李 健, 王廣策

(1. 天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院 天津 300457; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

微藻生物技術(shù)在二氧化碳減排和生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

Microalgae research advances towards CO2reduction and biodiesel production

李 健1, 王廣策2

(1. 天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院 天津 300457; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

溫室氣體過度排放引起的全球氣候變化已經(jīng)成為世界各國(guó)需要共同應(yīng)對(duì)的首要環(huán)境問題, 其中化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放被認(rèn)為是引起全球氣候變暖的主要因素, 所以減少二氧化碳排放可能是逆轉(zhuǎn)全球氣候變暖的主要措施。大規(guī)模微藻培養(yǎng)可以在減排二氧化碳的同時(shí)處理廢水、生產(chǎn)生物燃料、動(dòng)物飼料和環(huán)境友好型材料, 是具有美好前景的二氧化碳減排技術(shù), 而利用微藻生物技術(shù)減排二氧化碳的同時(shí)生產(chǎn)生物柴油是微藻減排技術(shù)領(lǐng)域最受重視的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向。經(jīng)過多年的技術(shù)研究發(fā)展, 目前該技術(shù)方向已經(jīng)逐漸進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化研發(fā)階段, 西方發(fā)達(dá)國(guó)家近幾年來投入巨資在這方面進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究, 預(yù)計(jì)很有可能在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。作者對(duì)微藻減排技術(shù)領(lǐng)域的研究和發(fā)展做了系統(tǒng)的綜述, 并對(duì)我國(guó)在微藻減排產(chǎn)油技術(shù)領(lǐng)域的研究發(fā)展提出了建議。

1 微藻生物技術(shù)用于減排二氧化碳和生物能源生產(chǎn)

1.1 微藻生物技術(shù)

微藻是生長(zhǎng)在水里的微小生物, 能進(jìn)行光合作用, 吸收二氧化碳放出氧氣。微藻生物技術(shù)可以理解為利用微藻培養(yǎng)來生產(chǎn)生物產(chǎn)品的技術(shù)。經(jīng)過近100年的發(fā)展, 微藻生物技術(shù)已經(jīng)形成了初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè), 成為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要分枝之一。微藻生物技術(shù)在能源、環(huán)境、食品和健康領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力, 歷來為科學(xué)工作者所重視。近四五年來, 溫室氣體過度排放導(dǎo)致全球氣候變化日益顯著, 國(guó)際能源價(jià)格持續(xù)上漲, 生物質(zhì)能源開發(fā)利用導(dǎo)致國(guó)際糧食價(jià)格飆升。在這種背景情況下, 微藻生物技術(shù)的研究受到各國(guó)政府的高度重視, 也成了風(fēng)險(xiǎn)投資的寵兒, 巨額的研發(fā)資金被投入到這一技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。

1.2 全球氣候變化問題

溫室氣體引起的全球氣候變暖已經(jīng)成為世界各國(guó)需要共同應(yīng)對(duì)的首要環(huán)境問題。 近一百年來全球氣候正在非自然變暖。觀測(cè)表明, 20世紀(jì)全球平均地面溫度上升了 1.0℃, 全球平均海洋溫度上升了0.6℃[4]。這種氣候的異常變化可能會(huì)給我們的環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)難性后果。例如： 農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、沙漠化加劇、森林面積縮減和災(zāi)害天氣頻發(fā)等[4]。而氣候模型預(yù)測(cè)這種變暖的趨勢(shì)在這個(gè)世紀(jì)將繼續(xù)加劇[3]。

減少二氧化碳的排放是逆轉(zhuǎn)全球氣候變暖的主要應(yīng)對(duì)措施。研究表明, 全球氣候的異常變化與人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣中的溫室氣體濃度升高有關(guān)[5]。據(jù)觀測(cè), 空氣中的二氧化碳濃度近 300年來上升了36%[5]。雖然有其他氣候變化影響因素的存在, 燃燒礦石燃料帶來的二氧化碳大量排放被認(rèn)為是全球氣候變暖的主要原因[4,5]。為了遏止這種氣候發(fā)展趨勢(shì),1992年聯(lián)合國(guó)通過了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》,確立了發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家"共同但有區(qū)別的責(zé)任"原則, 力圖把溫室氣體的大氣濃度穩(wěn)定在一定水平。1997年, 該公約的締約方在日本京都召開會(huì)議, 通過了《京都議定書》, 確定了發(fā)達(dá)國(guó)家2008年到2012年的量化溫室氣體減排指標(biāo)。該協(xié)議已經(jīng)于2005年生效。2007年, 締約方在印度尼西亞通過了“巴厘島路線圖”, 決定就締約方在 2012年以后的減排責(zé)任展開談判。2009年, 締約方在丹麥哥本哈根召開了第 15次締約方大會(huì), 但是遺憾的是該會(huì)議并沒有達(dá)成具體的減排協(xié)議。

