[微藻生物：可培育的“绿色石油”] 微藻石油

　　对传统能源枯竭的焦虑，使人们打起了“生物质能源”的主意，实践证明，微藻生物能源的回报相比之下更高一些。 　　 　　2009年3月底，发改委宣布将汽、柴油价格每吨分别提高290元和180元。这是自今年1月15日成品油定价机制改革以来，根据“原油成本定价法”实施的首次油价调整。对此，国家发改委给出的解释是：油价调整鉴于近期国际油价持续上涨。
　　尽管金融危机爆发以后，全球原油价格不断下跌，但是石化能源消耗的不可持续性是不可能改变的，人们早就把眼光投向了生物质能源领域。生物质能源是地球上最普遍的一种可再生能源，它是通过植物光合作用，将太阳能以化学能的形式贮存在生物体内的一种能量形式，被称为绿色能源。但是如果用玉米、高粱等粮食来制作乙醇等生物质能源，将威胁全球的粮食安全。因此，对于生物质能源的原料，人们的目光一直集中在传统的陈化粮、木质素、动物油脂等领域，然而对于生物质能源的重要来源、开发前景同样广阔、属水生植物的藻类却认识不足。
　　作为一种重要的可再生资源，藻类具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等突出特点。而藻类中的微藻，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湿的土壤、树干处，在任何有光照且潮湿的地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定的二氧化碳，竟达全球二氧化碳固定量的40％以上。微型藻生物技术的开发，将为我国提供新的能源途径。
　　
　　阳光和水的结晶
　　
　　微藻，其细胞中含有独特的初级或次级代谢产物，化学成分复杂，太阳能转化效率可达到3.5％，因而作为能源原料的潜力十分巨大。从微藻中得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲酯，即生物柴油。与柴油相比，生物柴油除了具有较好的燃料性能、润滑性能和安全性能以外，还具有有害气体排放低的环保特性。在沸石催化剂的作用下，微藻通过热化学转化可以生产出汽油型燃料；生长在海水中的绿藻，能积累大量游离的甘油以平衡环境中的盐浓度，其甘油的含量可占自身干重的85％。
　　山东省科技厅副厅长、青岛国家海洋科学中心主任李乃胜说，通过微型藻类生产能源有很多优势一一微藻几乎能适应各种生长环境，不管是海水、淡水、室内、室外，还是一些荒芜的滩涂盐碱地、废弃的沼泽、鱼塘、盐池等都可以实现种植；微藻产量非常高，一般陆地能源植物一年只能收获一到两季，而微藻几天就可收获一代，而且不因收获而破坏生态系统，就单位面积产量来说比玉米高几十倍；不占用可耕地，藻类可以种植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同类型的水土资源，具有不与传统农业争地的优势；产油率极高，微藻含有很高的脂类(20％～70％)、可溶性多糖等，1公顷土地的年油脂产量是油菜籽的80倍；微藻加工工艺相对简单，微藻没有叶、茎、根，不产生无用生物量，易于被粉碎和干燥，预处理成本比较低微；微藻热解所得生物质燃油热值高，平均高达33MJ／kg(兆焦尔／千克)，是木材或农作物秸秆的1.6倍，最后，有利于环境保护，藻类植物能捕获空气中的二氧化碳，有助于控制温室气体排放。
　　微藻种植可与二氧化碳这样的温室气体地处理和减排相结合，据统计，占地1平方公里的养藻场可年处理5万吨二氧化碳，而且微藻不含硫，燃烧时不排放有毒有害气体，整个产油过程非常清洁。
　　据估算，我国盐碱地面积达1.5亿亩，假如用14％的盐碱地培养种植微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量可满足全国50％的用油需求。
　　此外，太湖区域蓝藻的大面积爆发，也使科研人员开始思考蓝藻的治理和利用问题，而将藻类转化成燃料油或许是太湖蓝藻变害为宝的良方。但要使这种“变化”成为经济可行的能源生产方式，还有很多问题要解决。譬如，藻细胞的收获、藻细胞中水分的脱除、灰分的降低等。
　　
　　高成本的门槛
　　
　　我国的内海域按自然疆界可达473万平方公里，向外海延伸至国际公共海域，面积更为广大。可以说，以微藻生产生物质能源，蕴含着海量的潜能。既然如此，为什么目前科研人员没有大规模地用藻类来生产生物质能源呢?
