微藻生物燃料的远景展望

张姗姗 李金伟

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042）

0 前言

随着石油供应减少，世界范围极大的能源需求对日益减少的能源资源形成激烈的竞争。此外，化石燃料的燃烧导致严重的全球温室气体积累，据报道，全世界每年排放到大气中的CO2约为100亿t［1］，它影响世界经济和人类栖息。生物燃料显示了潜在的前景，可帮助解决能源需求。其中，第二代生物能源应运而生，这类能源的主要特点是单位面积产量高、不占用农业耕地、环境影响小［2］。藻类是制备生物柴油的最佳的生物质原料之一。藻类生物燃料生产的许多方面已引起世界各地研究人员和企业家的关注。这些方面包括：（一）单位面积生产力高；（二）藻类原料是非粮食资源；（三）使用其他非生产性不适耕种的土地；（四）利用各种水源（淡水，半咸水，咸水和废水）；（五）缓解温室气体的释放；（六）能同时生产有价值的副产品。

虽然藻类有巨大潜能取代石油燃料，但是许多领域的技术仍处于初级阶段。在藻类燃料商业化生产前，要解决许多基础和应用研究与开发等方面的问题。为了减低藻类燃料生产成本，我们将对藻类研究做简明的概述，同时描述目前藻类研究与开发的状态。最后，我们将找出一些关键的必须克服的技术壁垒使藻类生物燃料达到经济上可行。

1 藻类生物燃料的前期研究

ASP成功的证明了藻类物种作为油来源的可行性而且还完善了许多重要技术。这些提高是通过藻株分离和生化性质［3］，基因工程［4］，工程学和过程开发［5］，以及户外藻类规模培养示范等［6］。技术经济分析和资源评估是该计划的重要方面，能指导许多重要的科学和技术障碍。虽然ASP取得重大进展，但这个计划被搁置了一段时间。直到最近，藻类的关注急剧增加，现在许多国家都在开展这一研究。

微藻包括各种各样的光合微生物，能够固定大气中的二氧化碳来有效生产生物而且速度比陆地植物更快。许多藻株已被证明在实验室生产超过50％生物量的是脂类［7］，其中大部分是三酰基甘油类。三酰基甘油类是高能量密度燃料（如生化柴油，绿色柴油，绿色煤油和绿色汽油）的期望原料。脂类含量随着生长条件［8］的不同其数量和质量也不同。

现实中传统油料作物生物燃料的发展还不能满足运输用燃料［9］的需求。除去脂质成分，剩余的生物量也可以用来生产能量，更多的液体气体燃料，或更高价值的副产物。藻类生物燃料比从玉米等油料作物中获取的生物柴油的希望高，而且比纤维质乙醇［10］的可能性还高。

1.1 海藻养殖和收获

目前微藻并没有进行商业化生产。只有少量（约5000～100000t的全球藻类生物量）是商业生产，主要用于生产高价值，低量补充食物和营养保健品［11］。微藻生物柴油成套技术涵盖多个技术环节，是一个复杂的系统工程，包括微藻的筛选和培育，获得性状优良的高含油量藻种，在光生物反应器中吸收阳光、CO2等，生成微藻生物质，最后经过采收、加工，转化为微藻生物柴油［12］。

藻类培养使用开放式和封闭系统。无论哪种都需要高资金的投入。封闭光反应器的建造更昂贵，但目前并没有大幅度降低成本的方法。反应器技术不成熟，许多不确定因素需要继续研究。针对开放和封闭培养系统的问题，如反应器材质，混合，优化栽培规模，加热/冷却，蒸发，氧气的积累，操作和CO2等，在一定程度上已审议并探讨，待详细的大规模实验后会有明确答案。

产业化生产藻类，需要筛选菌株和确定菌种条件，以快速生产高脂肪含量的生物量。微藻可茁壮成长的环境条件范围很广，但相比陆地作物，它的生长条件较为有限。在高的太阳辐射下，藻类生产率的理论最大值为100g/m2.d。开放池塘比封闭光反应器下降了20～30g/m2.d，开放式天然池塘的高峰生产能力接近50g/m2.d［13］。封闭光生物反应器可以提高生产力，因为它的表面对体积比更高。

有资料表明，微藻采收的成本占其养殖成本（包括培养和采收）的20％～30％［14］。目前以微藻为原料的生物柴油生产成本极高，要想取代传统的化石能源，必须大幅降低其生产成本（有90％以上的降低空间［15］），而采收是一个重要的环节。在微藻采收、脱水和干燥作业上可节省99.75％以上的费用［16］。因此，寻求一种高效率、低成本的采收方法是当前亟需解决的问题.在此情况下，最有前途的低成本的方法是，利用重力沉降——絮凝可能增强无化学絮凝剂的效益［17］。使用小数额的化学絮凝剂，以帮助这一进程来实现成本效益。然而，重大工程的研究工作旨在发展我们需要的有效的藻类采收技术。

