[微藻生物：可培育的“綠色石油”] 微藻石油

　　對傳統(tǒng)能源枯竭的焦慮，使人們打起了“生物質(zhì)能源”的主意，實踐證明，微藻生物能源的回報相比之下更高一些。 　　 　　2009年3月底，發(fā)改委宣布將汽、柴油價格每噸分別提高290元和180元。這是自今年1月15日成品油定價機制改革以來，根據(jù)“原油成本定價法”實施的首次油價調(diào)整。對此，國家發(fā)改委給出的解釋是：油價調(diào)整鑒于近期國際油價持續(xù)上漲。
　　盡管金融危機爆發(fā)以后，全球原油價格不斷下跌，但是石化能源消耗的不可持續(xù)性是不可能改變的，人們早就把眼光投向了生物質(zhì)能源領(lǐng)域。生物質(zhì)能源是地球上最普遍的一種可再生能源，它是通過植物光合作用，將太陽能以化學能的形式貯存在生物體內(nèi)的一種能量形式，被稱為綠色能源。但是如果用玉米、高粱等糧食來制作乙醇等生物質(zhì)能源，將威脅全球的糧食安全。因此，對于生物質(zhì)能源的原料，人們的目光一直集中在傳統(tǒng)的陳化糧、木質(zhì)素、動物油脂等領(lǐng)域，然而對于生物質(zhì)能源的重要來源、開發(fā)前景同樣廣闊、屬水生植物的藻類卻認識不足。
　　作為一種重要的可再生資源，藻類具有分布廣泛、生物量大、光合作用效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強、生長周期短、產(chǎn)量高等突出特點。而藻類中的微藻，更是遍布全球的浮游植物，它在海洋、淡水湖泊等水域或是潮濕的土壤、樹干處，在任何有光照且潮濕的地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定的二氧化碳，竟達全球二氧化碳固定量的40％以上。微型藻生物技術(shù)的開發(fā)，將為我國提供新的能源途徑。
　　
　　陽光和水的結(jié)晶
　　
　　微藻，其細胞中含有獨特的初級或次級代謝產(chǎn)物，化學成分復雜，太陽能轉(zhuǎn)化效率可達到3.5％，因而作為能源原料的潛力十分巨大。從微藻中得到的脂肪酸可轉(zhuǎn)化成脂肪酸甲酯，即生物柴油。與柴油相比，生物柴油除了具有較好的燃料性能、潤滑性能和安全性能以外，還具有有害氣體排放低的環(huán)保特性。在沸石催化劑的作用下，微藻通過熱化學轉(zhuǎn)化可以生產(chǎn)出汽油型燃料；生長在海水中的綠藻，能積累大量游離的甘油以平衡環(huán)境中的鹽濃度，其甘油的含量可占自身干重的85％。
　　山東省科技廳副廳長、青島國家海洋科學中心主任李乃勝說，通過微型藻類生產(chǎn)能源有很多優(yōu)勢一一微藻幾乎能適應(yīng)各種生長環(huán)境，不管是海水、淡水、室內(nèi)、室外，還是一些荒蕪的灘涂鹽堿地、廢棄的沼澤、魚塘、鹽池等都可以實現(xiàn)種植；微藻產(chǎn)量非常高，一般陸地能源植物一年只能收獲一到兩季，而微藻幾天就可收獲一代，而且不因收獲而破壞生態(tài)系統(tǒng)，就單位面積產(chǎn)量來說比玉米高幾十倍；不占用可耕地，藻類可以種植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同類型的水土資源，具有不與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)爭地的優(yōu)勢；產(chǎn)油率極高，微藻含有很高的脂類(20％～70％)、可溶性多糖等，1公頃土地的年油脂產(chǎn)量是油菜籽的80倍；微藻加工工藝相對簡單，微藻沒有葉、莖、根，不產(chǎn)生無用生物量，易于被粉碎和干燥，預處理成本比較低微；微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高，平均高達33MJ／kg(兆焦爾／千克)，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍，最后，有利于環(huán)境保護，藻類植物能捕獲空氣中的二氧化碳，有助于控制溫室氣體排放。
　　微藻種植可與二氧化碳這樣的溫室氣體地處理和減排相結(jié)合，據(jù)統(tǒng)計，占地1平方公里的養(yǎng)藻場可年處理5萬噸二氧化碳，而且微藻不含硫，燃燒時不排放有毒有害氣體，整個產(chǎn)油過程非常清潔。
　　據(jù)估算，我國鹽堿地面積達1.5億畝，假如用14％的鹽堿地培養(yǎng)種植微藻，在技術(shù)成熟的條件下，生產(chǎn)的柴油量可滿足全國50％的用油需求。
　　此外，太湖區(qū)域藍藻的大面積爆發(fā)，也使科研人員開始思考藍藻的治理和利用問題，而將藻類轉(zhuǎn)化成燃料油或許是太湖藍藻變害為寶的良方。但要使這種“變化”成為經(jīng)濟可行的能源生產(chǎn)方式，還有很多問題要解決。譬如，藻細胞的收獲、藻細胞中水分的脫除、灰分的降低等。
　　
　　高成本的門檻
　　
　　我國的內(nèi)海域按自然疆界可達473萬平方公里，向外海延伸至國際公共海域，面積更為廣大�？梢哉f，以微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源，蘊含著海量的潛能。既然如此，為什么目前科研人員沒有大規(guī)模地用藻類來生產(chǎn)生物質(zhì)能源呢?
