張姍姍 李金偉

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042）

0 前言

隨著石油供應(yīng)減少，世界范圍極大的能源需求對(duì)日益減少的能源資源形成激烈的競(jìng)爭(zhēng)。此外，化石燃料的燃燒導(dǎo)致嚴(yán)重的全球溫室氣體積累，據(jù)報(bào)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(jīng)濟(jì)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(yīng)運(yùn)而生，這類能源的主要特點(diǎn)是單位面積產(chǎn)量高、不占用農(nóng)業(yè)耕地、環(huán)境影響?。?］。藻類是制備生物柴油的最佳的生物質(zhì)原料之一。藻類生物燃料生產(chǎn)的許多方面已引起世界各地研究人員和企業(yè)家的關(guān)注。這些方面包括：（一）單位面積生產(chǎn)力高；（二）藻類原料是非糧食資源；（三）使用其他非生產(chǎn)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(shí)生產(chǎn)有價(jià)值的副產(chǎn)品。

雖然藻類有巨大潛能取代石油燃料，但是許多領(lǐng)域的技術(shù)仍處于初級(jí)階段。在藻類燃料商業(yè)化生產(chǎn)前，要解決許多基礎(chǔ)和應(yīng)用研究與開發(fā)等方面的問題。為了減低藻類燃料生產(chǎn)成本，我們將對(duì)藻類研究做簡(jiǎn)明的概述，同時(shí)描述目前藻類研究與開發(fā)的狀態(tài)。最后，我們將找出一些關(guān)鍵的必須克服的技術(shù)壁壘使藻類生物燃料達(dá)到經(jīng)濟(jì)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(shù)。這些提高是通過藻株分離和生化性質(zhì)［3］，基因工程［4］，工程學(xué)和過程開發(fā)［5］，以及戶外藻類規(guī)模培養(yǎng)示范等［6］。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和資源評(píng)估是該計(jì)劃的重要方面，能指導(dǎo)許多重要的科學(xué)和技術(shù)障礙。雖然ASP取得重大進(jìn)展，但這個(gè)計(jì)劃被擱置了一段時(shí)間。直到最近，藻類的關(guān)注急劇增加，現(xiàn)在許多國(guó)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(chǎn)生物而且速度比陸地植物更快。許多藻株已被證明在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)超過50％生物量的是脂類［7］，其中大部分是三?；视皖?。三?；视皖愂歉吣芰棵芏热剂希ㄈ缟裼?，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(zhǎng)條件［8］的不同其數(shù)量和質(zhì)量也不同。

現(xiàn)實(shí)中傳統(tǒng)油料作物生物燃料的發(fā)展還不能滿足運(yùn)輸用燃料［9］的需求。除去脂質(zhì)成分，剩余的生物量也可以用來生產(chǎn)能量，更多的液體氣體燃料，或更高價(jià)值的副產(chǎn)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(zhì)乙醇［10］的可能性還高。

1.1 海藻養(yǎng)殖和收獲

目前微藻并沒有進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。只有少量（約5000～100000t的全球藻類生物量）是商業(yè)生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)高價(jià)值，低量補(bǔ)充食物和營(yíng)養(yǎng)保健品［11］。微藻生物柴油成套技術(shù)涵蓋多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括微藻的篩選和培育，獲得性狀優(yōu)良的高含油量藻種，在光生物反應(yīng)器中吸收陽光、CO2等，生成微藻生物質(zhì)，最后經(jīng)過采收、加工，轉(zhuǎn)化為微藻生物柴油［12］。

藻類培養(yǎng)使用開放式和封閉系統(tǒng)。無論哪種都需要高資金的投入。封閉光反應(yīng)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(yīng)器技術(shù)不成熟，許多不確定因素需要繼續(xù)研究。針對(duì)開放和封閉培養(yǎng)系統(tǒng)的問題，如反應(yīng)器材質(zhì)，混合，優(yōu)化栽培規(guī)模，加熱/冷卻，蒸發(fā)，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(xì)的大規(guī)模實(shí)驗(yàn)后會(huì)有明確答案。