1.3 微藻生物技術(shù)用于減排二氧化碳和生物能源生產(chǎn)

人類在21世紀(jì)面臨的另外一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是發(fā)展替代化石燃料的可再生能源問題?；剂? 包括煤炭、石油和天然氣等, 是由古生物經(jīng)過長(zhǎng)期的地質(zhì)年代轉(zhuǎn)化而成的能源物質(zhì), 是目前支撐世界經(jīng)濟(jì)和人類生活的最主要能源, 占2006年全球消耗能源中的87.9%, 而這個(gè)比例在我國(guó)高達(dá) 93.8%。隨著人類對(duì)能源需求的不斷增加, 化石能源的枯竭加速到來了。大部分化石能源將在本世紀(jì)被開采殆盡[6]。還有, 化石能源在燃燒過程中產(chǎn)生的大量溫室氣體二氧化碳,對(duì)當(dāng)今的氣候環(huán)境產(chǎn)生了重大的影響, 已經(jīng)嚴(yán)重影響了全球的環(huán)境安全。因而, 開發(fā)更清潔的可再生能源是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展必須要解決的問題。

微藻生物技術(shù)減排二氧化碳就是將本來排放到大氣中的二氧化碳用于微藻大規(guī)模培養(yǎng), 同時(shí)生產(chǎn)生物燃料、生物材料或養(yǎng)殖飼料等。和高等植物相比, 微藻利用陽光的效率高, 單位面積產(chǎn)量是高等植物的10倍以上[7]。大規(guī)模的微藻培養(yǎng), 每生產(chǎn)1 t的微藻, 可以消耗二氧化碳約1.5 t。燃油或燃煤電廠每年排放大量的二氧化碳。大規(guī)模微藻培養(yǎng)能夠吸收利用這些二氧化碳, 通過光合作用, 將二氧化碳轉(zhuǎn)化成油脂、碳水化合物和蛋白質(zhì)等, 用作燃料、飼料或可降解塑料等的原材料。

微藻生物技術(shù)生產(chǎn)的微藻生物質(zhì)能源有潛力替代傳統(tǒng)的生物質(zhì)能源來滿足未來的世界能源需要。大規(guī)模的微藻生物質(zhì)能源生產(chǎn)和傳統(tǒng)的生物質(zhì)能源生產(chǎn)一樣, 能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化成化學(xué)能, 以淀粉或生物油脂的形式, 貯存在生物質(zhì)中, 再通過生物轉(zhuǎn)化或化學(xué)轉(zhuǎn)化成生物燃料, 滿足交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)的能源需要。 傳統(tǒng)的生物能源生產(chǎn)因?yàn)樘柲艿睦眯时容^低, 并且和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)用地, 沒有潛力提供足夠的生物能源來替代化石能源。而微藻的太陽能利用效率高, 可以在沙漠和灘涂等沒有糧食生產(chǎn)價(jià)值的土地上生產(chǎn), 在能夠提供大量生物質(zhì)能源的同時(shí), 不影響世界糧食的生產(chǎn)[8]。

1.4 微藻生物技術(shù)減排同時(shí)生產(chǎn)生物柴油

生物柴油是一種清潔的可再生能源, 有望取代傳統(tǒng)化石能源成為柴油機(jī)、渦輪機(jī)和鍋爐等的主要供應(yīng)燃料。生物柴油是由動(dòng)植物的油脂作為原料經(jīng)過化工轉(zhuǎn)化而制成的, 最終的能量來源于植物光合作用吸收的太陽能, 和傳統(tǒng)化石能源相比可以說是取之不盡用之不竭的。另外, 生物柴油來源于植物的光合作用, 總體上來說基本上是零溫室氣體排放的清潔能源。更可貴的是, 生物柴油可以方便地為柴油機(jī)、渦輪機(jī)和鍋爐等設(shè)施提供動(dòng)力、電力或熱能, 而不需要改動(dòng)柴油機(jī)等現(xiàn)有設(shè)施, 同時(shí)也無需另外更換加油設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備和特殊技術(shù)訓(xùn)練現(xiàn)有的工作人員[9]。由于以上這些優(yōu)點(diǎn), 生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了世界各國(guó)政府的大力倡導(dǎo)和支持。

