微藻生物能源产业化若干问题的思考

王慧岭 刘敏胜（新奥科技发展有限公司，廊坊 065000）

微藻生物能源产业化若干问题的思考

王慧岭 刘敏胜（新奥科技发展有限公司，廊坊 065000）

王慧岭，生物工艺工程师，主要研究方向为微藻户外养殖、污染治理、回水利用、工艺控制等规模化养殖工艺研究，搭建了新奥首个微藻流动测试平台，并在美国杜克电厂顺利完成电厂烟气、废水微藻现场养殖测试实验，完成内蒙古鄂尔多斯达拉特旗微藻固碳中试项目，成功将煤化工产生的二氧化碳及废水用于微藻养殖，在微藻养殖方面形成藻种保存、藻种快速扩培、微藻养殖、二氧化碳烟气利用、污染防控、养殖工艺动态调控、回水利用、质量控制等成套养殖工艺，连续稳定运行5年。

E-mail:wanghuiling@enn.cn

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

李元广, 谭天伟, 黄英明.微藻生物产业化技术中的若干科学问题及其分析.中国基础科学, 2009, 5: 64-70.

通过总结新奥在微藻生物能源规模化养殖过程中获得的经验教训，分别从规模化养殖藻种筛选、养殖反应器、敌害生物的防治、碳源、水等方面进行了思考。

微藻具有光利用效率高、可直接利用二氧化碳烟气、油脂含量高等特性1，以微藻为原料的第三代生物燃料，吸引了全世界的目光。经过多年的努力，我国微藻生物能源技术研发已处于国际前列。目前，我国已拥有一批微藻生物能源中试和产业化示范系统，但是未能建立完善的产业化需求和基础科研技术支撑的关系，基础研发与产业化之间有一定脱节。在现今国际油价大幅下跌的环境下，微藻生物能源的产业化仍待时日，更需要基础研发与产业化紧密结合，快速推进产业的协同发展。新奥集团在前期微藻生物能源产业化推进过程中，获得了不少经验教训，在这里与大家讨论分享。

1 面向能源产品的产业化藻种性能需求

近年来，我国在微藻生物能源领域布局了多个基础研究、应用研究和产业化示范研究的科研项目，每个项目都筛选了大量的能源微藻藻株，但实际情况是前期筛选的能源藻株并未真正应用于规模化的能源微藻培养。微藻能源是否能实现产业化，藻种是关键，目前对产业化能源微藻藻种的性能需求，主要以抗敌害生物污染能力、生长速度快、胞内油含量高为评价指标2。虽然普遍将“抗敌害生物污染能力”放在藻种性能的首位，但是对藻种的评价主要集中在生长速度和胞内油含量这两个方面，且几乎全部研究集中在实验室，绝大部分藻株在室外的规模化养殖中难以表现出实验室养殖的高性能。

面向能源产品的微藻性能，必须考虑以下几个方面。

①目前对能源藻株测评最重要的是在实验室批式养殖条件下，对比测量藻株干重浓度日增量。而生产微藻生物能源，微藻在不同光强下，尤其是室外光强下的光能利用效率最为重要，也就是生长的生物质所含的能量与输入的光能的比值。不同藻株、同一藻株不同养殖时期，其生物质热值差异很大（16～44kJ/g），生物质干重的变化难以准确反映能源转化效率。单一光强下的光利用效率，也很难反映藻株在室外养殖变光条件下的光能利用效率。因此，需要重点测评藻株在不同光强下对光能的利用效率。

②明暗循环尺度。毫秒级的明暗循环，有利于提高微藻的光利用效率。不同藻株的明暗循环尺度为10～1000ms，差异非常大。明暗循环尺度越大，相对来说耐受强光的能力越强。明暗循环尺度的大小也决定了反应器混合的强度，明暗循环尺度越大对搅拌混合的需求越小，规模化养殖成本越低。

③温度耐受性。藻株适应的温度范围越大，其地域和季节适应性越强，适宜养殖范围潜力越大，这对室外不同季节、不同天气养殖非常有利。

④pH值耐受性。能够耐受极端pH值的藻株，是非常有利于产业化应用的。通常螺旋藻的养殖，随着碳酸氢钠中碳源的消耗，pH值很容易从7提升到10，既有利于养殖操作的简便性，更有利于抑制敌害生物的滋长。因此，藻株能适宜较广泛的pH值范围，规模化养殖过程污染治理难度会相对降低。

⑤敌害生物去除。这里没有表述为“耐受敌害生物”是因为任何藻株都会有敌害生物，不存在藻株天然可以抵抗所有敌害微生物，如螺旋藻是利用pH值的剧烈变化抑制敌害生物。而一般杀灭原生动物、细菌、霉菌的化学试剂，往往对藻的生长也有较强的抑制。因此，藻株对治理用敌害生物的化学生物试剂的耐受性强弱非常重要，耐受性越强，常规污染治理越容易。同样，物理去除敌害生物的方法，也与藻株的生理生化特性息息相关。一般来说，细胞个体越大，原生动物敌害的影响相对会减少。这些对于微藻室外规模化养殖非常重要。

⑥最短倍增时间。最短倍增时间短，并不代表其在规模化养殖中生长速度快，更不代表光利用效率高。但是倍增时间越短的藻株，其养殖扩种速度会越快，有利于生产放大。

⑦盐度耐受范围。这一点对于海水藻和盐藻尤为重要，藻株必须能应对盐度短期内较大范围变化，否则在规模化户外养殖很可能因为降雨或蒸发导致盐度变化而影响生产养殖。

⑧剪切力的耐受性。规模化养殖中的接种、采收，均需要用到机械化设备，藻株不能耐受一定机械剪切力，输送设备的选择会受到制约，生产成本增加。对于管道式反应器等依赖于养殖液体输送的系统，藻株对机械剪切力的耐受是核心因素。