　　中國科學院水生生物所徐旭東研究員認為，高成本是目前的主要障礙。因為利用高等植物和微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源，其能量都來自于太陽光。地球上單位面積、單位時間內(nèi)接受到的太陽光能是在限定范圍內(nèi)的，要生產(chǎn)大量的生物燃料，必須依賴于大規(guī)模的植物或微藻生產(chǎn)面積。此外還要把這些微藻從廣大面積上收集起來，再進行工業(yè)加工。因此，生產(chǎn)、收集和運輸所耗費的能量與其可產(chǎn)出的能量之間的比例，是決定生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。也就是說，微藻只有在單位面積上高密度產(chǎn)出，才是相對于其他高等植物產(chǎn)油的優(yōu)勢關(guān)鍵所在。
　　但以目前的技術(shù)水平，微藻培養(yǎng)也存在單位面積生產(chǎn)能耗大、投入成本高的問題，因此，要使微藻生物柴油成為真正的替代能源，降低微藻的生產(chǎn)能耗和成本至關(guān)重要。
　　徐旭東說，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要有開放池和密閉反應(yīng)器兩類方式。開放池培養(yǎng)成本相對較低，但是藻類生長所達到的細胞密度較低，某些情況下容易被當?shù)仄渌�微藻侵染，水蒸發(fā)量大；密閉培養(yǎng)可達到較高的藻細胞密度，不易被雜藻侵染，水蒸發(fā)量小，但反應(yīng)器造價和運轉(zhuǎn)成本較高。因此，前途是需要發(fā)展出集二者優(yōu)點，而回避各自缺點的新型培養(yǎng)方式。此外，微藻培養(yǎng)液中細胞只占很小一部分，絕大部分是水，還需要發(fā)展出低能耗的收集細胞，并循環(huán)使用培養(yǎng)液的技術(shù)。
　　盡管利用微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源困難重重，但是我國科學家在此研究領(lǐng)域還是取得了重大突破。新奧集團副總裁、首席科學家甘中學說，新奧集團的微藻生物能源技術(shù)完全模擬生態(tài)環(huán)境運作――利用微藻的光合作用，讓微藻在生長中吸收煤化工生產(chǎn)中排放的工業(yè)廢氣，再從培育出的微藻中提煉生物柴油以及其他高附加值產(chǎn)品。
　　微藻是一種單細胞高生長率的生物，每4小時可繁殖一代。甘中學說，“我們不但結(jié)合了微藻轉(zhuǎn)基因工程改造、高通量篩選等技術(shù)，獲取生長速度快、油脂含量高、適合工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)良藻種；而且采用高密度立體養(yǎng)殖技術(shù)和高效低成本光生物反應(yīng)器技術(shù)，提高光利用效率及二氧化碳吸收效率；還運用含氮、磷較高的工業(yè)廢水回收技術(shù)和工業(yè)廢熱利用技術(shù)，提高養(yǎng)殖效率，降低養(yǎng)殖成本，實現(xiàn)微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化�！贝送�，微藻生物能源技術(shù)還將結(jié)合非燃燒催化氣化技術(shù)、地下氣化采煤技術(shù)、低成本制氫技術(shù)、甲烷化和發(fā)電技術(shù)等，實現(xiàn)煤基能源生產(chǎn)的“零”排放和“系統(tǒng)能效”最大化。
　　據(jù)悉，新奧集團目前已經(jīng)完成實驗室和中試規(guī)模的工藝技術(shù)路線，完成了研發(fā)中心試驗平臺建設(shè)與中試示范化工程。在此基礎(chǔ)之上，新奧集團將于2012至2013年實現(xiàn)微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化和盈利，形成可復制的產(chǎn)業(yè)化單元技術(shù)，實現(xiàn)生物能源產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。 　　據(jù)統(tǒng)計，我國有大量低品位褐煤不易開采和利用。同時，傳統(tǒng)煤礦的開采率只有40％至50％，以至于全國大約有370億噸廢棄煤�！斑@項技術(shù)可以對褐煤及廢棄煤進行氣化開采，利用率可達73％左右”，甘中學說。新奧集團在內(nèi)蒙古烏蘭察布建立了試驗區(qū)，已經(jīng)成功運行了9個月，目前是我國唯一掌握該技術(shù)的單位。
　　
　　全球熱潮
　　
　　目前，微藻生物質(zhì)能源已經(jīng)在世界各國掀起了一股研究和開發(fā)熱潮，很多發(fā)達國家在微藻生物質(zhì)能源項目上投入了大量資金，這些資金不僅來自政府投入，還有相當大一部分來自實力雄厚的企業(yè)。