微藻生物技術(shù)有潛力解決限制生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原材料瓶頸問題。生物柴油目前的主要原料來源是棕櫚油、菜籽油、麻風(fēng)樹籽油和地溝油等。因?yàn)樯a(chǎn)這些油脂的陸地植物單位面積產(chǎn)量低, 所以來源受到可耕用土地的限制, 遠(yuǎn)不能滿足未來的生物燃料能源需要。而某些微藻品種作為油料作物, 單位面積產(chǎn)量可以比其他作物高數(shù)十倍, 有潛力利用少量的土地, 提供足夠的生物柴油原料油脂。另外,微藻培養(yǎng)無需占用現(xiàn)有的生產(chǎn)糧食作物的耕地, 可以利用鹽堿灘涂和沙漠等非耕地國(guó)土資源, 實(shí)現(xiàn)充沛的生物柴油原料供給[10]。

微藻生物技術(shù)減排二氧化碳生產(chǎn)生物柴油技術(shù)在解決環(huán)境和能源問題的同時(shí)也有助于解決世界的糧食問題。環(huán)境、能源和糧食問題是困擾當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要問題。由于世界人口持續(xù)增加,加上發(fā)達(dá)國(guó)家將大量的糧食轉(zhuǎn)化成能源消費(fèi), 導(dǎo)致一些發(fā)展中國(guó)家遭到饑餓的威脅[11]。大規(guī)模微藻培養(yǎng)在減排二氧化碳和生產(chǎn)相當(dāng)數(shù)量的生物柴油的同時(shí), 作為微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品同時(shí)能夠生產(chǎn)大量的植物蛋白質(zhì)和糖類。這些蛋白質(zhì)和糖類可以加工成動(dòng)物飼料, 減少用于飼料的糧食消耗, 從而大大降低飼料產(chǎn)業(yè)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的依賴, 大幅增加植物源食品和動(dòng)物源食品的供給, 解決發(fā)展中國(guó)家人民的饑餓和營(yíng)養(yǎng)不良問題。

綜上所述, 微藻減排生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)是具有美好前景的清潔可再生能源環(huán)境技術(shù), 具有同時(shí)解決世界環(huán)境、能源和糧食問題的巨大潛力。

2 微藻生物技術(shù)用于二氧化碳減排研究進(jìn)展

2.1 目前減排二氧化碳的主要手段

目前二氧化碳減排的主要手段是調(diào)整能源使用結(jié)構(gòu)、提高化石能源的利用效率和減少能源消耗等。二氧化碳的主要排放來源于化石燃料燃燒?；剂鲜鞘澜绶秶鷥?nèi)能源的主要供應(yīng)來源, 化石能源的消耗占總能源消耗的80%～90%。世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要能源的供應(yīng)持續(xù)增加, 但同時(shí)世界范圍內(nèi)大規(guī)模的二氧化碳直接減排工程技術(shù)方法尚未建立。為了解決二氧化碳減排和能源需求的矛盾, 目前世界各國(guó)主要采用的是政策手段。首先通過大力發(fā)展非化石能源, 例如說水電、核電、風(fēng)電、太陽能電池和生物質(zhì)能等清潔能源, 從而減少化石能源的消耗。其次提高化石能源的使用效率, 直接減少化石能源的使用和減少二氧化碳的排放。同時(shí)改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式, 也是今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)減少二氧化碳排放的同時(shí)維持世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要努力方向[12]。

目前科技界重點(diǎn)研究發(fā)展的和最具前景的二氧化碳減排技術(shù)手段是二氧化碳富集貯埋的辦法。利用工程技術(shù)手段, 在不影響化石能源使用和保障世界能源充分供應(yīng)的情況下, 減少二氧化碳的排放,無疑是科技界人士長(zhǎng)期努力工作的愿景之一。雖然有多種工程技術(shù)方案可以研究探討, 但是目前來看最具有可行性的技術(shù)解決方案還是二氧化碳富集液化貯埋的方法。具體來說就是將化石燃料電廠或其他二氧化碳排放源排放的二氧化碳經(jīng)過富集液化之后, 注入到廢舊煤礦、油井或海底, 從而減少二氧化碳向大氣中的排放。這種方法的技術(shù)逐漸成熟, 但是減排二氧化碳的成本很高[13]。

