國內外海洋能源微藻技術及產業分析

朱延雄　王春莉　王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

國內外海洋能源微藻技術及產業分析

朱延雄王春莉王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

本文針對海洋微藻生物質能源開發的特點，研究分析國內外產業創新資源的布局、關鍵技術及產品、產業發展現狀及發展趨勢，提出適合我國產業發展的建議。

海洋；微藻；生物質能源；對策建議

隨著全球經濟的快速增長，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危機已迫在眉睫，對生物質能等可再生能源的關注漸成熱點。在眾多的非糧生物質中，海洋微藻具有分布廣泛、油脂含量高、環境適應能力強、生長周期短、產量高等特點，可用于制備生物燃料（乙醇、生物柴油、燃料油或者氫等），并兼備碳減排的功效。海洋微藻生物質能源的研究已經成為全球生物質能源研究的重點，利用微藻生產生物燃料具有廣闊的發展前景。

1海洋微藻生物質能源開發的特點和優勢

海洋生物質能源是海洋植物利用光合作用將太陽能以化學能的形式貯存的能量形式，此類海洋生物質的主要來源為海洋藻類，包括海洋微藻和大型海藻等，目前較為熱門的是對海洋微藻的研究，主要原因是海洋微藻具有以下特點和優勢。

生長周期短，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可大量提供非糧食可再生的生物質能。

適應能力強，不爭地，不爭水：微藻具有鹽堿適應能力，可利用海水、地下鹵水等在灘涂、鹽堿地進行大規模培養，無需占用農業用地，也不消耗淡水資源；而且利用封閉式光生物反應器培養微藻，其養殖過程可以實現自動化控制。

大量積累脂質，可高效生產生物燃油：一些產油微藻的脂肪酸總量可達干重的50%～90%，有望成為最有前景的生物燃油來源。

具有減排效應，可以直接處理工業廢氣：微藻可以通過光合作用利用廢氣和廢水，不僅能緩解溫室氣體的排放，而且可以通過利用廢水、廢氣降低生產成本，具有顯著減排效應，有望進行商業化減排。

可高值化綜合利用：微藻含有豐富的生物活性物質，在制備生物燃油的同時可進行高值化綜合利用，相對降低微藻產油的成本。可開發的高值產品包括蝦青素、活性蛋白、活性多糖、不飽和脂肪酸、天然色素、生物肥料和餌料等。

2海洋微藻生物質能源產業的技術構成及開發流程

海洋微藻生物質能源的產業開發主要包括海洋微藻藻種的篩選、大規模培養、采收，以及生物燃料制備工藝等方面。

表1海洋微藻能源產業開發流程及配套技術

2.1藻種的選育

藻種的選育主要是篩選生長快速、適應性強的適宜生物質能開發的優良藻種，采用傳統選育與分子生物學相結合的方法改良藻種。

國內外的科學家利用各種方法已選育出了幾種含油量較高的藻種，包括小球藻、異養小球藻、鹽藻、角毛藻等，為低成本的生物燃料生產提供了原料支持。

2.2微藻的大規模培養

微藻培養系統的選擇需考慮幾個方面：微藻的生理學特性、地產投資、勞工、能源、水、營養、天氣(室外培養)以及最終產品的形式。

水自古以來就與人類的生活環境緊密相關，在各類造景元素中，水景的營造一直是居住區景觀中備受關注的熱點.人們普遍有親水的傾向和心理，水景作為第四代建筑的基本設計理念已得到設計師們的一致認可，并倍受用戶青睞.從住宅外環境的裝飾點綴到依水而建、擇水而居再到現在流行的住宅區大面積人工水景設計，水景始終是居住空間的重要賣點[1].水景已經深深融入到城市景觀建設之中，增添了城市的詩韻與靈動.

目前，微藻的大規模培養主要有三種方式：傳統的敞開式跑道式培養、封閉式的光生物反應器培養和封閉式的發酵罐生產。

2.3微藻的采收

微藻生物量的采收過程是生產過程的一個限制因素，需根據微藻的特性及經濟因素選擇不同的方法和試劑，一般采用化學絮凝、離心和氣浮三種方法。

2.4以微藻為原料提取生物燃料

從微藻里提取生物燃料所使用的方法主要有直接液化技術、熱解技術等。

高溫高壓液化技術或超臨界流體萃取技術：可獲得細胞中的油脂，再通過酯交換技術將其轉變為脂肪酸甲酯，即生物柴油。

HTU技術（Hydro Thermal Upgrading Process）：另一種將生物質轉化為液體燃料的工藝，將生物質材料置于裝水的高壓容器中軟化成糊狀，然后液化，經脫羧處理和去O2后獲得生物原油。

利用微藻直接熱解制備生物燃料：即在隔絕空氣條件下加熱使微藻生物質降解成氣體、液體和固體等多種產物，包括快速熱解（主要產物是焦炭，副產物為生物油）和慢速熱解(主要產物是生物油和可燃氣體)。

3全球創新資源分布及國內外主要研發機構

目前有關微藻能源技術的研究，無論是發明機構還是發明人均較為分散，但主要分布在美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家。美國在海洋微藻能源的研究應用方面占據了絕對的優勢地位。

