王慧嶺 劉敏勝（新奧科技發(fā)展有限公司，廊坊 065000）

微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化若干問(wèn)題的思考

王慧嶺 劉敏勝（新奧科技發(fā)展有限公司，廊坊 065000）

王慧嶺，生物工藝工程師，主要研究方向?yàn)槲⒃鍛敉怵B(yǎng)殖、污染治理、回水利用、工藝控制等規(guī)?；B(yǎng)殖工藝研究，搭建了新奧首個(gè)微藻流動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，并在美國(guó)杜克電廠順利完成電廠煙氣、廢水微藻現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)殖測(cè)試實(shí)驗(yàn)，完成內(nèi)蒙古鄂爾多斯達(dá)拉特旗微藻固碳中試項(xiàng)目，成功將煤化工產(chǎn)生的二氧化碳及廢水用于微藻養(yǎng)殖，在微藻養(yǎng)殖方面形成藻種保存、藻種快速擴(kuò)培、微藻養(yǎng)殖、二氧化碳煙氣利用、污染防控、養(yǎng)殖工藝動(dòng)態(tài)調(diào)控、回水利用、質(zhì)量控制等成套養(yǎng)殖工藝，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5年。

E-mail:wanghuiling@enn.cn

CHISTI Y.Biodiesel from microalgae.Biotechnology Advances, 2007, 25(3): 294-306.

李元廣, 譚天偉, 黃英明.微藻生物產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的若干科學(xué)問(wèn)題及其分析.中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué), 2009, 5: 64-70.

通過(guò)總結(jié)新奧在微藻生物能源規(guī)?；B(yǎng)殖過(guò)程中獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，分別從規(guī)?；B(yǎng)殖藻種篩選、養(yǎng)殖反應(yīng)器、敵害生物的防治、碳源、水等方面進(jìn)行了思考。

微藻具有光利用效率高、可直接利用二氧化碳煙氣、油脂含量高等特性1，以微藻為原料的第三代生物燃料，吸引了全世界的目光。經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)微藻生物能源技術(shù)研發(fā)已處于國(guó)際前列。目前，我國(guó)已擁有一批微藻生物能源中試和產(chǎn)業(yè)化示范系統(tǒng)，但是未能建立完善的產(chǎn)業(yè)化需求和基礎(chǔ)科研技術(shù)支撐的關(guān)系，基礎(chǔ)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化之間有一定脫節(jié)。在現(xiàn)今國(guó)際油價(jià)大幅下跌的環(huán)境下，微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化仍待時(shí)日，更需要基礎(chǔ)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化緊密結(jié)合，快速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。新奧集團(tuán)在前期微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)過(guò)程中，獲得了不少經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在這里與大家討論分享。

1 面向能源產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化藻種性能需求

近年來(lái)，我國(guó)在微藻生物能源領(lǐng)域布局了多個(gè)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化示范研究的科研項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都篩選了大量的能源微藻藻株，但實(shí)際情況是前期篩選的能源藻株并未真正應(yīng)用于規(guī)?；哪茉次⒃迮囵B(yǎng)。微藻能源是否能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，藻種是關(guān)鍵，目前對(duì)產(chǎn)業(yè)化能源微藻藻種的性能需求，主要以抗敵害生物污染能力、生長(zhǎng)速度快、胞內(nèi)油含量高為評(píng)價(jià)指標(biāo)2。雖然普遍將“抗敵害生物污染能力”放在藻種性能的首位，但是對(duì)藻種的評(píng)價(jià)主要集中在生長(zhǎng)速度和胞內(nèi)油含量這兩個(gè)方面，且?guī)缀跞垦芯考性趯?shí)驗(yàn)室，絕大部分藻株在室外的規(guī)模化養(yǎng)殖中難以表現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖的高性能。

