藻類:未來能源希望之光

□馮普凌

生物燃料在實驗研究和工業化領域中，都取得了引人注目的長足進展。但是，原油價格波動影響著生物燃料的市場。同時，以糧食作物為原料的第一代生物燃料和以非糧食作物為原料的第二代生物燃料，其初期投資會與糧食作物和土地成本價格的上升發生沖突。因此，以藻類為原料的第三代生物燃料，成為全球現在關注的熱點。目前，藻類生物燃料還未實現商業化，但有一些裝置正在建設。

藻類生物柴油受關注

第一代生物燃料（如生物乙醇）的原料是糧食作物，由于世界人口的不斷增長，可能會引發糧食短缺或糧價上漲，這將會給原料來源帶來挑戰。

第二代生物燃料的原料是非糧食作物的生物質廢料，如玉米或小麥的莖、柳枝稷和木材廢料等。第二代生物燃料（如纖維質乙醇）是將生物質廢料合成液體燃料。第二代生物燃料不涉及與人類糧食需求發生沖突的問題，但卻面臨生物質廢料的收集和處理等新難題。

第三代生物燃料以藻類為原料，可彌補前兩代生物燃料的缺陷。藻類可在新鮮水域或海洋環境中快速成長，將可自由利用的能源陽光、水和二氧化碳，轉化為存儲于藻類細胞脂質中的化學能，這些脂質可從藻類細胞中提取出來，合成生物燃料。從藻類提取出的脂質可轉化為汽車用生物柴油，或用于噴氣發動機的可再生柴油。藻類生物燃料無須改變目前市場上汽車發動機的現有基礎結構，且使用中排碳量低，無須大面積的原料生產基地。

藻類生物燃料中最受關注的是生物柴油。生物柴油的定義為長鏈脂肪酸烷基醚，原料是可再生能源，如蔬菜油、動物脂肪，有時還可使用烹調油。生物柴油可完全燃燒，可生物降解，無毒，具有無須添加硫和芳烴的潛在可能性。生物柴油不屬于石油，卻可以任何比例與石油燃料混合使用，可用于壓燃式發動機，即柴油機，并且基本無須對發動機進行改動。

生產優勢明顯

多數生物燃料的原料，如水生生物、農作物、林產等，可生產生物天然氣、生物氫、生物乙醇、生物油和生物柴油。這些生物燃料與化石燃料的燃燒過程相似，都是固定碳被轉化為二氧化碳，所以同樣存在碳循環的問題。另外，由于原料使用的是生物質，使自然資源過度消耗的問題日益嚴重。而藻類生物燃料對環境和土地的壓力較輕。

2002～2007年，全球生物柴油的生產能力以每年至少50%的速度增長。另外，生物柴油的迅猛發展也體現在產地分布的變化上。2005年，83%的生物柴油產于歐洲，其次是北美洲和亞洲，分別為8%和4%。而到了2007年，歐洲、北美洲和亞洲的份額則分別為55%、21%和15%。據預測，到2012年，歐洲的份額將下降到48.5%，依然名列第一，亞洲將上升到第二位，占20.2%，排名第三的北美洲占19.6%。

生物柴油代替化石柴油，并不存在重大的技術限制，而是受農作物油、動物脂肪等可用原料的限制以及用于生產原料的可耕種土地的限制。

為了減少石油進口，解決能源獨立性的問題，美國投入大量資金生產生物柴油，用于交通能源。生物柴油占領交通能源市場，需要極大的產量滿足需求。如果采用農作物油或是動物脂肪等原料，則需要大量土地，這將造成很大困難。而微藻為生物柴油的發展帶來了希望。據分析，美國可利用1%到3%的播種土地養殖微藻，以滿足該國50%的交通能源需求。

除了土地方面的優勢，藻類的另一個優點是生長迅速。通過研究發現，無論在任何地方，微藻都可以在4～24小時內，使其生物質成倍生長?；谖锓N、生長條件和其他因素，微藻中的油成分在20%到80%之間。具有高含油量的微藻，更能滿足生物柴油的生產需要。

企業加大投入優化工藝

為了解決高額成本帶來的難題，各大公司的工藝優化項目正在進行當中。一些大型石油公司如?？松梨凇hevron和BP已宣布投資進行研發，并與一些創業集團和大學實驗室開展合作。其中最大的一個項目是，埃克森美孚于2009年7月作出的6億美元投資，該公司與基因學家Craig Venter 創辦的Synthetic Genomics公司開展合作。

藻類培植方法分為光合藻和異養藻兩種。目前，多數公司致力于光合藻工藝的研究。利用該工藝，藻類可將二氧化碳和陽光轉化為化學能，然后轉化/儲存為脂質或油。光合藻可在開放式池塘或是光—生物反應器中生長。異養藻是一種可替代工藝，可在發酵罐中利用糖或植物材質等固定碳資源生長，可在陽光下以極高的效率將這些資源轉化為脂質。

一些企業利用開放式池塘進行藻類培植，包括Aurora生物燃料公司在美國佛羅里達州建設的試點項目。HR Biopetroleum公司與殼牌公司的合資企業Cellana公司是藻類生物燃料的創始者，在美國夏威夷建立開放式池塘試驗廠。美國Livefuels公司正致力于綠色資源與現有煉油基礎設備一體化的研究。美國PetroAlgae公司正在建立藻類培植實驗基地。美國PetroSun公司計劃開發藻類鹽水池塘。其他還有不少在開放式池塘培植光合藻的企業。

還有一些企業利用光—生物反應器等封閉式系統培植藻類。加拿大Valcent公司在美國得克薩斯州的EI Paso建立了試驗裝置，研發出一種封閉式循環操作的高密度立式光—生物反應器。美國Sapphire Energy公司正致力于生產可再生汽油。Solix Biofuels公司在美國科羅拉多州的FortColins建立試驗裝置，進行用可擴展型封閉式光—生物反應器生產生物燃料的研究。美國OriginOil公司正在開發螺旋式生物反應器，在螺旋部分安置了低能光；OriginOil公司與Desmet Ballestra公司開展合作，將試驗廠的小試規模擴大為中試規模。美國Algenol Biofuels公司采用三角式光—生物反應器，以微藻為原料生產乙醇。

美國Solazyme公司開發出一種新型異養藻工藝，通過改變微藻基因，利用糖、蔗糖或葡萄糖等固定碳資源，使微藻在黑暗的環境下生長。這種方法不需要陽光，以大型不銹鋼容器代替了大面積的開放式池塘或大量玻璃/塑料管，使工藝過程簡化。另外，研究者發現，這種在黑暗環境中生長的異養藻，其生長密度可大于光合自養藻的1000倍。

制定標準規范市場

美國制定了生物燃料行業標準ASTM D 6751，歐洲制定了生物燃料行業標準EN 1421，燃料級生物柴油必須符合這些國家和地區的相應標準，以確保燃料性能。如果生物柴油與石油燃料混合使用，那么必須對混合比例進行標注，例如B40，表示生物柴油占40%，石油燃料占60%。美國新可再生燃料法，特別指出藻類生物燃料需遵循可再生燃料標準中纖維質生物燃料的相關規定。另外，美國還將向藻類生物燃料生產商提供優惠政策，每加侖的藻類生物燃料享受1.01美元的所得稅減免。

雖然到目前，藻類生物燃料還處于起步階段，但政府的政策法規將大大推動藻類生物燃料的工業化，眾多公司的研究與實踐也將有力促進其商業化。