绿色可再生能源——微藻的开发与利用

陈剑秋

（福州东方曙光科技有限公司，福建 福州350009）

1 引言

生物质能源作为一种来源广泛的可再生资源，对于缓解化石燃料短缺危机，减少环境污染和维持生态平衡具有重要的作用，发展生物质能源已成为“后石油时代”世界能源发展战略性转变的方向。生物质能源发展经历了以传统油料作物和农林废弃物为原料生产乙醇、纤维素乙醇和生物柴油的阶段，其较高的原料成本及“与粮争地、与人争粮”弊端，限制了生物燃料的进一步推广和应用。微藻因其独特的优势被视为新一代，甚至可能是唯一能够取代石化柴油的绿色可再生生物能源。

2 利用微藻开发绿色可再生能源的优势

微藻是最古老的单细胞或群体的低等植物，含有叶绿素a，光合效率很高，每年固定的CO2占全球净光合总量的40%，在生态系统的能量转化和碳素循环中起着举足轻重的作用。目前已发现的微藻有2万多种，广泛分布于各种生态环境中，具有生长方式、系统发生、遗传和表型、生物功能等方面的多样性，其代谢产物也极其丰富，能通过生物转化和后加工形式形成各种类型的生物能源，尤其是某些微藻单位面积的产油量约是陆生能源植物的30倍，被认为是最具有开发和利用价值的可替代能源，具有许多无可比拟的优势。

（1）易培养，成本低。微藻多生长于水体中，容易适应环境，营养需求简单，可直接转化和利用CO2、无机盐、有机废水等，可利用海滩、盐碱地和荒漠等土地进行大规模高密度的工业化生产，成本较低。

（2）效率高，易转化。微藻繁殖快，生长周期短，7～8d即可收集，油脂含量极高，整个藻体可用于热解化，且热解化难度较低，所获得的热解生物油具有较高的热值、密度和粘度，燃油的品质与化石燃油相当，其应用不需要改变汽车、飞机等发动机结构和能源分配方式。

（3）产品附加值高。微藻代谢产物多样且丰富度高，除了极高的油脂之外，还富含微量元素，能生产如EPA、DHA、虾青素、胡萝卜素、多糖、凝集素、蛋白质等多种生物活性物质，在食品、医药、化工等方面有重要应用前景，这些高附加值产品的综合利用有力地促进了微藻生物能源的产业化进程。

（4）环境友好。微藻能吸收并有效利用工农业生产中排放出的大量二氧化碳及氮化物，而且微藻生物燃料在生产和使用过程中不增加二氧化碳，具有维持碳平衡作用；微藻还能消耗水体环境中的N、P等营养元素以及吸附重金属，对水体环境有一定的净化作用，是很好的治污生物［1］。

（5）开发实力强，可带动关联产业的结构升级。我国海洋面积辽阔，微藻种质丰富，微藻基础研究开发实力较强，长期以来积累了大量的微藻研究开发经验和相关技术，大规模养殖藻类已走到世界前列。微藻生物能源产业可以和发电厂、炼钢厂、水泥厂、化工厂等大型工业联合起来，形成一个全新的、良性的、以“低碳循环”为特征的绿色经济产业模式。

3 利用微藻开发绿色可再生能源的技术研究

目前，利用微藻开发绿色可再生能源的研究主要有：利用微藻吸收烟气中的CO2以生产高附加价值的生物质能源及控制温室气体；绿藻可逆产氢酶产氢；蓝藻固氮酶产氢；微藻产烃；厌氧发酵微藻制取甲烷和富脂微藻生产生物柴油等；藻渣可以用来生产动物饲料、有机肥料和甲烷等。相关技术的关键环节主要包括以下几个方面。

3.1 能源藻种的选育

优选出大量优良的微藻品种是发展绿色可再生能源的首要前提。已筛选出的微藻品种主要有斜生栅藻、葡萄藻、盐生杜氏藻、小球藻、高山组囊藻、网翼藻属、灰色念珠藻、固氮蓝藻等，其中葡萄藻因其烃类物质可占干重75%，最有可能成为工业化产烃的藻种［2］。对微藻脂肪酸报道较多的是小球藻、球等鞭金藻、三角褐指藻、硅藻、扁藻等。

3.2 能源微藻的培养

能否大规模培养是制约微藻产业化的重要因素之一。微藻的培养方式主要有自养、异养和混合营养培养。自养培养采用开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器，开放式光生物反应器技术简单且投资低廉，但培养条件不稳定、易污染，多用于经济藻类的大规模培养；封闭式光生物反应器的培养环境易调节但成本较高，多用于生产一些高附加值的微藻［3］。异养培养的微藻总脂含量有所增加，但氧气的供应是其限制因子，目前多采用传统的发酵装置进行培养。选择适合的有机碳源进行混合营养培养不仅可提高藻细胞的生物量，而且有利于油脂积累，因此只要能保证净能比大于1，混合培养的方式也是切实可行的［4］。