面向能源產(chǎn)品的微藻性能，必須考慮以下幾個(gè)方面。

①目前對(duì)能源藻株測(cè)評(píng)最重要的是在實(shí)驗(yàn)室批式養(yǎng)殖條件下，對(duì)比測(cè)量藻株干重濃度日增量。而生產(chǎn)微藻生物能源，微藻在不同光強(qiáng)下，尤其是室外光強(qiáng)下的光能利用效率最為重要，也就是生長(zhǎng)的生物質(zhì)所含的能量與輸入的光能的比值。不同藻株、同一藻株不同養(yǎng)殖時(shí)期，其生物質(zhì)熱值差異很大（16～44kJ/g），生物質(zhì)干重的變化難以準(zhǔn)確反映能源轉(zhuǎn)化效率。單一光強(qiáng)下的光利用效率，也很難反映藻株在室外養(yǎng)殖變光條件下的光能利用效率。因此，需要重點(diǎn)測(cè)評(píng)藻株在不同光強(qiáng)下對(duì)光能的利用效率。

②明暗循環(huán)尺度。毫秒級(jí)的明暗循環(huán)，有利于提高微藻的光利用效率。不同藻株的明暗循環(huán)尺度為10～1000ms，差異非常大。明暗循環(huán)尺度越大，相對(duì)來(lái)說(shuō)耐受強(qiáng)光的能力越強(qiáng)。明暗循環(huán)尺度的大小也決定了反應(yīng)器混合的強(qiáng)度，明暗循環(huán)尺度越大對(duì)攪拌混合的需求越小，規(guī)?；B(yǎng)殖成本越低。

③溫度耐受性。藻株適應(yīng)的溫度范圍越大，其地域和季節(jié)適應(yīng)性越強(qiáng)，適宜養(yǎng)殖范圍潛力越大，這對(duì)室外不同季節(jié)、不同天氣養(yǎng)殖非常有利。

④pH值耐受性。能夠耐受極端pH值的藻株，是非常有利于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的。通常螺旋藻的養(yǎng)殖，隨著碳酸氫鈉中碳源的消耗，pH值很容易從7提升到10，既有利于養(yǎng)殖操作的簡(jiǎn)便性，更有利于抑制敵害生物的滋長(zhǎng)。因此，藻株能適宜較廣泛的pH值范圍，規(guī)模化養(yǎng)殖過(guò)程污染治理難度會(huì)相對(duì)降低。

⑤敵害生物去除。這里沒(méi)有表述為“耐受敵害生物”是因?yàn)槿魏卧逯甓紩?huì)有敵害生物，不存在藻株天然可以抵抗所有敵害微生物，如螺旋藻是利用pH值的劇烈變化抑制敵害生物。而一般殺滅原生動(dòng)物、細(xì)菌、霉菌的化學(xué)試劑，往往對(duì)藻的生長(zhǎng)也有較強(qiáng)的抑制。因此，藻株對(duì)治理用敵害生物的化學(xué)生物試劑的耐受性強(qiáng)弱非常重要，耐受性越強(qiáng)，常規(guī)污染治理越容易。同樣，物理去除敵害生物的方法，也與藻株的生理生化特性息息相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，細(xì)胞個(gè)體越大，原生動(dòng)物敵害的影響相對(duì)會(huì)減少。這些對(duì)于微藻室外規(guī)?；B(yǎng)殖非常重要。

⑥最短倍增時(shí)間。最短倍增時(shí)間短，并不代表其在規(guī)?；B(yǎng)殖中生長(zhǎng)速度快，更不代表光利用效率高。但是倍增時(shí)間越短的藻株，其養(yǎng)殖擴(kuò)種速度會(huì)越快，有利于生產(chǎn)放大。

⑦鹽度耐受范圍。這一點(diǎn)對(duì)于海水藻和鹽藻尤為重要，藻株必須能應(yīng)對(duì)鹽度短期內(nèi)較大范圍變化，否則在規(guī)?；瘧敉怵B(yǎng)殖很可能因?yàn)榻涤昊蛘舭l(fā)導(dǎo)致鹽度變化而影響生產(chǎn)養(yǎng)殖。