我國有關能源微藻的研究主要分布在北京、青島、大連、上海的高校及科研機構中，仍屬于實驗室階段的探索性研究，距離產業化還有非常大的距離。

3.2國內外主要研發機構及技術

該領域的研究機構大多同時涉及藻種選育、培養、采集、燃料制備等產業環節的技術研發，設計采用的集成系統，可完成微藻培養、采集、燃料制備等生產環節。國內外研發機構及相關技術見表2、表3。

表2國外研發機構及技術

表3國內研發機構及技術

4海洋微藻生物質能源技術與產業發展現狀

4.1專利技術分析

通過對涉及海洋微藻養殖技術、富油藻種選育、微藻燃料制備技術專利文獻的檢索分析發現，美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家的海洋微藻生物質能源技術的專利數量遠高于其他國家的專利申請數量。美國在海洋微藻能源的研究應用方面占據了絕對的優勢地位。藻類生物燃料市場主要由北美和歐洲的公司主導，同時印度、以色列和中國的一些企業也在逐漸加大在該領域的研發投入。

我國的微藻能源科研力量大多集中在大專院校及科研機構中，企業專利權人特別是生物燃料公司占比極小，沒有形成以企業為主體的技術創新和產業化體系。這類專利雖然有些處于比較前沿的地位，但是要想將這些技術成果轉化為生產力，還需要與企業的合作，而國內企業在海洋微藻能源上的研發能力仍急需提高。

4.2國內外產業發展現狀

進入21世紀后，藻類生物燃料的研究工作出現了新的進展。美國、日本、德國、印度等國政府都已投入大量的資金及啟動相關的計劃進行海洋微藻生物質能源的研究開發。國際上眾多的科研機構、生物燃料公司、投資公司紛紛宣布開發微藻產油技術，在該領域投入大量資金，其中包括比爾·蓋茨和洛克菲勒家族、國際石油巨頭殼牌(SHELL)石油公司與雪佛龍(CHEVRON)石油公司、美國國防部、國家可再生能源實驗室(NREL)、麻省理工學院(MIT)等，部分企業宣稱已完成了中試，生產出了符合標準的生物柴油,擁有規模化的商業化生產技術，微藻能源研究正從試驗階段逐步進入工業應用準備階段。

我國的海洋生物質能研究也已取得了一定進展，在海藻種質資源和低成本生產技術上具備良好積累。中國科學院等高校、科研機構以及少數企業已在開展微藻能源研究工作，但大多屬于實驗室的探索性研究，微藻油脂的提取、轉化等技術仍然屬于實驗室的小試階段性成果，極少見中試規模以上的實施案例報道，距離產業化還有非常大的距離。

4.3海洋微藻生物質能源技術研究熱點和發展趨勢分析

國內外的核心技術及研發熱點基本趨于一致，主要集中在優良藻種選育（加快微藻的生長速度、提高微藻的光合效率、增加微藻的含油量）、高效低成本培養模式（提高產量、縮短周期、選擇最佳環境條件和培養基組成的大規模養殖系統）、生物質能高效轉化技術（生物發酵制備生物丁醇技術和發酵制氫技術，生產生物柴油的酯化反應技術、超臨界萃取液化技術、高壓液化技術，其他用于制取生物燃料的熱解、氣化技術）以及高值化綜合利用模式等方面的研究。這些共性關鍵技術是海洋微藻生物質能源產業化的技術瓶頸。

盡管藻類生物能源的研究取得了很大進展，但目前所有藻類燃料公司所面臨的最大挑戰都是成本控制問題，微藻生物能源成本居高不下制約了產業的發展。在未來幾年之內，藻種的篩選、技術的改善、產業規模化及設備制造成本下降，都將是直接影響微藻生物柴油成本下降的重要因素。目前在全部流程環節中，并沒有哪一項技術占的成本比重最大，因此最終要在產油微藻產業化和商業化開發方面取得突破，必須在各個環節都著力降低成本。而進行以微藻油脂為主線，蛋白質、多糖、脂肪酸等的聯產與綜合利用，既是現代化工業技術對資源綜合利用的必然要求，也是在目前技術條件下有效降低藻油生產成本、早日實現產業化的必由之路。

5結語

發展海洋微藻生物質能源已成為世界各國的重大國家戰略需求。目前國內外的藻生物質能源技術尚未成熟，研發熱點基本一致，圍繞微藻能源技術展開的競爭將越來越激烈，且已呈現全面提速的態勢。我國海洋微藻基礎研究力量較強，在海藻種質資源和低成本生產技術上具有良好積累，應加強富油藻種選育、高效低成本培養模式建立、生物質能高效轉化技術以及高值化綜合利用等核心技術的研發，突破產業化的技術瓶頸，促進海洋微藻生物質能源產業快速發展。

[1]李乃勝.關于發展海藻生物能源的認識與建議.科學時報, 2009，02，09年02月09日.

[2]任小波,等.海洋生物質能研究進展及其發展戰略思考.地球科學進展，2009,4,24(4):403-410.

[3]鄭洪立,等.產生物柴油微藻培養研究進展.中國生物工程雜志, 2009,29（3）110-11.

[4]劉永平.海藻生物燃料產業化開發的進展.中外能源，2009,14: 31-38.

[5]王蒙,等.以海洋微藻為原料提取生物燃料的研究進展與發展趨勢,南方水產,2 0 0 9,2,5(1):74-80.

[6]錢伯章.微藻生產生物燃料及其技術進展（下）.太陽能，2009.11: 33-35.

朱延雄，高級工程師，從事科技情報研究工作。