　　中国科学院水生生物所徐旭东研究员认为，高成本是目前的主要障碍。因为利用高等植物和微藻生产生物质能源，其能量都来自于太阳光。地球上单位面积、单位时间内接受到的太阳光能是在限定范围内的，要生产大量的生物燃料，必须依赖于大规模的植物或微藻生产面积。此外还要把这些微藻从广大面积上收集起来，再进行工业加工。因此，生产、收集和运输所耗费的能量与其可产出的能量之间的比例，是决定生物能源产业发展的关键。也就是说，微藻只有在单位面积上高密度产出，才是相对于其他高等植物产油的优势关键所在。
　　但以目前的技术水平，微藻培养也存在单位面积生产能耗大、投入成本高的问题，因此，要使微藻生物柴油成为真正的替代能源，降低微藻的生产能耗和成本至关重要。
　　徐旭东说，微藻的大规模培养主要有开放池和密闭反应器两类方式。开放池培养成本相对较低，但是藻类生长所达到的细胞密度较低，某些情况下容易被当地其他微藻侵染，水蒸发量大；密闭培养可达到较高的藻细胞密度，不易被杂藻侵染，水蒸发量小，但反应器造价和运转成本较高。因此，前途是需要发展出集二者优点，而回避各自缺点的新型培养方式。此外，微藻培养液中细胞只占很小一部分，绝大部分是水，还需要发展出低能耗的收集细胞，并循环使用培养液的技术。
　　尽管利用微藻生产生物质能源困难重重，但是我国科学家在此研究领域还是取得了重大突破。新奥集团副总裁、首席科学家甘中学说，新奥集团的微藻生物能源技术完全模拟生态环境运作――利用微藻的光合作用，让微藻在生长中吸收煤化工生产中排放的工业废气，再从培育出的微藻中提炼生物柴油以及其他高附加值产品。
　　微藻是一种单细胞高生长率的生物，每4小时可繁殖一代。甘中学说，“我们不但结合了微藻转基因工程改造、高通量筛选等技术，获取生长速度快、油脂含量高、适合工业生产的优良藻种；而且采用高密度立体养殖技术和高效低成本光生物反应器技术，提高光利用效率及二氧化碳吸收效率；还运用含氮、磷较高的工业废水回收技术和工业废热利用技术，提高养殖效率，降低养殖成本，实现微藻生物能源的产业化。”此外，微藻生物能源技术还将结合非燃烧催化气化技术、地下气化采煤技术、低成本制氢技术、甲烷化和发电技术等，实现煤基能源生产的“零”排放和“系统能效”最大化。
　　据悉，新奥集团目前已经完成实验室和中试规模的工艺技术路线，完成了研发中心试验平台建设与中试示范化工程。在此基础之上，新奥集团将于2012至2013年实现微藻生物能源的产业化和盈利，形成可复制的产业化单元技术，实现生物能源产品和高附加值产品的生产。 　　据统计，我国有大量低品位褐煤不易开采和利用。同时，传统煤矿的开采率只有40％至50％，以至于全国大约有370亿吨废弃煤。“这项技术可以对褐煤及废弃煤进行气化开采，利用率可达73％左右”，甘中学说。新奥集团在内蒙古乌兰察布建立了试验区，已经成功运行了9个月，目前是我国唯一掌握该技术的单位。
　　
　　全球热潮
　　
　　目前，微藻生物质能源已经在世界各国掀起了一股研究和开发热潮，很多发达国家在微藻生物质能源项目上投入了大量资金，这些资金不仅来自政府投入，还有相当大一部分来自实力雄厚的企业。
　　世界上以发展生物质能源产业为目的，并进行较大规模的微藻产油研究始于20世纪70年代末。1978年，美国能源部启动了一项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划，研究人员经过10多年的努力，从美国西部、西北、西南部和夏威夷采集并分离到了3000株微藻，筛选出其中300余株具备潜力的产油藻种。该研究计划还对其中生长速度快、油含量高的微藻采用开放池系统进行室外培养试验。
　　从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目。该项目利用微藻来固定二氧化碳，再从这些微藻中提炼出生物质能源。该项计划共有大约20多家私人公司和政府的研究机构参与，10年间共投资约25亿美元，筛选出多株高品质藻种，建立起了光生物反应器的技术平台，以及微藻生物质能源开发的技术方案。
　　2006～2008年，石油价格一度大幅上扬，大大刺激了微藻生物质能源产业化技术的开发，美国等发达国家的政府和企业在该领域纷纷投入巨资，在国际上掀起了一股势不可挡的热潮。
　　2006年11月30日，美国两家公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功地利用烟道气的二氧化碳，大规模“光自养”培养微藻，并将微藻转化为生物燃料。同时由美国著名实验室和科学家组成的国家联盟，宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”，计划在2010年实现微藻制备生物柴油的工业化。
　　新西兰某生物经济公司针对微藻生产的生物柴油，进行了世界首次概念验证。2006年12月，新西兰能源部长以生物柴油作为动力，驾驶一部未经改装的标准豪华休旅车，沿着威灵顿高速公路奔驰，这是生物柴油的光荣之路。