產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)藻類，需要篩選菌株和確定菌種條件，以快速生產(chǎn)高脂肪含量的生物量。微藻可茁壯成長(zhǎng)的環(huán)境條件范圍很廣，但相比陸地作物，它的生長(zhǎng)條件較為有限。在高的太陽輻射下，藻類生產(chǎn)率的理論最大值為100g/m2.d。開放池塘比封閉光反應(yīng)器下降了20～30g/m2.d，開放式天然池塘的高峰生產(chǎn)能力接近50g/m2.d［13］。封閉光生物反應(yīng)器可以提高生產(chǎn)力，因?yàn)樗谋砻鎸?duì)體積比更高。

有資料表明，微藻采收的成本占其養(yǎng)殖成本（包括培養(yǎng)和采收）的20％～30％［14］。目前以微藻為原料的生物柴油生產(chǎn)成本極高，要想取代傳統(tǒng)的化石能源，必須大幅降低其生產(chǎn)成本（有90％以上的降低空間［15］），而采收是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。在微藻采收、脫水和干燥作業(yè)上可節(jié)省99.75％以上的費(fèi)用［16］。因此，尋求一種高效率、低成本的采收方法是當(dāng)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(qiáng)無化學(xué)絮凝劑的效益［17］。使用小數(shù)額的化學(xué)絮凝劑，以幫助這一進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)成本效益。然而，重大工程的研究工作旨在發(fā)展我們需要的有效的藻類采收技術(shù)。

1.2 海藻油的提取

原油采收采用的程序?qū)τ谠孱惣?xì)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(shù)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(jīng)濟(jì)，因?yàn)樗婕澳芰枯斎?，與藻類料漿等相關(guān)的操作是優(yōu)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(huì)順利進(jìn)行，雖然燃料轉(zhuǎn)換可能存在并發(fā)癥如由藻類種群和氣候變化引起的總脂質(zhì)含量差異（即三?；视皖?、磷脂質(zhì)和糖脂間相對(duì)水平）。就整個(gè)生物燃料產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)來說無機(jī)養(yǎng)分的成本并不是個(gè)沉重負(fù)擔(dān)，能源投入才顯著［18］。作為生物燃料整體經(jīng)濟(jì)的一部分還必須考慮副產(chǎn)品。藻類廢水處理可以獲得大量的副產(chǎn)品，剩余的生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為能源（通過燃燒，熱解，或乙醇發(fā)酵）、價(jià)值較高的動(dòng)物飼料，獸醫(yī)營(yíng)養(yǎng)保健品等。如果有可能，藻類生物質(zhì)中的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)應(yīng)該再循環(huán)到培養(yǎng)系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)流程最大效率。

1.3 藻類燃料產(chǎn)品

歷史上，藻類燃料產(chǎn)品的重點(diǎn)一直在高能脂質(zhì)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(tǒng)技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為醇酯確（即生物柴油）。除此之外還有很多途徑來優(yōu)化反應(yīng)，因?yàn)轱暳辖M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(chǎn)可再生或綠色柴油產(chǎn)品。植物油和廢動(dòng)物脂只能處理有限的石油變?yōu)樵偕匀剂?。若汽油，航空煤油，柴油的原料是生物的它們一般被認(rèn)為是可再生的或綠色的，它們本質(zhì)上是原油經(jīng)過相同的化學(xué)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(biāo)是使最終燃料的含氧量最小化，同時(shí)使最終含能量最大化。