⑧剪切力的耐受性。規(guī)模化養(yǎng)殖中的接種、采收，均需要用到機(jī)械化設(shè)備，藻株不能耐受一定機(jī)械剪切力，輸送設(shè)備的選擇會(huì)受到制約，生產(chǎn)成本增加。對(duì)于管道式反應(yīng)器等依賴于養(yǎng)殖液體輸送的系統(tǒng)，藻株對(duì)機(jī)械剪切力的耐受是核心因素。

⑨油脂積累時(shí)間。很多藻株，在綠色增殖階段生長(zhǎng)迅速，但是后期缺氮積累油脂需要很長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)于微藻能源生產(chǎn)非常不利。能同步積累或短期內(nèi)快速積累油脂的藻株，有利于降低養(yǎng)殖成本。

綜上所述，產(chǎn)業(yè)化藻種的性能需求和評(píng)價(jià)，不是單一因素決定的，一定是根據(jù)生產(chǎn)需求綜合考量的結(jié)果，任何一個(gè)因素的短板，都可能制約該藻株的產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖。

2 規(guī)?；B(yǎng)殖反應(yīng)器

目前，微藻養(yǎng)殖的反應(yīng)器主要為兩種。一種是開(kāi)放式反應(yīng)器，主要以傳統(tǒng)的跑道池為主及其衍生出的各種形式的反應(yīng)器，混合形式主要以攪拌槳和曝氣為主。開(kāi)放式反應(yīng)器是目前規(guī)?；瘧?yīng)用最廣的一種養(yǎng)殖體系，產(chǎn)量低、易發(fā)生污染、可控性差是其突出的問(wèn)題，但是其成本低、可規(guī)?；瘡?fù)制、操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)等產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價(jià)值是目前其他反應(yīng)器望塵莫及的。另外一種為封閉式反應(yīng)器，主要以高產(chǎn)、污染相對(duì)較小、工藝過(guò)程相對(duì)容易控制等優(yōu)勢(shì)受到很多研究機(jī)構(gòu)的大力追捧，但是生產(chǎn)成本高昂、操作復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)難度大成為制約其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。產(chǎn)業(yè)化反應(yīng)器的需求一定是和產(chǎn)品結(jié)合的，如果產(chǎn)品追求的是質(zhì)量，傳統(tǒng)的開(kāi)放式系統(tǒng)將很難實(shí)現(xiàn)，如果產(chǎn)品追求的是低成本化，則封閉式系統(tǒng)亦無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和成本將兩者有效結(jié)合。從目前的實(shí)際情況來(lái)看，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，跑道池養(yǎng)殖仍然是最為經(jīng)濟(jì)的能源微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)。

3 規(guī)?；B(yǎng)殖中敵害生物的防治

決定微藻規(guī)?；B(yǎng)殖的成敗最核心的問(wèn)題是敵害生物的污染防治，目前已有的防治措施基本上是靠藻種自身的特性來(lái)進(jìn)行污染控制，如螺旋藻通過(guò)高pH值、杜氏鹽藻通過(guò)較高鹽度、小球藻通過(guò)快速生長(zhǎng)控制污染。但是對(duì)于自身不具有較強(qiáng)的抗污染性能的藻種在規(guī)?；B(yǎng)殖中要以防為主，防治結(jié)合。首先可以通過(guò)控制養(yǎng)殖系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)濃度，保持藻種活性，減少污染發(fā)生的頻率。另外，發(fā)生污染后，根據(jù)藻種和污染物種的特性可以有選擇地運(yùn)用物理、化學(xué)及生物學(xué)方法進(jìn)行治理，并盡可能減少對(duì)微藻本身的損傷。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際養(yǎng)殖中的可操作性及對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量影響，綜合考慮，選擇適合的污染治理方法。