3.3 微藻的采收

微藻的采收方法有离心法、气浮法、超滤法、絮凝法等，比较可行的是气浮法（泡沫分离法）。通过调节pH值、增大回流比、延长溶气时间和接触停留时间等操作参数，可以简便、安全、高效地从培养液中采收微藻细胞。将微藻的规模培养、连续补碳、气浮采收集成在一起，可实现微藻培养的集约化、自动化、低成本和规模化生产；将微藻细胞溶剂化补碳与气浮法采收相耦合，操作方便，放大容易，适宜于工业化高效培养和收集；利用孔径为20nm的中空纤维陶瓷膜浓缩采收与分离藻细胞也具有很大的优势［5］。

3.4 微藻的生物炼制

通过转酯化反应制备微藻生物柴油有化学催化法、超临界流体催化法和生物酶法。其中，化学催化法反应时间短、工艺也较为成熟，但催化成本较高；超临界流体催化法产率高、萃取和反应耦合，但前期设备投资费用较高，操作复杂，工业化生产困难重重；生物酶法反应条件温和、设备简单、成本较低，但酶易失活，产业化难度较大［6］。微藻可逆产氢酶两步法间接光水解制氢的研究有所突破，但距实用化还有相当大的距离，对产氢藻种的筛选和改良是该研究的基础和核心［7］。近年来正在探索以加氢裂化的技术炼制生物柴油，获得的烷烃生物柴油，可与石化柴油以任意比例混合使用，具有投资少、容易产业化的优势，是微藻油脂加工的重要发展方向。

4 利用微藻生产绿色可再生能源的前景与展望

微藻绿色可再生能源的开发潜力与产业化生产之间存在着较大的差距，诸多挑战性的技术“瓶颈”以及生产成本问题尚未解决，要真正实现微藻绿色可再生能源的工业化生产，可以从以下几个方面加强研究。

4.1 优质能源藻种的选育与基因工程改造

尽管人们已认识到并筛选了多种能源微藻，但离工业化生产还相差甚远。优质的产氢微藻光能利用率必须接近10%才有实际应用价值，而且还必须能够耐受高氧气浓度。目前研究较多且烃类含量较高的葡萄藻生长过于缓慢，所产烃类碳链较长；产油量大的微藻生长较慢，不易收获。因此加强微藻物种的基础生物学研究，寻找潜在的优质能源微藻品种或品系，并在构建高密度培养、产能效率高的生物反应器的基础上，通过基因工程技术改造较有潜力的能源微藻是解决能源微藻开发与利用的关键点。

4.2 构建高效率、低成本的生产模式

为了解决微藻大规模产业化生产模式存在着的成本高、效率低的问题，今后应加强的研究包括：将微藻养殖场所设置在工厂附近，利用工业有机废水为主要培养基质，吸收发电厂和酒精发酵厂排出的二氧化碳和氮氧化物气体为养料，具有双重的经济效益，可形成良性循环［8］；建立生物污染综合防治技术、利用海水或盐碱水驯化培养能源微藻等方式提高生产效率，降低成本；迫切需要进行技术创新以有效解决光能利用、代谢产物传递、温度调控、清洁污垢等技术难题，从而提高光生物反应器技术水平，生产出廉价的能源产品；直接利用微藻生物质为基质发酵生产氢气和甲烷也是开发的途径之一，但需要解决如何高效率地获得足够的微藻生物量的问题，因此发展新型的、系统的、高效的微藻生物能源转化技术至关重要。

4.3 生产成本的综合优化

微藻能源工业化生产成本受到生产技术、养殖场所、季节、气候、藻种和石油价格等综合因素的影响，因此要降低成本，提高产品综合竞争力，就必须从各个环节进行系统优化，充分利用微藻产品，减少浪费。在整个生产加工过程中，除了需要探索如何完善生产工艺以外，还要将微藻除油脂之外的其他各种生物活性物质，如多糖、蛋白质、凝集素、类胡萝卜素、维生素、甾醇等分离提取出来，应用于医疗、保健、食品等领域，剩余的藻渣还可作为动物的饲料或者厌氧发酵生产生物燃气。这些高附加值系列产品的生产，可以在一定程度上降低成本，提高企业经济效益。

微藻绿色可再生能源的开发与利用具有巨大的经济效益潜力和诱人的前景，但在短期内要成功地商业化需要克服科学技术方面诸多挑战性的难题。我国微藻的研究起步虽早，但多集中于藻种选育和培养领域，微藻能源开发方面尚处于萌芽和技术摸索阶段，如何利用我国丰富的微藻资源和微藻基础研究结果，借鉴国外成熟的技术水平和较为成功的产业化经验，突破技术瓶颈，降低生产成本，提高微藻能源的性能与品质，是今后微藻绿色能源开发与利用的方向。

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