2.2 微藻生物技術(shù)減排二氧化碳的潛在優(yōu)勢(shì)

微藻生物技術(shù)減排和二氧化碳富集貯埋的方法相比可能更有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模的微藻培養(yǎng), 可以就地直接利用未經(jīng)富集液化的二氧化碳。和貯埋的方法比, 減少了富集、液化、運(yùn)輸和灌注等環(huán)節(jié),可以降低二氧化碳的處理費(fèi)用。同時(shí), 微藻培養(yǎng)的產(chǎn)品可以用于食品、飼料、能源和化工原材料等, 從而再度降低減排的成本。和其他高等植物減排相比, 微藻減排技術(shù)單位面積生產(chǎn)效率高, 對(duì)世界土地資源的需求小, 不會(huì)顯著影響世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)于微藻減排技術(shù)的潛力和優(yōu)勢(shì), 近些年有具體的研究和報(bào)道。一些文章論述了微藻減排方法相對(duì)于化學(xué)減排二氧化碳的優(yōu)勢(shì)?；瘜W(xué)方法減排二氧化碳涉及到二氧化碳的處理問題[14-15], 這些處理方法的能耗和費(fèi)用都很高, 只有在有政策補(bǔ)貼的情況下才有可能付諸實(shí)施[16-17]。一些文章詳細(xì)研究報(bào)告了微藻減排二氧化碳相比于高等植物減排的優(yōu)勢(shì)。由于高等植物生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)小于微藻, 高等植物減排二氧化碳的潛力有限, 全球的土地資源最多只能減排大約 3%～6%的全球化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳, 而微藻有潛力減排30%～60%的二氧化碳[18]。有幾篇文章詳細(xì)比較了微藻相比于森林、農(nóng)業(yè)作物和水生植物的生長(zhǎng)速度[7,19-20], 這些文章傾向于認(rèn)為微藻在減排方面有生長(zhǎng)速度快的優(yōu)勢(shì)。一篇文章從下游處理的角度論述了微藻作為減排生物之于高等生物的優(yōu)越性, 即微藻積累的代謝產(chǎn)物更加易于轉(zhuǎn)化成可以替代化石燃料的生物燃料, 例如生物柴油等[21]。

2.3 微藻生物技術(shù)減排的藻種選擇

微藻減排技術(shù)所可能選用的微藻品種, 是近些年很多具體的研究工作的課題。研究發(fā)現(xiàn)某些微藻品種能夠耐受較高濃度的 CO2、SOx和 NOx等氣體[22-24], 這些微藻品種在減排電廠煙道氣二氧化碳方面有很大的應(yīng)用潛力。還有一些微藻品種可以耐受培養(yǎng)基中較高濃度的碳酸鹽, 這些微藻品種不僅因?yàn)楦邼舛鹊奶妓猁}培養(yǎng)基而易于培養(yǎng), 還有可能吸收大氣中的二氧化碳, 在減排大氣中的二氧化碳方面有優(yōu)勢(shì)[25-27]。一些耐高溫的微藻品種也引起了科研工作者注意, 這些微藻可以在高溫的地區(qū)快速生長(zhǎng)或者可以直接減排電廠的高溫?zé)煹罋舛趸?有降低減排費(fèi)用的潛力[28-29]。

2.4 微藻生物技術(shù)減排同時(shí)處理廢水

微藻減排同時(shí)處理生活和工業(yè)廢水技術(shù), 由于具有多重的環(huán)境效益, 一直受到科技工作者的重視。利用微藻處理城市生活污水的研究主要針對(duì)污水中無機(jī)氮和磷的去除。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)某些微藻品種可能實(shí)現(xiàn)有效去除城市污水中無機(jī)氮磷的目的[30-33]。利用微藻處理農(nóng)漁和工業(yè)廢水近些年也多有研究[34-37], 但這些工作并沒有深入探討污水處理過程中生產(chǎn)的微藻生物質(zhì)的用途。廢水培養(yǎng)微藻減排二氧化碳的同時(shí)生產(chǎn)生物能源, 近些年也有非常多的研究報(bào)告。一些文章報(bào)道利用工業(yè)廢水培養(yǎng)微藻生產(chǎn)生物油脂, 并分析了產(chǎn)業(yè)化的可能性[38-40],有三篇文章專門報(bào)道了利用奶業(yè)廢水生產(chǎn)生物質(zhì)能源[41-43], 還有一篇文章專門報(bào)道了大規(guī)模利用廢水培養(yǎng)微藻生產(chǎn)生物能源的室外放大研究[35]。

