綠色可再生能源——微藻的開發與利用

陳劍秋

（福州東方曙光科技有限公司，福建 福州350009）

1 引言

生物質能源作為一種來源廣泛的可再生資源，對于緩解化石燃料短缺危機，減少環境污染和維持生態平衡具有重要的作用，發展生物質能源已成為“后石油時代”世界能源發展戰略性轉變的方向。生物質能源發展經歷了以傳統油料作物和農林廢棄物為原料生產乙醇、纖維素乙醇和生物柴油的階段，其較高的原料成本及“與糧爭地、與人爭糧”弊端，限制了生物燃料的進一步推廣和應用。微藻因其獨特的優勢被視為新一代，甚至可能是唯一能夠取代石化柴油的綠色可再生生物能源。

2 利用微藻開發綠色可再生能源的優勢

微藻是最古老的單細胞或群體的低等植物，含有葉綠素a，光合效率很高，每年固定的CO2占全球凈光合總量的40%，在生態系統的能量轉化和碳素循環中起著舉足輕重的作用。目前已發現的微藻有2萬多種，廣泛分布于各種生態環境中，具有生長方式、系統發生、遺傳和表型、生物功能等方面的多樣性，其代謝產物也極其豐富，能通過生物轉化和后加工形式形成各種類型的生物能源，尤其是某些微藻單位面積的產油量約是陸生能源植物的30倍，被認為是最具有開發和利用價值的可替代能源，具有許多無可比擬的優勢。

（1）易培養，成本低。微藻多生長于水體中，容易適應環境，營養需求簡單，可直接轉化和利用CO2、無機鹽、有機廢水等，可利用海灘、鹽堿地和荒漠等土地進行大規模高密度的工業化生產，成本較低。

（2）效率高，易轉化。微藻繁殖快，生長周期短，7～8d即可收集，油脂含量極高，整個藻體可用于熱解化，且熱解化難度較低，所獲得的熱解生物油具有較高的熱值、密度和粘度，燃油的品質與化石燃油相當，其應用不需要改變汽車、飛機等發動機結構和能源分配方式。

（3）產品附加值高。微藻代謝產物多樣且豐富度高，除了極高的油脂之外，還富含微量元素，能生產如EPA、DHA、蝦青素、胡蘿卜素、多糖、凝集素、蛋白質等多種生物活性物質，在食品、醫藥、化工等方面有重要應用前景，這些高附加值產品的綜合利用有力地促進了微藻生物能源的產業化進程。

（4）環境友好。微藻能吸收并有效利用工農業生產中排放出的大量二氧化碳及氮化物，而且微藻生物燃料在生產和使用過程中不增加二氧化碳，具有維持碳平衡作用；微藻還能消耗水體環境中的N、P等營養元素以及吸附重金屬，對水體環境有一定的凈化作用，是很好的治污生物［1］。

（5）開發實力強，可帶動關聯產業的結構升級。我國海洋面積遼闊，微藻種質豐富，微藻基礎研究開發實力較強，長期以來積累了大量的微藻研究開發經驗和相關技術，大規模養殖藻類已走到世界前列。微藻生物能源產業可以和發電廠、煉鋼廠、水泥廠、化工廠等大型工業聯合起來，形成一個全新的、良性的、以“低碳循環”為特征的綠色經濟產業模式。

3 利用微藻開發綠色可再生能源的技術研究

目前，利用微藻開發綠色可再生能源的研究主要有：利用微藻吸收煙氣中的CO2以生產高附加價值的生物質能源及控制溫室氣體；綠藻可逆產氫酶產氫；藍藻固氮酶產氫；微藻產烴；厭氧發酵微藻制取甲烷和富脂微藻生產生物柴油等；藻渣可以用來生產動物飼料、有機肥料和甲烷等。相關技術的關鍵環節主要包括以下幾個方面。

3.1 能源藻種的選育

優選出大量優良的微藻品種是發展綠色可再生能源的首要前提。已篩選出的微藻品種主要有斜生柵藻、葡萄藻、鹽生杜氏藻、小球藻、高山組囊藻、網翼藻屬、灰色念珠藻、固氮藍藻等，其中葡萄藻因其烴類物質可占干重75%，最有可能成為工業化產烴的藻種［2］。對微藻脂肪酸報道較多的是小球藻、球等鞭金藻、三角褐指藻、硅藻、扁藻等。

3.2 能源微藻的培養

能否大規模培養是制約微藻產業化的重要因素之一。微藻的培養方式主要有自養、異養和混合營養培養。自養培養采用開放式光生物反應器和封閉式光生物反應器，開放式光生物反應器技術簡單且投資低廉，但培養條件不穩定、易污染，多用于經濟藻類的大規模培養；封閉式光生物反應器的培養環境易調節但成本較高，多用于生產一些高附加值的微藻［3］。異養培養的微藻總脂含量有所增加，但氧氣的供應是其限制因子，目前多采用傳統的發酵裝置進行培養。選擇適合的有機碳源進行混合營養培養不僅可提高藻細胞的生物量，而且有利于油脂積累，因此只要能保證凈能比大于1，混合培養的方式也是切實可行的［4］。

3.3 微藻的采收

微藻的采收方法有離心法、氣浮法、超濾法、絮凝法等，比較可行的是氣浮法（泡沫分離法）。通過調節pH值、增大回流比、延長溶氣時間和接觸停留時間等操作參數，可以簡便、安全、高效地從培養液中采收微藻細胞。將微藻的規模培養、連續補碳、氣浮采收集成在一起，可實現微藻培養的集約化、自動化、低成本和規模化生產；將微藻細胞溶劑化補碳與氣浮法采收相耦合，操作方便，放大容易，適宜于工業化高效培養和收集；利用孔徑為20nm的中空纖維陶瓷膜濃縮采收與分離藻細胞也具有很大的優勢［5］。