　　2007年末，国际能源公司宣布开发以微藻为原料生产可再生柴油和喷气燃料，稍后，美国公司投资70亿美元开展微藻生物柴油技术的研究，并在夏威夷建立了一个试验工厂通过利用海洋藻类的植物油生产生物柴油。接着，美国第二大石油公司宣布与美国能源部可再生能源实验室(NREL)协作开发微藻生物柴油技术，用作喷气式发动机等交通工具的燃油。
　　2008年3月10日，PetroSun公司宣布其位于美国得克萨斯州的微藻养殖场于2008年4月1日投入商业化运作，这是该公司初期的商业化微藻制生物燃料装置投产。现有的微藻养殖场的海水槽占地1100英亩，共包含94个5英亩和63个10英亩的海水池塘。
　　位于美国加州的Live Fuels公司正在资助一个由国家实验室(美国能源部的一个研究部门)领导的科学团队，从事一系列研究利用边际土地，在淡水或咸水环境中培养微藻，并且利用微藻生产油脂。该公司乐观地估计，2000～4000万英亩的边际土地生产出来的微藻油可以替代整个美国每年进口的石油，并且可以保留下整个美国4.5亿英亩的肥沃土地来种植粮食作物。
　　美国国防部于2008年底宣布投入2000万美元基金进行微藻生物柴油研究工作，主要目的在于在2010年前证实并使基于海藻的生物质燃料能够实现商业化并成为JP-8喷气燃料的替代品，该项目由遍布美国的各个机构共同实施，包括美国加州理工大学圣地亚哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源研究所(Hawaii Bio Energy in Honolulu)以及北达科他大学能源环境研究中心(University of North Dakotds Energy and Environmental research center)等。华盛顿州立大学的陈树林教授与波音公司合作，研究利用微藻开发战斗机用油。
　　除美国、日本、新西兰、荷兰等国以外，英国也不甘落后。据英国《卫报》消息，英国日前启动一项藻类生物燃料公共资助项目，计划将耗资2600万英镑，于2020年前实现利用藻类生产运输燃料以代替传统的化石燃料。
　　
　　中国微藻能源的开发
　　
　　在国际大环境之下，中国对微藻生物质能源的研究也处于领先水平。
　　2003年初，中国工程科学院组织各领域专家在北京召开了“生物柴油植物原料发展研讨会”。会上专家认为，藻类的生物量巨大，一旦高产油藻开发成功并实现产业化，我国生物柴油产业规模将达到数千万吨。
　　2006年底，在中国工程院主办的“2006中国生物质能源发展战略论坛”上，我国确定了自己的生物能源发展方针――“中国生物能源将以非粮作物为主，国家将采取各种优惠的财税政策，推进中国生物质能源的快速发展。”
　　2008年5月，中科院高技术研究与发展局、中国科学院生命科学与生物技术局与中石化石油化工科学研究院联合组织召开了“微藻生物柴油技术研讨会”。目前，浙江省也在积极筹划立项支持微藻生物柴油技术开发工作，拟建立微藻生物能源研究基地，利用其沿海优势开展海洋微藻生物能源方面的研究工作。
　　2009年3底，国家科技基础性工作专项重点项目“非粮柴油能源植物与相关微生物资源的调查、收集与保存”项目在广州启动实施。该项目拟在全国范围内开展非粮柴油能源植物和相关微生物资源的全面的科学考察、野外实地调查、相关数据资料的采集，摸清我国非粮柴油能源植物和相关微生物资源的家底，掌握能源植物和相关微生物资料的种类、分布、贮藏量、化学成分等科学资料和相关信息，提出重点开发的种类，为能源植物与微生物的研究和生物柴油产业的可持续发展提供支撑。
　　由于目前世界上绝大多数国家在微藻生物能源的研究开发上时间并不长，大部分的工作都是在最近几年刚刚开始。因而，“在微藻生物柴油开发方面，我国与发达国家相比差距并不明显，甚至处于领先地位。如何抓住当前的有利时机，整合优势资源，开发我国自己的微藻生物柴油技术，从而使我国在世界可再生能源研究领域占有一席之地，是我国政府、科研工作者和企业亟待思考和解决的问题，”甘中学这样说。
　　李乃胜建议称，迄今为止，微藻能源开发没有成熟的技术，没有成功的生产工艺，没有可借鉴的技术标准，没有现成的工业设备，因此它是一个全新的自主创新领域。因此，我国应加强对海藻生物燃料的战略性认识。建议把海藻能源列为未来生物质燃料产业的重要组成部分，特别是沿海地区，把海藻能源列入新能源的战略规划，从实际意义上实施中国的微型曼哈顿计划，大力强化海藻加工技术创新，从规划、政策层面支持海藻能源产业的发展。
　　此外，还要加强富油海洋微藻的科学研究。建议立项支持富油海洋微藻的研究工作，主要包括；1、富油藻种的筛选培育。重点加强藻种的生理生化分析、遗传突变与良种培育、微藻的分子生物学与遗传学研究。利用转基因等分子水平的生物技术培育生长快、收率高、成本低的优良工程藻种，尽快实现富油微藻藻种的大规模筛选和低成本微藻产物收集。2、微藻产／储油机理的研究。查明微藻生油储油的机理，提高光合作用效率，推动转基因工程靶向选择等方面的研究工作。3、微藻加工关键技术的研究。围绕微藻油脂的高效提取，进行液化、分离、产氢、热解等关键技术的研究，创造出中国特色的微藻加工提取系列技术。

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