2.5 微藻生物技術(shù)減排同時(shí)生產(chǎn)氫氣或乙醇

微藻培養(yǎng)直接生產(chǎn)氫氣或乙醇, 是近些年微藻減排技術(shù)領(lǐng)域非常有意義的研究發(fā)展方向。微藻, 包括一些可以進(jìn)行光合作用的細(xì)菌, 可以直接代謝生產(chǎn)氫氣或乙醇。氫氣和乙醇可以直接從細(xì)胞培養(yǎng)液中分離出來作為燃料使用, 省去了其他種類的微藻生物質(zhì)能源的下游處理環(huán)節(jié)。這種生物過程長(zhǎng)期來看可能有更大的應(yīng)用潛力和前景。微藻減排產(chǎn)氫的研究工作主要集中在產(chǎn)氫微藻在缺硫的條件下的生理生化研究、微藻基因工程改造硫元素的吸收、利用產(chǎn)氫酶改造其他微生物、微藻基因工程加強(qiáng)產(chǎn)氫酶對(duì)O2的耐受性、微藻基因工程增加細(xì)胞淀粉含量和微藻基因工程增加光利用率等幾個(gè)方向上[44-45]。基因工程改造微藻(光合細(xì)菌)直接生產(chǎn)乙醇的研究報(bào)告并不多, 實(shí)驗(yàn)中乙醇的產(chǎn)率也并不高[46-47],但是這也不失為一個(gè)有意義的研究方向。

2.6 微藻生物技術(shù)減排同時(shí)生產(chǎn)生物柴油

微藻減排二氧化碳的同時(shí)生產(chǎn)生物柴油是近些年微藻減排技術(shù)領(lǐng)域最重要的研究發(fā)展方向。利用微藻培養(yǎng)減排二氧化碳同時(shí)生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)在西方國(guó)家早就被長(zhǎng)期地探索和研究。1976～1998年,美國(guó)能源部支持了一個(gè)旨在培養(yǎng)藻類減排二氧化碳同時(shí)生產(chǎn)生物燃料的水生生物計(jì)劃項(xiàng)目(Aquatic Species Program)。 該研究項(xiàng)目的最終研究結(jié)論是利用微藻生產(chǎn)生物柴油在技術(shù)上并沒有障礙, 但在經(jīng)濟(jì)上并不可行[48-49]。該研究的經(jīng)濟(jì)效益分析模型揭示當(dāng)石油價(jià)格超過每桶58美元時(shí), 微藻減排產(chǎn)能技術(shù)才會(huì)有經(jīng)濟(jì)效益。而在1998年項(xiàng)目結(jié)束時(shí), 石油價(jià)格在每桶20美元以下[49]。近些年, 溫室氣體導(dǎo)致的全球氣候變化日益顯著, 近三四年, 國(guó)際原油價(jià)格飆升, 近兩三年, 國(guó)際糧食價(jià)格上漲。基于這些背景原因, 微藻減排生產(chǎn)生物柴油技術(shù)再次引起重視,并逐漸進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段[50]。下文對(duì)這個(gè)技術(shù)發(fā)展方向有更詳細(xì)的綜述。

總之, 微藻生物技術(shù)減排二氧化碳的應(yīng)用研究近些年取得了扎實(shí)的研究進(jìn)展, 已經(jīng)成為最有潛力的減排技術(shù)和方案之一。其中微藻減排同時(shí)生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)方向?yàn)榻鼛啄陿I(yè)界大力投資的研究發(fā)展方向, 有很大的可能性在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

3 微藻生物技術(shù)減排二氧化碳生產(chǎn)生物柴油研究進(jìn)展

3.1 微藻減排產(chǎn)油技術(shù)需要發(fā)展的技術(shù)環(huán)節(jié)