1.2 海藻油的提取

原油采收采用的程序对于藻类细胞和含油植物种子的要求是不同的。藻类采油最可能的技术是涉及某种形式的溶剂萃取（如正己烷，超临界CO2流体萃取，超声等）。涉及干重的操作过程不太经济，因为它涉及能量输入，与藻类料浆等相关的操作是优先的［18］。一旦藻油回收，下游处理成生物柴油或绿色柴油将会顺利进行，虽然燃料转换可能存在并发症如由藻类种群和气候变化引起的总脂质含量差异（即三酰基甘油类、磷脂质和糖脂间相对水平）。就整个生物燃料产品的经济来说无机养分的成本并不是个沉重负担，能源投入才显著［18］。作为生物燃料整体经济的一部分还必须考虑副产品。藻类废水处理可以获得大量的副产品，剩余的生物质可转化为能源（通过燃烧，热解，或乙醇发酵）、价值较高的动物饲料，兽医营养保健品等。如果有可能，藻类生物质中的无机营养应该再循环到培养系统中来实现流程最大效率。

1.3 藻类燃料产品

历史上，藻类燃料产品的重点一直在高能脂质方面。微藻油含有脂肪酸和甘油三酯化合物，就像陆地上的种子油，使用传统技术可以转化为醇酯确（即生物柴油）。除此之外还有很多途径来优化反应，因为饲料组成和下游处理要求不同。

另外，油可以通过催化加氢过程生产可再生或绿色柴油产品。植物油和废动物脂只能处理有限的石油变为再生性燃料。若汽油，航空煤油，柴油的原料是生物的它们一般被认为是可再生的或绿色的，它们本质上是原油经过相同的化学解析而来。石油衍生燃料的主要特征是含氧量接近零。与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。成为可再生性汽油、航空煤油和柴油的首要目标是使最终燃料的含氧量最小化，同时使最终含能量最大化。

1.4 技术、经济和资源分析

项目研究必须要证明其经济可行性。一份详细的关于藻类到燃料的研究、发展、商业化的评论是不完整的，它还包括技术潜在成本的调查研究。藻类生物燃料产品的经济性高度的依赖于TAG原料的价格。价格、产量以及其他因素，将助于确定藻类衍生脂质在竞争激烈的市场中的定价。目前正在探究的三个生产方案：开放池塘，封闭光生物反应器和发酵（发酵罐中异养生长的藻类利用的碳源是糖类而不是CO2）［19］。

再生能源实验室集中于研究开放跑道式池塘技术，因为这在藻类生产中被认为是最符合成本效益的选择。我们使用奥斯瓦德等［20］提出的低资本成本的过程模型作为技术经济分析的基础。这个过程设想连续开放培养藻类，用化学絮凝剂浓缩生物量。生物量悬浮液用热柴油提取来回收脂质，然后送到一个三相离心机中分离油，水和废生物量。虽然离心分离一般被认为过于昂贵，生物质浓缩使用絮凝剂将减少大约100倍的处理水量，从而减少离心机规模，使资本和运营成本降低至可接受的水平。提取生物量悬浮液的步骤中使用热柴油，也降低了运行成本，因为这省略了生物质的干燥。它还省略了纯溶剂的成本，脂质流可以直接发送进行生物燃料加工。在此工艺配置中，废生物量被送到厌氧消化池中生产能产能产热的甲烷。

微藻能成为高级生物燃料的原料，是因为它的生态足迹少，这项技术确使它在干旱、半干旱、盐碱水或其他不适合农业等生物生长的地区进行生产。集约管理微藻生产比农作物或树木固定的单位面积CO2多数倍以上。虽然藻类生物燃料燃烧仍会产生CO2，微藻融合电厂收集的烟气可以增加能量同时CO2的释放量仅有60％。微藻衍生的材料也可用于其他长远用途，能隔绝CO2。发电厂的烟气能提供足够的CO2进行大规模的微藻养殖。此外，以生物量为基础，藻类生产燃料的概念，需要从资源远景来分析，因此一些挑剔的要求，如CO2、养分、阳光和水，应该与它们的实用性相一致。资源的实用性对于藻类生物燃料的发展是一个重要的驱动器。生产所需的藻类，资源调查时许多因素需要考虑。为了大规模藻类培养，一份关于资源要求和实用性的初步调查已在实施，注意力主要在气候、土地、水和CO2上。需要进一步的工作来确定最佳条件和地点。

2 未来研究重点

藻类可以大型户外栽培和收获。藻脂类可以被提取并转换为生物柴油或其他运输燃料。有关的问题不是海藻能否生产生物燃料，而是使它们经济可行从而大规模生产来满足人类需求。但是达到这个目标还存在不少困难。例如，如何提高藻种质量；如何有效收集藻体，降低采收成本；如何降低能耗等都有待进一步的研究［21］。今后应加大基础及应用方面、提高藻类生产力以及经济技术等方面的研究，以确保商业化的道路顺利实现。

3 结论

虽然目前木质纤维素是生物燃料生产的领跑者，但富油且能利用CO2进行光合作用的微藻，似乎前景更广阔。光合微生物生产燃料的的研究和技术开始于20世纪80年代，延续到今天，兴趣和投资在世界范围内迅速升温。为了收获独立能源与藻类原料安全，需要在藻类生理学和大量培养方面创新，同时结合过程和整个系统工程，来确保技术和经济可行性。最后，至关重要的是要考虑这项工作的生态效益、管理问题、公众接受度和社会影响等。

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