利用微藻固定 CO2和生产生物燃料技术的研究进展

任德刚

(中国电力工程顾问集团公司,北京 100120)

利用微藻固定 CO2和生产生物燃料技术的研究进展

任德刚

(中国电力工程顾问集团公司,北京 100120)

介绍了国内外利用微藻固定 CO2和生产生物燃料技术的最新研究和应用情况,指出了存在的问题和主要研究方向,展望了该技术的发展前景。

微藻;CO2固定;生物燃料

植物在进行光合作用时,可吸收 CO2并释放氧气。利用这一原理减排 CO2称为生物吸附。微藻细胞內碳含量超过 50%,每生产 100 t的微藻,就可以吸收 183 t的 CO2[1]。有些微藻的光合作用产物为油脂,可转化为生物柴油;有些微藻能够合成长链烯烃,也具有发展生物燃料的潜力;有些微藻在光合作用时还能生产出更加清洁和高效的能源——氢。微藻遍布全球水体,生长环境简单,不占用可耕地,产量高,产油率高 (20%～70%),不含硫[2],是优质的绿色能源。目前,利用微藻固定 CO2和生产生物燃料结合技术,已成为研究热点。

1 国外研究进展

1.1 美国

1978年,美国启动微藻能源计划,研究以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划因经费精减、藻类制油成本过高而于 1996年中止。2006年 11月,美国绿色燃料科技公司和亚利桑那公众服务公司建立了可与 1040MW电厂烟气相连接的商业化系统,成功地利用烟气中的 CO2大规模光自养培养微藻,并转化为生物柴油和生物乙醇[3-4]。2007年,由美国能源部牵头,宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”,计划在 2010年实现微藻制备生物柴油的工业化。在各项技术全面进展的前提下,将微藻产油的成本降低。2007年 11月,美国国际能源公司开发以微藻为原料生产可再生柴油和喷气燃料,其专有技术使微藻可分离和提取生物油,同时保持产油细胞自身的生长能力,脱去了生物油的微藻重新放入培养液中仍可继续生长,重新积累烃类物质,从而最大限度地减少了生物质的生产时间,提高了烃类的产量[5]。

美国 Diversified能源公司和 XL可再生能源公司共同开发了一个低成本体系,大大降低了生物燃料生产过程中的资本投入及操作维护成本[6]。美国国防部于 2008年底宣布开展微藻生物柴油研究工作,主要目的在于:在 2010年前证实并使基于海藻的生物质燃料能够实现商业化[5]。

美国加州大学等研究人员发现一种叫莱因哈德衣藻 (Chlamydomonasreinhadtii)的绿藻具有持续产氢能力。这种天然藻产氢量很低,每升衣藻水体可以释放 2.0～2.5mL/h的氢气,能维持 24～70 h,随后氢气产生量持续减少。可以通过控制其生长所必需的或障碍生长的关键因素或采用分子遗传技术改造藻的特性提高其产氢能力[8]。

1.2 日本

1990年 -2000年,日本国际贸易和工业部资助了名为“地球研究更新技术计划”的项目。该项目利用微藻来固定 CO2,并开发密闭式光生物反应器,通过微藻吸收火力发电厂烟气中的 CO2生产生物能源。日本一家研究小组从表层海水中获得一种叫Tit-1的海藻新品种,白天它与普通植物一样在光照条件下将 CO2转化为淀粉贮藏起来,在弱光或厌氧条件下将淀粉转化为乙醇[10]。日本把产氢藻和光合细菌的高效产氢列为研究重点。

1.3 其他国家

新西兰 Aquaflow生物经济公司针对微藻生产的生物柴油,进行了世界首次概念验证[7]。2007年3月,以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收电厂烟气中 CO2,将太阳能转化为生物质能新技术,在离电厂烟囱几百米处的跑道池中规模培养海藻,并将其转化为燃料[3]。

荷兰AlgaeLink公司是一家拥有工业化藻类培养设备和藻油加工技术的公司,该公司向全球销售其反应器,并提供相关技术支持。2008年 4月该公司与荷兰航空公司签订了利用藻油开发航空燃油的协议[8]。2008年 5月,西班牙阿利坎特市生物燃料系统公司研制出“生态石油”,称其生态,因为该石油是一种含有纤维和细胞膜中硅的有机物质。该公司下一步的目标是在一年内建立第一个以生态石油为燃料的电厂,装机容量为 30MW[9]。