　　世界上以發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)為目的，并進行較大規(guī)模的微藻產(chǎn)油研究始于20世紀70年代末。1978年，美國能源部啟動了一項利用微藻生產(chǎn)生物柴油的水生生物種計劃，研究人員經(jīng)過10多年的努力，從美國西部、西北、西南部和夏威夷采集并分離到了3000株微藻，篩選出其中300余株具備潛力的產(chǎn)油藻種。該研究計劃還對其中生長速度快、油含量高的微藻采用開放池系統(tǒng)進行室外培養(yǎng)試驗。
　　從1990年到2000年，日本國際貿(mào)易和工業(yè)部曾資助了一項名為“地球研究更新技術(shù)計劃”的項目。該項目利用微藻來固定二氧化碳，再從這些微藻中提煉出生物質(zhì)能源。該項計劃共有大約20多家私人公司和政府的研究機構(gòu)參與，10年間共投資約25億美元，篩選出多株高品質(zhì)藻種，建立起了光生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺，以及微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的技術(shù)方案。
　　2006～2008年，石油價格一度大幅上揚，大大刺激了微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開發(fā)，美國等發(fā)達國家的政府和企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛投入巨資，在國際上掀起了一股勢不可擋的熱潮。
　　2006年11月30日，美國兩家公司在亞利桑那州建立了可與1040兆瓦電廠煙道氣相聯(lián)接的商業(yè)化系統(tǒng)，成功地利用煙道氣的二氧化碳，大規(guī)模“光自養(yǎng)”培養(yǎng)微藻，并將微藻轉(zhuǎn)化為生物燃料。同時由美國著名實驗室和科學家組成的國家聯(lián)盟，宣布了由國家能源局支持的“微型曼哈頓計劃”，計劃在2010年實現(xiàn)微藻制備生物柴油的工業(yè)化。
　　新西蘭某生物經(jīng)濟公司針對微藻生產(chǎn)的生物柴油，進行了世界首次概念驗證。2006年12月，新西蘭能源部長以生物柴油作為動力，駕駛一部未經(jīng)改裝的標準豪華休旅車，沿著威靈頓高速公路奔馳，這是生物柴油的光榮之路。
　　2007年末，國際能源公司宣布開發(fā)以微藻為原料生產(chǎn)可再生柴油和噴氣燃料，稍后，美國公司投資70億美元開展微藻生物柴油技術(shù)的研究，并在夏威夷建立了一個試驗工廠通過利用海洋藻類的植物油生產(chǎn)生物柴油。接著，美國第二大石油公司宣布與美國能源部可再生能源實驗室(NREL)協(xié)作開發(fā)微藻生物柴油技術(shù)，用作噴氣式發(fā)動機等交通工具的燃油。
　　2008年3月10日，PetroSun公司宣布其位于美國得克薩斯州的微藻養(yǎng)殖場于2008年4月1日投入商業(yè)化運作，這是該公司初期的商業(yè)化微藻制生物燃料裝置投產(chǎn)�，F(xiàn)有的微藻養(yǎng)殖場的海水槽占地1100英畝，共包含94個5英畝和63個10英畝的海水池塘。
　　位于美國加州的Live Fuels公司正在資助一個由國家實驗室(美國能源部的一個研究部門)領(lǐng)導的科學團隊，從事一系列研究利用邊際土地，在淡水或咸水環(huán)境中培養(yǎng)微藻，并且利用微藻生產(chǎn)油脂。該公司樂觀地估計，2000～4000萬英畝的邊際土地生產(chǎn)出來的微藻油可以替代整個美國每年進口的石油，并且可以保留下整個美國4.5億英畝的肥沃土地來種植糧食作物。
　　美國國防部于2008年底宣布投入2000萬美元基金進行微藻生物柴油研究工作，主要目的在于在2010年前證實并使基于海藻的生物質(zhì)燃料能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化并成為JP-8噴氣燃料的替代品，該項目由遍布美國的各個機構(gòu)共同實施，包括美國加州理工大學圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源研究所(Hawaii Bio Energy in Honolulu)以及北達科他大學能源環(huán)境研究中心(University of North Dakotds Energy and Environmental research center)等。華盛頓州立大學的陳樹林教授與波音公司合作，研究利用微藻開發(fā)戰(zhàn)斗機用油。