微藻減排產(chǎn)油技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵在于降低技術(shù)諸多工藝環(huán)節(jié)的設(shè)施建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。微藻減排產(chǎn)油技術(shù)的發(fā)展主要包括以下環(huán)節(jié)： (1) 微藻藻種的選育和基因工程改造; (2) 微藻大規(guī)模養(yǎng)殖工藝和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì); (3) 含有二氧化碳的煙道氣的獲得、輸送和釋放設(shè)施的設(shè)計(jì)開發(fā); (4) 微藻的富集和收獲工藝; (5) 微藻油脂的提取工藝; (6) 微藻殘?jiān)脑倮谩?/p>

3.2 微藻藻種的選育和基因工程改造

理想的用于減排的微藻品種應(yīng)該具有生長(zhǎng)快、含油量高、適應(yīng)產(chǎn)地生長(zhǎng)環(huán)境和易于收集和破碎等特點(diǎn)。大多數(shù)的微藻在適宜的條件下生長(zhǎng)較快, 每幾個(gè)小時(shí)生物量就可以實(shí)現(xiàn)成倍增長(zhǎng)。其中的某些微藻品種含油量也比較高[51]。微藻的生長(zhǎng)速度越快,微藻含油量越高, 建設(shè)一定產(chǎn)量生產(chǎn)設(shè)施的費(fèi)用就越低。研究發(fā)現(xiàn), 某些微藻的含油量可以隨著微藻生長(zhǎng)條件改變產(chǎn)生很大的變化[51-52]。含油量的提高的同時(shí)往往伴隨著微藻生長(zhǎng)速度的下降。應(yīng)對(duì)這種情況, 可以采用分階段培養(yǎng)的工藝[53]。微藻的大規(guī)模室外培養(yǎng)受氣候影響很大。比較理想的微藻培養(yǎng)設(shè)施應(yīng)該在日照時(shí)間長(zhǎng)和冬夏溫差小的熱帶地區(qū)建設(shè)。這些地區(qū)溫度都比較高, 需要耐高溫的微藻品種。某些微藻品種, 很容易被異養(yǎng)培養(yǎng), 這能使采用先異養(yǎng)再自養(yǎng)的大規(guī)模培養(yǎng)工藝成為可能[54], 在產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖過程中更容易擴(kuò)種。為了把微藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能源或飼料產(chǎn)品, 需要將培養(yǎng)液中的微藻進(jìn)行富集、濃縮和破碎。不同的微藻品種, 富集、濃縮和破碎的工藝差別很大, 過程費(fèi)用差別也很大。產(chǎn)業(yè)上最好采用容易富集和破碎的微藻品種。一些經(jīng)過基因工程改造的微藻品種, 光合作用效率得到提高, 生產(chǎn)速度加快, 含油量提高, 在微藻減排產(chǎn)油技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中有非常重要的意義[55]。

3.3 微藻大規(guī)模培養(yǎng)工藝和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

大規(guī)模微藻培養(yǎng)的設(shè)施和工藝經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)初步成熟, 基本上能滿足微藻減排產(chǎn)油技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的需要。技術(shù)成熟的微藻大規(guī)模培養(yǎng)設(shè)施主要有兩大類別。一種是開放式的環(huán)形跑道培養(yǎng)池。該種設(shè)施由黏土、水泥或塑料膜鋪設(shè), 單體占地面積可以達(dá)到2000平方米以上[56-57]。該種設(shè)施已經(jīng)廣泛用于螺旋藻和小球藻的培養(yǎng)。另外一種是封閉式光生物反應(yīng)器設(shè)施。成熟的工業(yè)規(guī)模光生物反應(yīng)器設(shè)施基本上都是用透明塑料管道建設(shè), 有溫度、pH等硬件監(jiān)控設(shè)施[58]。開放式跑道池設(shè)施的優(yōu)點(diǎn)是建造和維護(hù)成本低, 缺點(diǎn)是池中的微藻容易受到外界的生物的入侵。光生物反應(yīng)器可以有效防止外來生物的污染, 但是建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用高昂。理想的大規(guī)模微藻培養(yǎng)工藝可以采用兩種設(shè)施相結(jié)合的方式, 既可以降低設(shè)施建設(shè)和維護(hù)成本, 又可以有效防止外來生物的入侵和污染。這種培養(yǎng)方案已經(jīng)被成功地用于雨生紅球藻的大規(guī)模培養(yǎng)[59-61]。