1.4 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和資源分析

項(xiàng)目研究必須要證明其經(jīng)濟(jì)可行性。一份詳細(xì)的關(guān)于藻類到燃料的研究、發(fā)展、商業(yè)化的評(píng)論是不完整的，它還包括技術(shù)潛在成本的調(diào)查研究。藻類生物燃料產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性高度的依賴于TAG原料的價(jià)格。價(jià)格、產(chǎn)量以及其他因素，將助于確定藻類衍生脂質(zhì)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中的定價(jià)。目前正在探究的三個(gè)生產(chǎn)方案：開放池塘，封閉光生物反應(yīng)器和發(fā)酵（發(fā)酵罐中異養(yǎng)生長(zhǎng)的藻類利用的碳源是糖類而不是CO2）［19］。

再生能源實(shí)驗(yàn)室集中于研究開放跑道式池塘技術(shù)，因?yàn)檫@在藻類生產(chǎn)中被認(rèn)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(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)。這個(gè)過程設(shè)想連續(xù)開放培養(yǎng)藻類，用化學(xué)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(zhì)，然后送到一個(gè)三相離心機(jī)中分離油，水和廢生物量。雖然離心分離一般被認(rèn)為過于昂貴，生物質(zhì)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(jī)規(guī)模，使資本和運(yùn)營(yíng)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(yùn)行成本，因?yàn)檫@省略了生物質(zhì)的干燥。它還省略了純?nèi)軇┑某杀?，脂質(zhì)流可以直接發(fā)送進(jìn)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(chǎn)能產(chǎn)能產(chǎn)熱的甲烷。

微藻能成為高級(jí)生物燃料的原料，是因?yàn)樗纳鷳B(tài)足跡少，這項(xiàng)技術(shù)確使它在干旱、半干旱、鹽堿水或其他不適合農(nóng)業(yè)等生物生長(zhǎng)的地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)。集約管理微藻生產(chǎn)比農(nóng)作物或樹木固定的單位面積CO2多數(shù)倍以上。雖然藻類生物燃料燃燒仍會(huì)產(chǎn)生CO2，微藻融合電廠收集的煙氣可以增加能量同時(shí)CO2的釋放量?jī)H有60％。微藻衍生的材料也可用于其他長(zhǎng)遠(yuǎn)用途，能隔絕CO2。發(fā)電廠的煙氣能提供足夠的CO2進(jìn)行大規(guī)模的微藻養(yǎng)殖。此外，以生物量為基礎(chǔ)，藻類生產(chǎn)燃料的概念，需要從資源遠(yuǎn)景來分析，因此一些挑剔的要求，如CO2、養(yǎng)分、陽光和水，應(yīng)該與它們的實(shí)用性相一致。資源的實(shí)用性對(duì)于藻類生物燃料的發(fā)展是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)器。生產(chǎn)所需的藻類，資源調(diào)查時(shí)許多因素需要考慮。為了大規(guī)模藻類培養(yǎng)，一份關(guān)于資源要求和實(shí)用性的初步調(diào)查已在實(shí)施，注意力主要在氣候、土地、水和CO2上。需要進(jìn)一步的工作來確定最佳條件和地點(diǎn)。

2 未來研究重點(diǎn)

藻類可以大型戶外栽培和收獲。藻脂類可以被提取并轉(zhuǎn)換為生物柴油或其他運(yùn)輸燃料。有關(guān)的問題不是海藻能否生產(chǎn)生物燃料，而是使它們經(jīng)濟(jì)可行從而大規(guī)模生產(chǎn)來滿足人類需求。但是達(dá)到這個(gè)目標(biāo)還存在不少困難。例如，如何提高藻種質(zhì)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(jìn)一步的研究［21］。今后應(yīng)加大基礎(chǔ)及應(yīng)用方面、提高藻類生產(chǎn)力以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)等方面的研究，以確保商業(yè)化的道路順利實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

雖然目前木質(zhì)纖維素是生物燃料生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，但富油且能利用CO2進(jìn)行光合作用的微藻，似乎前景更廣闊。光合微生物生產(chǎn)燃料的的研究和技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代，延續(xù)到今天，興趣和投資在世界范圍內(nèi)迅速升溫。為了收獲獨(dú)立能源與藻類原料安全，需要在藻類生理學(xué)和大量培養(yǎng)方面創(chuàng)新，同時(shí)結(jié)合過程和整個(gè)系統(tǒng)工程，來確保技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。最后，至關(guān)重要的是要考慮這項(xiàng)工作的生態(tài)效益、管理問題、公眾接受度和社會(huì)影響等。

［1］曹昭琪，陳雷.微藻工程固定二氧化碳緩減溫室效應(yīng)［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，30：86-90.

