的動物飼料，獸醫營養保健品等。如果有可能，藻類生物質中的無機營養應該再循環到培養系統中來實現流程最大效率。

1.3 藻類燃料產品

歷史上，藻類燃料產品的重點一直在高能脂質方面。微藻油含有脂肪酸和甘油三酯化合物，就像陸地上的種子油，使用傳統技術可以轉化為醇酯確（即生物柴油）。除此之外還有很多途徑來優化反應，因為飼料組成和下游處理要求不同。

另外，油可以通過催化加氫過程生產可再生或綠色柴油產品。植物油和廢動物脂只能處理有限的石油變為再生性燃料。若汽油，航空煤油，柴油的原料是生物的它們一般被認為是可再生的或綠色的，它們本質上是原油經過相同的化學解析而來。石油衍生燃料的主要特征是含氧量接近零。與原油相比典型的生物燃料如乙醇和生物柴油等都有很高的含氧量。成為可再生性汽油、航空煤油和柴油的首要目標是使最終燃料的含氧量最小化，同時使最終含能量最大化。

1.4 技術、經濟和資源分析

項目研究必須要證明其經濟可行性。一份詳細的關于藻類到燃料的研究、發展、商業化的評論是不完整的，它還包括技術潛在成本的調查研究。藻類生物燃料產品的經濟性高度的依賴于TAG原料的價格。價格、產量以及其他因素，將助于確定藻類衍生脂質在競爭激烈的市場中的定價。目前正在探究的三個生產方案：開放池塘，封閉光生物反應器和發酵（發酵罐中異養生長的藻類利用的碳源是糖類而不是CO2）［19］。

再生能源實驗室集中于研究開放跑道式池塘技術，因為這在藻類生產中被認為是最符合成本效益的選擇。我們使用奧斯瓦德等［20］提出的低資本成本的過程模型作為技術經濟分析的基礎。這個過程設想連續開放培養藻類，用化學絮凝劑濃縮生物量。生物量懸浮液用熱柴油提取來回收脂質，然后送到一個三相離心機中分離油，水和廢生物量。雖然離心分離一般被認為過于昂貴，生物質濃縮使用絮凝劑將減少大約100倍的處理水量，從而減少離心機規模，使資本和運營成本降低至可接受的水平。提取生物量懸浮液的步驟中使用熱柴油，也降低了運行成本，因為這省略了生物質的干燥。它還省略了純溶劑的成本，脂質流可以直接發送進行生物燃料加工。在此工藝配置中，廢生物量被送到厭氧消化池中生產能產能產熱的甲烷。

微藻能成為高級生物燃料的原料，是因為它的生態足跡少，這項技術確使它在干旱、半干旱、鹽堿水或其他不適合農業等生物生長的地區進行生產。集約管理微藻生產比農作物或樹木固定的單位面積CO2多數倍以上。雖然藻類生物燃料燃燒仍會產生CO2，微藻融合電廠收集的煙氣可以增加能量同時CO2的釋放量僅有60％。微藻衍生的材料也可用于其他長遠用途，能隔絕CO2。發電廠的煙氣能提供足夠的CO2進行大規模的微藻養殖。此外，以生物量為基礎，藻類生產燃料的概念，需要從資源遠景來分析，因此一些挑剔的要求，如CO2、養分、陽光和水，應該與它們的實用性相一致。資源的實用性對于藻類生物燃料的發展是一個重要的驅動器。生產所需的藻類，資源調查時許多因素需要考慮。為了大規模藻類培養，一份關于資源要求和實用性的初步調查已在實施，注意力主要在氣候、土地、水和CO2上。需要進一步的工作來確定最佳條件和地點。

2 未來研究重點

藻類可以大型戶外栽培和收獲。藻脂類可以被提取并轉換為生物柴油或其他運輸燃料。有關的問題不是海藻能否生產生物燃料，而是使它們經濟可行從而大規模生產來滿足人類需求。但是達到這個目標還存在不少困難。例如，如何提高藻種質量；如何有效收集藻體，降低采收成本；如何降低能耗等都有待進一步的研究［21］。今后應加大基礎及應用方面、提高藻類生產力以及經濟技術等方面的研究，以確保商業化的道路順利實現。

3 結論

雖然目前木質纖維素是生物燃料生產的領跑者，但富油且能利用CO2進行光合作用的微藻，似乎前景更廣闊。光合微生物生產燃料的的研究和技術開始于20世紀80年代，延續到今天，興趣和投資在世界范圍內迅速升溫。為了收獲獨立能源與藻類原料安全，需要在藻類生理學和大量培養方面創新，同時結合過程和整個系統工程，來確保技術和經濟可行性。最后，至關重要的是要考慮這項工作的生態效益、管理問題、公眾接受度和社會影響等。

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