4 碳 源

可用于微藻養(yǎng)殖的碳源主要分兩類。一類為有機(jī)碳源，以糖類、油脂、有機(jī)酸為主要來(lái)源，如利用葡萄糖進(jìn)行小球藻的異養(yǎng)培養(yǎng)，但是利用有機(jī)碳源生產(chǎn)能源產(chǎn)品，從經(jīng)濟(jì)和能耗上并不合適，因此在能源微藻培養(yǎng)過(guò)程中，利用有機(jī)碳源的可能性較小，有機(jī)碳源可作為微藻生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的碳源使用。第二類為無(wú)機(jī)碳源，其中一種是碳酸鹽（主要以碳酸鈉和碳酸氫鈉為主），廣泛用于螺旋藻養(yǎng)殖，碳酸鹽在養(yǎng)殖體系中往往容易出現(xiàn)pH值高，導(dǎo)致生長(zhǎng)緩慢或產(chǎn)品灰分超標(biāo)等一系列問(wèn)題，且成本較高。因此，在能源微藻的培養(yǎng)過(guò)程中，只能利用工廠排放的CO2氣體作為碳源降低微藻生產(chǎn)成本的同時(shí)與CO2固定相結(jié)合。目前可供微藻使用的CO2氣源主要有3種，一種是以電廠廢氣為代表的低CO2含量氣體，該類氣體一般可直接通入養(yǎng)殖體系，在提供碳源的同時(shí)可提供部分混合動(dòng)力，對(duì)這類氣體的利用必須要求附近有較大面積的土地可供養(yǎng)殖微藻；一種是以煤化工為代表的高純CO2氣源，該類氣體需以一定流量、一定比例或間歇通氣的形式通入養(yǎng)殖系統(tǒng)，受地域的影響相對(duì)較小，必要情況下可壓縮進(jìn)行短距離運(yùn)輸或管路輸送；一種是發(fā)酵工廠尾氣中的CO2，該氣源清潔，一般無(wú)需處理可以直接用于微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)。

5 養(yǎng)殖用水

規(guī)?；B(yǎng)殖用水主要分兩個(gè)部分，一次用水（即培養(yǎng)初期需加入養(yǎng)殖體系中的水）和蒸發(fā)補(bǔ)水（即養(yǎng)殖系統(tǒng)每天蒸發(fā)損失的水）。如果每次采收后就更換新鮮培養(yǎng)基，一次用水的需求量將非常大，因此在微藻規(guī)?；B(yǎng)殖過(guò)程中必須考慮養(yǎng)殖回水利用，采收后的清液可以通過(guò)氧化、過(guò)濾、吸附等手段，將其中對(duì)微藻生長(zhǎng)有明顯抑制作用的物質(zhì)去除，再輸回到養(yǎng)殖系統(tǒng)重新利用。微藻養(yǎng)殖過(guò)程中真正大量消耗水資源的是蒸發(fā)，新奧內(nèi)蒙古養(yǎng)殖基地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古全年平均日蒸發(fā)量是0.7cm，假設(shè)開(kāi)放式養(yǎng)殖系統(tǒng)目前最高產(chǎn)量為20g/ （m2·d），則意味著生產(chǎn)1噸藻粉要消耗至少350噸的水，這對(duì)于西部地區(qū)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)嚴(yán)峻的問(wèn)題，因此在水資源缺乏的西部地區(qū)養(yǎng)殖系統(tǒng)需考慮節(jié)水措施，減少蒸發(fā)，同時(shí)要權(quán)衡與溫度控制之間的平衡關(guān)系?？傊谖⒃屦B(yǎng)殖中，水是至關(guān)重要的，要盡可能減少蒸發(fā)、加強(qiáng)水循環(huán)利用，并結(jié)合廢水利用相互補(bǔ)充，解決微藻養(yǎng)殖過(guò)程中的用水需求。

微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化需要關(guān)注的環(huán)節(jié)，遠(yuǎn)不止上述幾方面，畢竟全球還沒(méi)有微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。希望我國(guó)微藻生物能源領(lǐng)域相關(guān)的科研院所、企業(yè)聯(lián)合起來(lái)，建立實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，共同推進(jìn)我國(guó)微藻生物能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.002