［2］王瓊.第二代生物燃料開辟新能源時(shí)代［J］.石油石化物資采購(gòu)，2009，6：62-63.

［3］Sheehan J T，Dunahay J，Benemann J R.A look back at the US Department of Energy's Aquatic Species Programbiodiesel from algae（1998）.Available at http://govdocs.aquake.org/cgi/reprint/2004/915/9150010.

［4］Roessler P G.Changes in the activities of various lipid and carbohydrate biosynthetic enzymes in the diatom Cyclotella cryptica in response to silicon deficiency［J］.Arch Biochem Biophys，1988，267：521-528.

［5］Roessler P G.Purification and characterization of acetyl-CoA carboxylase from the diatom Cyclotella cryptica［J］.Plant Physiol，1990，92：73-78.

［6］Weissman J C，Tillett D T，Goebel R P.Design and operation of an outdoor microalgae test facility.SERI/STR-232-3569.Solar Energy Research Institute，Golden，CO（1989）.

［7］Hu Q，Sommerfeld M，Jarvis E.Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production：perspectives and advances［J］.The Plant，2008，54：621-639.

［8］Chisti Y.Biodiesel from microalgae［J］.Biotechnol Advances，2007，25：294-306.

［9］Tyson K S，Bozell J，Wallace R.Biomass oil analysis：research needs and recommendations.NREL/TP-510-34796.National Renewable Energy Laboratory，Golden，CO（2004）.

［10］Chisti Y.Biodiesel from microalgae beats bioethanol［J］.Trends Biotechnol，2008，26：126-131.

［11］Pulz O，Gross W.Valuable products from biotechnology of microalgae［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2004，65：625-648.

［12］劉斌，陳大明，游文娟，等.微藻生物柴油研發(fā)態(tài)勢(shì)分析［J］.生命科學(xué)，2008，20（6）：991-996.

［13］Chisti Y.Biodiesel from microalgae beats bioethanol［J］.Trends Biotechnol，2008，26：126-131.

［14］Molina G E，Belarbi E H，Acien Fernandez F G，et al.RecoveryofMicroalgalBiomassand Metabolites：Process Options and Economics［J］.Biotechnol.Adv.，2003，（20）：491-515.

［15］Wang U.Cellulosic Sugar Could Be Next Sweet Investment Greentech Media［EB/OL］.http://www.greentechmedia.com/articles/cellulosic-sugar-could-be-next-sweetinvestment-idea-5042.html，2008-10-22.

［16］林喆，匡亞莉，郭進(jìn)，等.微藻采收技術(shù)的進(jìn)展與展望［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2009，9（6）：1242-1248.

［17］Molina Grima E，Belarbi E H，Acien Fernandez F G.Recovery of microalgal biomass and metabolites：process options and economics［J］.Biotechnol Adv，2003，20：491-515.

［18］Chisti Y.Response to Reijnders：Do biofuels from microalgae beat biofuels from terrestrial plants？［J］.Trends Biotechnol，2008，26：351-352.

［19］Miao X，Wu Q.Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil［J］.Bioresource Technol，2005，97：841-846.

［20］Benemann J，Oswald W.Systems and economic analysis of microalgae ponds for conversion of CO2to biomass.Report prepared for the Pittsburg Energy Technology Center under Grant No.DE-FG22-93PC93204（1996）.

［21］嵇磊，張利雄，姚志龍，等.利用藻類生物質(zhì)制備生物燃料研究進(jìn)展［J］.石油學(xué)報(bào)：石油加工，2007，23（6）：1-5.