⑨油脂积累时间。很多藻株，在绿色增殖阶段生长迅速，但是后期缺氮积累油脂需要很长时间，这对于微藻能源生产非常不利。能同步积累或短期内快速积累油脂的藻株，有利于降低养殖成本。

综上所述，产业化藻种的性能需求和评价，不是单一因素决定的，一定是根据生产需求综合考量的结果，任何一个因素的短板，都可能制约该藻株的产业化养殖。

2 规模化养殖反应器

目前，微藻养殖的反应器主要为两种。一种是开放式反应器，主要以传统的跑道池为主及其衍生出的各种形式的反应器，混合形式主要以搅拌桨和曝气为主。开放式反应器是目前规模化应用最广的一种养殖体系，产量低、易发生污染、可控性差是其突出的问题，但是其成本低、可规模化复制、操作简单、容易维护等产业化应用价值是目前其他反应器望尘莫及的。另外一种为封闭式反应器，主要以高产、污染相对较小、工艺过程相对容易控制等优势受到很多研究机构的大力追捧，但是生产成本高昂、操作复杂、运行维护难度大成为制约其产业化应用的关键瓶颈。产业化反应器的需求一定是和产品结合的，如果产品追求的是质量，传统的开放式系统将很难实现，如果产品追求的是低成本化，则封闭式系统亦无法实现。应该根据产品质量要求和成本将两者有效结合。从目前的实际情况来看，在相当长时间，跑道池养殖仍然是最为经济的能源微藻养殖系统。

3 规模化养殖中敌害生物的防治

决定微藻规模化养殖的成败最核心的问题是敌害生物的污染防治，目前已有的防治措施基本上是靠藻种自身的特性来进行污染控制，如螺旋藻通过高pH值、杜氏盐藻通过较高盐度、小球藻通过快速生长控制污染。但是对于自身不具有较强的抗污染性能的藻种在规模化养殖中要以防为主，防治结合。首先可以通过控制养殖系统中的有机质浓度，保持藻种活性，减少污染发生的频率。另外，发生污染后，根据藻种和污染物种的特性可以有选择地运用物理、化学及生物学方法进行治理，并尽可能减少对微藻本身的损伤。同时，结合实际养殖中的可操作性及对目标产品的质量影响，综合考虑，选择适合的污染治理方法。

4 碳 源

可用于微藻养殖的碳源主要分两类。一类为有机碳源，以糖类、油脂、有机酸为主要来源，如利用葡萄糖进行小球藻的异养培养，但是利用有机碳源生产能源产品，从经济和能耗上并不合适，因此在能源微藻培养过程中，利用有机碳源的可能性较小，有机碳源可作为微藻生产高附加值产品的碳源使用。第二类为无机碳源，其中一种是碳酸盐（主要以碳酸钠和碳酸氢钠为主），广泛用于螺旋藻养殖，碳酸盐在养殖体系中往往容易出现pH值高，导致生长缓慢或产品灰分超标等一系列问题，且成本较高。因此，在能源微藻的培养过程中，只能利用工厂排放的CO2气体作为碳源降低微藻生产成本的同时与CO2固定相结合。目前可供微藻使用的CO2气源主要有3种，一种是以电厂废气为代表的低CO2含量气体，该类气体一般可直接通入养殖体系，在提供碳源的同时可提供部分混合动力，对这类气体的利用必须要求附近有较大面积的土地可供养殖微藻；一种是以煤化工为代表的高纯CO2气源，该类气体需以一定流量、一定比例或间歇通气的形式通入养殖系统，受地域的影响相对较小，必要情况下可压缩进行短距离运输或管路输送；一种是发酵工厂尾气中的CO2，该气源清洁，一般无需处理可以直接用于微藻的光自养培养。

5 养殖用水

规模化养殖用水主要分两个部分，一次用水（即培养初期需加入养殖体系中的水）和蒸发补水（即养殖系统每天蒸发损失的水）。如果每次采收后就更换新鲜培养基，一次用水的需求量将非常大，因此在微藻规模化养殖过程中必须考虑养殖回水利用，采收后的清液可以通过氧化、过滤、吸附等手段，将其中对微藻生长有明显抑制作用的物质去除，再输回到养殖系统重新利用。微藻养殖过程中真正大量消耗水资源的是蒸发，新奥内蒙古养殖基地实测数据显示，内蒙古全年平均日蒸发量是0.7cm，假设开放式养殖系统目前最高产量为20g/ （m2·d），则意味着生产1吨藻粉要消耗至少350吨的水，这对于西部地区来说是相当严峻的问题，因此在水资源缺乏的西部地区养殖系统需考虑节水措施，减少蒸发，同时要权衡与温度控制之间的平衡关系。总之，在微藻养殖中，水是至关重要的，要尽可能减少蒸发、加强水循环利用，并结合废水利用相互补充，解决微藻养殖过程中的用水需求。

微藻生物能源产业化需要关注的环节，远不止上述几方面，毕竟全球还没有微藻生物能源产业化实践的经验。希望我国微藻生物能源领域相关的科研院所、企业联合起来，建立实实在在的产学研联盟，共同推进我国微藻生物能源技术的产业化发展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.002