2 国内研究进展

我国在能源微藻基础研究方面拥有很强的研发力量,众多高校和科研院所承担了多项国家及省部级微藻分类、育种和保存技术研究,拥有一大批淡水和海水微藻种植资源。目前,我国在微藻大规模养殖方面已走在了世界前列。

新奥集团已经完成微藻生产能源实验室和中试规模的工艺技术路线,完成了研发中心试验平台建设与中试示范化工程。在此基础之上,新奥集团将于 2012至 2013年实现微藻生物能源的产业化和盈利,形成可复制的产业化单元技术,实现生物能源产品和高附加值产品的生产[5]。

由上海市科委立项、上海交通大学生命科学技术学院承担的微藻制油项目已取得小试阶段性成果。科研人员正加紧研发既能产出柴油,又能减排CO2的微藻制油新技术,并准备将成果率先应用于治理燃煤电厂废气。中科院与中石化公司联合承担的微藻生物柴油成套技术项目已启动,近期要完成小试研究,2015年前后实现户外中试装置研发,远期将建设万吨级工业示范装置[10]。

3 结语

当前,利用微藻吸收 CO2、制造生物燃料的研究尚处于科研阶段,成本和规模是开发微藻的两大瓶颈问题[11]。主要的研究方向为[11-12]:应用基因改良或遗传育种技术,选育能快速生长的富油和富烃微藻,特别是适应发电厂烟气 CO2浓度高、温度高且含有 SOx、NOx等藻毒素特性的微藻;利用电厂废热,降低藻类植物的干燥成本;开发应用于 CO2高效捕获与微藻生物质快速增殖的低成本光合生物反应器;液化、分离、产氢、热解等与从藻类植物中提取油脂相关的技术研究;藻类养殖排放水再应用及处理;油脂萃取后的副产品再利用。

利用微藻固定 CO2并生产生物燃料,具有重要社会、环境效益。随着研究的深入,微藻生物燃料的成本有望接近或低于石油产品的成本,由此得到大规模应用。

[1]陈国帝,卢文章,白明德,等.大规模藻类培养吸附 CO2探讨[J].永续产业发展(溫室气体管理策略专辑),2008,(41):36-43.

[2]李乃胜.关于发展海藻生物能源的认识与建议[N].科学时报,2009-02-10.

[3]郑言.海洋微藻:化解能源危机的一把“钥匙”[EB/OL].中国新能源网,http://www.newenery.org.cn/html/0096/680927816.html,2009-06-08.

[4]张军.微藻能源探索前行[J].中国科学院国家科学图书馆科学研究检测动态快报(先进能源科技专辑),2008,72(9):6-8.

[5]王春明.美国国际能源公司宣布任命“藻类生物燃料”咨询委员会专家[J].中国科学院国家科学图书馆科学研究检测动态快报(先进工业生物科技专辑),2008,44(11):3-4.

[6]新华网数据库.微藻生物能源简介[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/zgjx/2009-07/16/content_11720337_1.htm,2009-07-16.

[7]Melis A,Zhang L P,ForestriM,et al.Sustained photobiological hydrogen gasproduction upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green algae chlamydomonas reinhardii[J].Plant Physiology,2000,(122):127-136.

[8]MelisA,Happe T.Hydrogen production:Green algae as a source of energy[J].Plant Physiology,2001,(127):740-748.

[9]胡建廷,王延斌,孙明河.海藻制油:能源新曙光[N].科技日报,2008-07-21.

[10]顾永强.微藻制生物柴油前景可期[N].中国经济导报,2009-05-16.

[11]程丽华,张林,陈欢林,等.微藻固定 CO2研究进展 [J].生物工程学报,2005,21(2):177-181.

[12]杨忠华,陈明明,曾嵘,等.利用微藻技术减排二氧化碳的研究进展[J].现代化工,2008,28(8):15-19.

Recent progress on CO2fixation and biofuel production bymicroalgae

The recent progress on carbon d ioxide fixat ion and biofuel product ion by m icroalgae is reviewed.The m ajor obstacles and research direct ion are pointed out.The technology future is forecasted.

m icroalgae;CO2fixation;biofuel

X701.7

B

1674-8069(2010)06-061-02

2010-07-30;

2010-11-02

任德刚 (1969-),男,山东烟台人,硕士,高级工程师,从事火力发电厂设计和管理工作。E-mail:dgren@cpecc.net