3.4 二氧化碳廢氣的獲得、輸送和釋放設(shè)施

含有二氧化碳的煙道氣的獲得、輸送和釋放工藝仍然有研究改進(jìn)的必要。為了實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)減排二氧化碳, 需要將燃煤或燃油電廠的煙道氣輸送到微藻養(yǎng)殖場(chǎng)地并釋放到微藻培養(yǎng)液中。雖然氣體輸送是化工工程的常見工作, 但將氣體高效地釋放到培養(yǎng)液里需要特殊的設(shè)施和工藝。直接向培養(yǎng)液鼓氣的方法二氧化碳的利用效率比較低。利用超細(xì)的金屬或塑料擴(kuò)散棒導(dǎo)入煙道氣, 二氧化碳的利用率得到提高[62]。盡可能地提高二氧化碳的利用率, 有助于減低氣體輸送的費(fèi)用。

3.5 微藻的富集和收獲工藝

必須采用低成本的方法富集和收獲大規(guī)模養(yǎng)殖的微藻。多種方法可以用于大規(guī)模采收微藻。采用碟式離心機(jī)的方法, 能夠快速處理大量的培養(yǎng)液,但是能耗太大, 固定資產(chǎn)投資過高, 不適合低價(jià)值的微藻生物柴油產(chǎn)品[63-65]。篩網(wǎng)過濾的方法只適用于少數(shù)個(gè)體比較大的微藻?？尚械姆椒赡苁遣捎妙愃朴谧詠硭畯S的水處理工藝, 加入人工絮凝劑或者利用其他方式, 使微藻自行沉降富集, 然后再離心脫水或者直接進(jìn)入下一個(gè)單元操作。

3.6 微藻中油脂的提取工藝

從微藻中提取油脂環(huán)節(jié)可能是決定微藻減排產(chǎn)油技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的最關(guān)鍵步驟。經(jīng)過沉淀和脫水后的微藻, 含水量會(huì)仍然很高。如果需要把生物質(zhì)完全干燥后再進(jìn)行油脂提取, 不僅需要增加設(shè)施投資,還要增加能源消耗。這種工藝在經(jīng)濟(jì)上可能是不可行的[65]。只有在不用將生物質(zhì)干燥的情況下直接進(jìn)行油脂提取的工藝才具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。不同品種的微藻, 細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)不同, 那么粉碎細(xì)胞和提取細(xì)胞內(nèi)油脂的工藝也不同。是否易于細(xì)胞粉碎和油脂提取應(yīng)該是選擇產(chǎn)油微藻品種的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。某些微藻品種, 非常易于粉碎和油脂提取, 例如杜氏鹽藻。而某些微藻品種, 非常難于粉碎和進(jìn)行胞內(nèi)物質(zhì)提取, 例如雨生紅球藻。雨生紅球藻的細(xì)胞粉碎需要利用高壓均質(zhì)的方法[60]。由于成本因素, 這種工藝目前還很難應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)低價(jià)值產(chǎn)品。將未經(jīng)細(xì)胞破碎的藻泥直接用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇或甲烷等生物燃料也是很有潛力的工藝研發(fā)方向。利用玉米等含糖量高的作物大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇已經(jīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。大規(guī)模生產(chǎn)含糖量高的微藻代替玉米生產(chǎn)生物乙醇可能是微藻減排產(chǎn)能技術(shù)最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能工藝路線之一。

3.7 微藻殘?jiān)脑倮?/h3>

將微藻去除能源物質(zhì)后的殘?jiān)幚沓煽梢宰鳛轱暳匣蚩山到馑芰系脑牧鲜俏⒃鍦p排產(chǎn)油技術(shù)的必要環(huán)節(jié)。除去能源物質(zhì)的微藻殘?jiān)蠹s占總生物量的 50%左右。微藻減排產(chǎn)油技術(shù)產(chǎn)業(yè)的潛在規(guī)模很大, 所以微藻殘?jiān)臐撛诠?yīng)量也很大。這些殘?jiān)绻荒芡耆? 就會(huì)導(dǎo)致新的環(huán)境問題并降低技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。微藻殘?jiān)闹饕煞质堑鞍踪|(zhì),經(jīng)過脫水干燥等簡(jiǎn)單操作, 可以制成動(dòng)物飼料的優(yōu)質(zhì)原料。從微藻藻種的選育開始就要考慮微藻殘?jiān)脑倮谩Ｄ承┪⒃迤贩N含有毒素, 不易直接用作飼料[66]。