　　除美國、日本、新西蘭、荷蘭等國以外，英國也不甘落后。據(jù)英國《衛(wèi)報》消息，英國日前啟動一項藻類生物燃料公共資助項目，計劃將耗資2600萬英鎊，于2020年前實現(xiàn)利用藻類生產(chǎn)運輸燃料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料。
　　
　　中國微藻能源的開發(fā)
　　
　　在國際大環(huán)境之下，中國對微藻生物質(zhì)能源的研究也處于領(lǐng)先水平。
　　2003年初，中國工程科學院組織各領(lǐng)域?qū)＜以诒本┱匍_了“生物柴油植物原料發(fā)展研討會”。會上專家認為，藻類的生物量巨大，一旦高產(chǎn)油藻開發(fā)成功并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我國生物柴油產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到數(shù)千萬噸。
　　2006年底，在中國工程院主辦的“2006中國生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略論壇”上，我國確定了自己的生物能源發(fā)展方針――“中國生物能源將以非糧作物為主，國家將采取各種優(yōu)惠的財稅政策，推進中國生物質(zhì)能源的快速發(fā)展。”
　　2008年5月，中科院高技術(shù)研究與發(fā)展局、中國科學院生命科學與生物技術(shù)局與中石化石油化工科學研究院聯(lián)合組織召開了“微藻生物柴油技術(shù)研討會”。目前，浙江省也在積極籌劃立項支持微藻生物柴油技術(shù)開發(fā)工作，擬建立微藻生物能源研究基地，利用其沿海優(yōu)勢開展海洋微藻生物能源方面的研究工作。
　　2009年3底，國家科技基礎(chǔ)性工作專項重點項目“非糧柴油能源植物與相關(guān)微生物資源的調(diào)查、收集與保存”項目在廣州啟動實施。該項目擬在全國范圍內(nèi)開展非糧柴油能源植物和相關(guān)微生物資源的全面的科學考察、野外實地調(diào)查、相關(guān)數(shù)據(jù)資料的采集，摸清我國非糧柴油能源植物和相關(guān)微生物資源的家底，掌握能源植物和相關(guān)微生物資料的種類、分布、貯藏量、化學成分等科學資料和相關(guān)信息，提出重點開發(fā)的種類，為能源植物與微生物的研究和生物柴油產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。
　　由于目前世界上絕大多數(shù)國家在微藻生物能源的研究開發(fā)上時間并不長，大部分的工作都是在最近幾年剛剛開始。因而，“在微藻生物柴油開發(fā)方面，我國與發(fā)達國家相比差距并不明顯，甚至處于領(lǐng)先地位。如何抓住當前的有利時機，整合優(yōu)勢資源，開發(fā)我國自己的微藻生物柴油技術(shù)，從而使我國在世界可再生能源研究領(lǐng)域占有一席之地，是我國政府、科研工作者和企業(yè)亟待思考和解決的問題，”甘中學這樣說。
　　李乃勝建議稱，迄今為止，微藻能源開發(fā)沒有成熟的技術(shù)，沒有成功的生產(chǎn)工藝，沒有可借鑒的技術(shù)標準，沒有現(xiàn)成的工業(yè)設(shè)備，因此它是一個全新的自主創(chuàng)新領(lǐng)域。因此，我國應(yīng)加強對海藻生物燃料的戰(zhàn)略性認識。建議把海藻能源列為未來生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，特別是沿海地區(qū)，把海藻能源列入新能源的戰(zhàn)略規(guī)劃，從實際意義上實施中國的微型曼哈頓計劃，大力強化海藻加工技術(shù)創(chuàng)新，從規(guī)劃、政策層面支持海藻能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
　　此外，還要加強富油海洋微藻的科學研究。建議立項支持富油海洋微藻的研究工作，主要包括；1、富油藻種的篩選培育。重點加強藻種的生理生化分析、遺傳突變與良種培育、微藻的分子生物學與遺傳學研究。利用轉(zhuǎn)基因等分子水平的生物技術(shù)培育生長快、收率高、成本低的優(yōu)良工程藻種，盡快實現(xiàn)富油微藻藻種的大規(guī)模篩選和低成本微藻產(chǎn)物收集。2、微藻產(chǎn)／儲油機理的研究。查明微藻生油儲油的機理，提高光合作用效率，推動轉(zhuǎn)基因工程靶向選擇等方面的研究工作。3、微藻加工關(guān)鍵技術(shù)的研究。圍繞微藻油脂的高效提取，進行液化、分離、產(chǎn)氫、熱解等關(guān)鍵技術(shù)的研究，創(chuàng)造出中國特色的微藻加工提取系列技術(shù)。

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