藻类:未来能源希望之光

□冯普凌

生物燃料在实验研究和工业化领域中，都取得了引人注目的长足进展。但是，原油价格波动影响着生物燃料的市场。同时，以粮食作物为原料的第一代生物燃料和以非粮食作物为原料的第二代生物燃料，其初期投资会与粮食作物和土地成本价格的上升发生冲突。因此，以藻类为原料的第三代生物燃料，成为全球现在关注的热点。目前，藻类生物燃料还未实现商业化，但有一些装置正在建设。

藻类生物柴油受关注

第一代生物燃料（如生物乙醇）的原料是粮食作物，由于世界人口的不断增长，可能会引发粮食短缺或粮价上涨，这将会给原料来源带来挑战。

第二代生物燃料的原料是非粮食作物的生物质废料，如玉米或小麦的茎、柳枝稷和木材废料等。第二代生物燃料（如纤维质乙醇）是将生物质废料合成液体燃料。第二代生物燃料不涉及与人类粮食需求发生冲突的问题，但却面临生物质废料的收集和处理等新难题。

第三代生物燃料以藻类为原料，可弥补前两代生物燃料的缺陷。藻类可在新鲜水域或海洋环境中快速成长，将可自由利用的能源阳光、水和二氧化碳，转化为存储于藻类细胞脂质中的化学能，这些脂质可从藻类细胞中提取出来，合成生物燃料。从藻类提取出的脂质可转化为汽车用生物柴油，或用于喷气发动机的可再生柴油。藻类生物燃料无须改变目前市场上汽车发动机的现有基础结构，且使用中排碳量低，无须大面积的原料生产基地。

藻类生物燃料中最受关注的是生物柴油。生物柴油的定义为长链脂肪酸烷基醚，原料是可再生能源，如蔬菜油、动物脂肪，有时还可使用烹调油。生物柴油可完全燃烧，可生物降解，无毒，具有无须添加硫和芳烃的潜在可能性。生物柴油不属于石油，却可以任何比例与石油燃料混合使用，可用于压燃式发动机，即柴油机，并且基本无须对发动机进行改动。

生产优势明显

多数生物燃料的原料，如水生生物、农作物、林产等，可生产生物天然气、生物氢、生物乙醇、生物油和生物柴油。这些生物燃料与化石燃料的燃烧过程相似，都是固定碳被转化为二氧化碳，所以同样存在碳循环的问题。另外，由于原料使用的是生物质，使自然资源过度消耗的问题日益严重。而藻类生物燃料对环境和土地的压力较轻。

2002～2007年，全球生物柴油的生产能力以每年至少50%的速度增长。另外，生物柴油的迅猛发展也体现在产地分布的变化上。2005年，83%的生物柴油产于欧洲，其次是北美洲和亚洲，分别为8%和4%。而到了2007年，欧洲、北美洲和亚洲的份额则分别为55%、21%和15%。据预测，到2012年，欧洲的份额将下降到48.5%，依然名列第一，亚洲将上升到第二位，占20.2%，排名第三的北美洲占19.6%。

生物柴油代替化石柴油，并不存在重大的技术限制，而是受农作物油、动物脂肪等可用原料的限制以及用于生产原料的可耕种土地的限制。

为了减少石油进口，解决能源独立性的问题，美国投入大量资金生产生物柴油，用于交通能源。生物柴油占领交通能源市场，需要极大的产量满足需求。如果采用农作物油或是动物脂肪等原料，则需要大量土地，这将造成很大困难。而微藻为生物柴油的发展带来了希望。据分析，美国可利用1%到3%的播种土地养殖微藻，以满足该国50%的交通能源需求。

除了土地方面的优势，藻类的另一个优点是生长迅速。通过研究发现，无论在任何地方，微藻都可以在4～24小时内，使其生物质成倍生长。基于物种、生长条件和其他因素，微藻中的油成分在20%到80%之间。具有高含油量的微藻，更能满足生物柴油的生产需要。

企业加大投入优化工艺

为了解决高额成本带来的难题，各大公司的工艺优化项目正在进行当中。一些大型石油公司如埃克森美孚、Chevron和BP已宣布投资进行研发，并与一些创业集团和大学实验室开展合作。其中最大的一个项目是，埃克森美孚于2009年7月作出的6亿美元投资，该公司与基因学家Craig Venter 创办的Synthetic Genomics公司开展合作。

藻类培植方法分为光合藻和异养藻两种。目前，多数公司致力于光合藻工艺的研究。利用该工艺，藻类可将二氧化碳和阳光转化为化学能，然后转化/储存为脂质或油。光合藻可在开放式池塘或是光—生物反应器中生长。异养藻是一种可替代工艺，可在发酵罐中利用糖或植物材质等固定碳资源生长，可在阳光下以极高的效率将这些资源转化为脂质。

一些企业利用开放式池塘进行藻类培植，包括Aurora生物燃料公司在美国佛罗里达州建设的试点项目。HR Biopetroleum公司与壳牌公司的合资企业Cellana公司是藻类生物燃料的创始者，在美国夏威夷建立开放式池塘试验厂。美国Livefuels公司正致力于绿色资源与现有炼油基础设备一体化的研究。美国PetroAlgae公司正在建立藻类培植实验基地。美国PetroSun公司计划开发藻类盐水池塘。其他还有不少在开放式池塘培植光合藻的企业。

还有一些企业利用光—生物反应器等封闭式系统培植藻类。加拿大Valcent公司在美国得克萨斯州的EI Paso建立了试验装置，研发出一种封闭式循环操作的高密度立式光—生物反应器。美国Sapphire Energy公司正致力于生产可再生汽油。Solix Biofuels公司在美国科罗拉多州的FortColins建立试验装置，进行用可扩展型封闭式光—生物反应器生产生物燃料的研究。美国OriginOil公司正在开发螺旋式生物反应器，在螺旋部分安置了低能光；OriginOil公司与Desmet Ballestra公司开展合作，将试验厂的小试规模扩大为中试规模。美国Algenol Biofuels公司采用三角式光—生物反应器，以微藻为原料生产乙醇。

美国Solazyme公司开发出一种新型异养藻工艺，通过改变微藻基因，利用糖、蔗糖或葡萄糖等固定碳资源，使微藻在黑暗的环境下生长。这种方法不需要阳光，以大型不锈钢容器代替了大面积的开放式池塘或大量玻璃/塑料管，使工艺过程简化。另外，研究者发现，这种在黑暗环境中生长的异养藻，其生长密度可大于光合自养藻的1000倍。

制定标准规范市场

美国制定了生物燃料行业标准ASTM D 6751，欧洲制定了生物燃料行业标准EN 1421，燃料级生物柴油必须符合这些国家和地区的相应标准，以确保燃料性能。如果生物柴油与石油燃料混合使用，那么必须对混合比例进行标注，例如B40，表示生物柴油占40%，石油燃料占60%。美国新可再生燃料法，特别指出藻类生物燃料需遵循可再生燃料标准中纤维质生物燃料的相关规定。另外，美国还将向藻类生物燃料生产商提供优惠政策，每加仑的藻类生物燃料享受1.01美元的所得税减免。

虽然到目前，藻类生物燃料还处于起步阶段，但政府的政策法规将大大推动藻类生物燃料的工业化，众多公司的研究与实践也将有力促进其商业化。