4 微藻減排產(chǎn)油技術(shù)展望和研發(fā)建議

西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家近些年投入巨資開發(fā)微藻減排二氧化碳生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著全球氣候變化加劇、石油價(jià)格暴漲和糧食價(jià)格飆升, 西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)微藻減排產(chǎn)油技術(shù)再次高度重視。在美國(guó), 已經(jīng)有來自美國(guó)政府、石油公司、航空公司和風(fēng)險(xiǎn)資金的數(shù)億美元經(jīng)費(fèi)投入到十余家公司進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)。殼牌石油公司于2007年投資2500萬美元和夏威夷的HR BioPetroleum Inc.合作成立了Cellana JV公司, 計(jì)劃在2010年建成一個(gè)技術(shù)示范工廠。總部位于美國(guó)加州的新能源創(chuàng)業(yè)公司Sapphire Energy Inc. 在2008年宣布, 公司在第二輪融資活動(dòng)中, 獲得了 1億美元以上的風(fēng)險(xiǎn)投資用于微藻減排產(chǎn)油技術(shù)研發(fā)。美孚石油公司2009年宣布投資6億美元和美國(guó)Synthetic Genomics Inc.公司合作開發(fā)微藻減排產(chǎn)油技術(shù)。英國(guó)政府旗下的碳基金(Carbon Trust)計(jì)劃投資3000萬英鎊, 將微藻減排產(chǎn)油技術(shù)分成幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域, 向全世界科研機(jī)構(gòu)招標(biāo)研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)。澳大利亞、德國(guó)、以色列、西班牙和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家政府也出巨資支持該項(xiàng)技術(shù)的研究。總之, 利用微藻生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)近幾年受到了全世界范圍的重視, 技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化開發(fā)階段。

和西方國(guó)家政府和企業(yè)投入巨資進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)相比, 我國(guó)一方面在該領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)比較薄弱, 另一方面對(duì)微藻減排產(chǎn)油技術(shù)的應(yīng)用潛力和發(fā)展動(dòng)向還沒有足夠高度的認(rèn)識(shí)。微藻減排產(chǎn)油技術(shù)意義重大, 事關(guān)我國(guó)的能源、環(huán)境和糧食安全,值得我國(guó)政府的高度重視。 微藻減排產(chǎn)油技術(shù)包括微藻藻種選育、大規(guī)模培養(yǎng)設(shè)施設(shè)計(jì)、微藻采收、油料提取和微藻殘?jiān)倮玫纫幌盗械募夹g(shù)環(huán)節(jié),涉及微藻基因工程、微藻生理學(xué)、微藻生物化學(xué)、生物化學(xué)工程、化學(xué)工程等領(lǐng)域的科學(xué)前沿, 是一個(gè)系統(tǒng)的科技研發(fā)工程。這一項(xiàng)目的研究發(fā)展不僅需要大量資金的投入, 而且需要多學(xué)科高水平專業(yè)技術(shù)人員和管理人員的參與。這是一家科研單位難以做到的。筆者建議我國(guó)在技術(shù)開發(fā)方面采用英國(guó)模式, 將技術(shù)分割成不同環(huán)節(jié), 政府專門撥出資金招標(biāo)外包研發(fā); 在產(chǎn)業(yè)化方面采用美國(guó)的模式, 由政府資助具有微藻產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司, 引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)資金, 就這個(gè)項(xiàng)目組織高水平的專業(yè)技術(shù)人員隊(duì)伍,在合適的場(chǎng)地建設(shè)中試基地和示范工廠, 完成技術(shù)的研究發(fā)展和儲(chǔ)備。

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Q945

A

1000-3096(2011)07-0122-08

2010-11-23;

2011-02-05

李健(1972-), 男, 吉林長(zhǎng)春人, 博士研究生, 主要從事微藻生物技術(shù)研究, 電話： 022-60601305, E-mail： jianlijianli@hotmail.com;王廣策, 通信作者, 研究員, 電話： 0532-82898574, E-mail： guangcewang@sohu.com

梁德海)