3.4 微藻的生物煉制

通過轉酯化反應制備微藻生物柴油有化學催化法、超臨界流體催化法和生物酶法。其中，化學催化法反應時間短、工藝也較為成熟，但催化成本較高；超臨界流體催化法產率高、萃取和反應耦合，但前期設備投資費用較高，操作復雜，工業化生產困難重重；生物酶法反應條件溫和、設備簡單、成本較低，但酶易失活，產業化難度較大［6］。微藻可逆產氫酶兩步法間接光水解制氫的研究有所突破，但距實用化還有相當大的距離，對產氫藻種的篩選和改良是該研究的基礎和核心［7］。近年來正在探索以加氫裂化的技術煉制生物柴油，獲得的烷烴生物柴油，可與石化柴油以任意比例混合使用，具有投資少、容易產業化的優勢，是微藻油脂加工的重要發展方向。

4 利用微藻生產綠色可再生能源的前景與展望

微藻綠色可再生能源的開發潛力與產業化生產之間存在著較大的差距，諸多挑戰性的技術“瓶頸”以及生產成本問題尚未解決，要真正實現微藻綠色可再生能源的工業化生產，可以從以下幾個方面加強研究。

4.1 優質能源藻種的選育與基因工程改造

盡管人們已認識到并篩選了多種能源微藻，但離工業化生產還相差甚遠。優質的產氫微藻光能利用率必須接近10%才有實際應用價值，而且還必須能夠耐受高氧氣濃度。目前研究較多且烴類含量較高的葡萄藻生長過于緩慢，所產烴類碳鏈較長；產油量大的微藻生長較慢，不易收獲。因此加強微藻物種的基礎生物學研究，尋找潛在的優質能源微藻品種或品系，并在構建高密度培養、產能效率高的生物反應器的基礎上，通過基因工程技術改造較有潛力的能源微藻是解決能源微藻開發與利用的關鍵點。

4.2 構建高效率、低成本的生產模式

為了解決微藻大規模產業化生產模式存在著的成本高、效率低的問題，今后應加強的研究包括：將微藻養殖場所設置在工廠附近，利用工業有機廢水為主要培養基質，吸收發電廠和酒精發酵廠排出的二氧化碳和氮氧化物氣體為養料，具有雙重的經濟效益，可形成良性循環［8］；建立生物污染綜合防治技術、利用海水或鹽堿水馴化培養能源微藻等方式提高生產效率，降低成本；迫切需要進行技術創新以有效解決光能利用、代謝產物傳遞、溫度調控、清潔污垢等技術難題，從而提高光生物反應器技術水平，生產出廉價的能源產品；直接利用微藻生物質為基質發酵生產氫氣和甲烷也是開發的途徑之一，但需要解決如何高效率地獲得足夠的微藻生物量的問題，因此發展新型的、系統的、高效的微藻生物能源轉化技術至關重要。

4.3 生產成本的綜合優化

微藻能源工業化生產成本受到生產技術、養殖場所、季節、氣候、藻種和石油價格等綜合因素的影響，因此要降低成本，提高產品綜合競爭力，就必須從各個環節進行系統優化，充分利用微藻產品，減少浪費。在整個生產加工過程中，除了需要探索如何完善生產工藝以外，還要將微藻除油脂之外的其他各種生物活性物質，如多糖、蛋白質、凝集素、類胡蘿卜素、維生素、甾醇等分離提取出來，應用于醫療、保健、食品等領域，剩余的藻渣還可作為動物的飼料或者厭氧發酵生產生物燃氣。這些高附加值系列產品的生產，可以在一定程度上降低成本，提高企業經濟效益。

微藻綠色可再生能源的開發與利用具有巨大的經濟效益潛力和誘人的前景，但在短期內要成功地商業化需要克服科學技術方面諸多挑戰性的難題。我國微藻的研究起步雖早，但多集中于藻種選育和培養領域，微藻能源開發方面尚處于萌芽和技術摸索階段，如何利用我國豐富的微藻資源和微藻基礎研究結果，借鑒國外成熟的技術水平和較為成功的產業化經驗，突破技術瓶頸，降低生產成本，提高微藻能源的性能與品質，是今后微藻綠色能源開發與利用的方向。

［1］ Aslans，Kapdan I K.Batch kinetics of nitrogen and phosphorus removal from synthetic wastewater by algae［J］.Ecological Engineering，2006，28（1）：64～70.

［2］ Postenc，Schaub G.Microalgae and terrestrial bio－mass as source for fuels：aprocess view［J］.Journal of Biotechnology，2009（142）：64～69.

［3］ 范曉蕾，郭榮波，魏東芝.能源微藻與生物煉制［J］.中國基礎科學，2009（5）：59～64.

［4］ 童 牧，周志剛.新一代生物柴油原料——微藻［J］.科學研究，2011（3）：19～26.

［5］ 孔維寶，華紹烽，宋 昊，等.利用微藻生產生物柴油的研究進展［J］.中國油脂，2010，35（8）：51～55.

［6］ Marcheth J M，Miguel V U，Errazu A F.Possible methods for biodiesel production［J］.Renewable Sustainable Energy Reviews，2007，11（6）：1300～1311.

［7］ Kosourov S，Tsygankov A，Seibert M.Stustained hydrogen photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii：Effects of culture parameters［J］.Biotech Bioeng，2002（78）：731～740.

［8］ 李 臣.微藻生物柴油研究進展［J］.安徽農業科學，2010，38（27）：15208～15210.