日本藻類生物燃料的研究進展

劉 波，裴明遠

（1.遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001；2.天津工業大學 材料學院，天津 300387）

以藻類為原料生產生物燃料，是當今世界的熱門課題，也是生物燃料的發展方向[1]。與現已初步實現產業化的以玉米等糧食作物為原料制取生物燃料的方法相比，以藻類為原料的生物燃料的生產有其自身的發展優勢[1～8]。例如，藻類具有很強的繁殖能力，單位面積的產量非常高；不與農業用耕地及食料競爭；排水、生產水（produced water，在石油產業中，是指開采石油及天然氣時產出的水）、鹽水均可用于藻類的培養，無需使用有限的淡水；藻類吸收發電廠及其它產業排放的含大量CO2的排放氣中的C；藻類細胞中的油重質油含量高，但幾乎不含S；能生產有價值的副產品。

以微細藻類為原料生產生物燃料的技術研究，主要是以美國和日本為中心進行的，美國和日本走在了世界前列[9]，澳大利亞[10]和以色列也研究微細藻類。本文對日本藻類生物燃料的研究概況及日本藻類生物燃料的研究情況進行概述。

1 日本藻類生物燃料的研究概況

日本由原通產省及經產省實施了陽光計劃（1974～1993年）及新陽光計劃（1993～2000年）[11]。只是，活動內容以調查為中心，培養試驗等停留在實驗室規模，未進行大規模的示范試驗。

近年來，日本也開始關注藻類生物燃料的研究開發。2010年4月，筑波大學大學院、東京工業大學大學院、東北大學大學院、國立環境研究所、出光興產株式會社、日輝株式會社、住友重機械株式會社等大學及企業發起建立了“藻類產業創造財團”[12]，期待著對藻類生物燃料進行研究并實現商業化生產。

2 日本主要的藻類生物燃料的研究[2，9，12，13]

據報道，日本還沒有已進入試驗階段的藻類生物燃料項目，藻類生物燃料項目基本都在研究開發階段，被研究的藻類可分為3類。

2.1 Aurantiochytrium

2010年12月13～14日，在日本的筑波大學召開的“首屆亞洲大洋洲藻類創新高峰論壇”（The 1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit）[14]上，筑波大學大學院的渡邉信教授的研究團隊發表了可有效地生產油脂的Aurantiochytrium的相關內容。

Aurantiochytrium的特點是：與過去在日本國內主要研究的Botryococcus braunii相比，在適宜的溫度環境下其繁殖速度非常快，是Botryococcus braunii的36倍；油的生產效率達到Botryococcus braunii的10倍以上。

（1）Aurantiochytrium概要 Aurantiochytrium是不含葉綠素（無光合成）的從屬營養型的藻類，細胞呈球形，直徑為數微米。因為Aurantiochytrium本身不能進行光合成，所以通過吸收CO2以外的碳化合物（也就是通過其它植物的光合成而得到的有機碳化合物）進行繁殖進而生產油脂。

據文獻資料介紹，含Aurantiochytrium的Labyrinthulea類中還含有Schizochytrium limacinum（美國有很多Schizochytrium limacinum相關的研究報告）。眾所周知，Aurantiochytrium食用海水中的有機碳，在體內蓄積不飽和脂肪酸——Docosahexaenoic acid（簡稱為DHA）油脂。

在使用DNA進行解析之前，人們將Aurantiochytrium歸類為蘑菇和真菌類，從廣義上來說Aurantiochytrium也屬于藻類。從屬營養型的生物其生長速度比通過光合成生產碳水化物的獨立營養型生物要快。

（2）以Aurantiochytrium為原料生產生物燃料時存在的問題 以Aurantiochytrium為原料生產油脂，需要數倍于油脂產量的飼料。但是，如同Solazyme公司的工藝，作為營養物可使用由很多生物質得到的糖類及通過光合成得到的糖類。

2.2 Pseudochoricystis ellipsoidea

Pseudochoricystis ellipsoidea為5μm大小的綠色單細胞植物，是可生產柴油的微細藻，是日本海洋生物技術研究的藏野憲秀氏等人于2005年在溫泉發現的。

Pseudochoricystis ellipsoidea的特征是：通過光合成吸收CO2繁殖，但是如果N不足則在細胞內蓄積成分與柴油相當的烴油；此外，所蓄積的烴油的30%可轉化為柴油餾分，以殘渣為原料還可生產生物乙醇。因此，作為有助于應對地球溫暖化的藻類，Pseudochoricystis ellipsoidea倍受關注。

Pseudochoricystis ellipsoidea為單細胞，因此，其生產效率高于Botryococcus。目前，以DensoJapan為中心，與慶應義塾大學先進生命科學研究所一起進行研究開發[15]。應慶大學正在研究藻類轉化為油的機理，以便找到高效地生產油的培養條件。近來，中央大學、京都大學也致力于藻類生物燃料的研究。

2.3 Botryococcus braunii

Botryococcus braunii是生活在淡水中的藻類，形成綠色到紅色的30～500μm大小的菌格（colony）。通過光合成生產碳氫化合物，在細胞內及colony內部蓄積干燥質量的20%至75%的烴。

據筑波大學的報告，Botryococcus braunii的生產性為植物中生產性高的棕櫚油的3倍以上。

3 藻類生物燃料的展望

由藻類生產生物燃料的研究開發，正在以美國為中心如火如荼地進行著，包括從石油巨頭到風險投資公司在內的很多企業都在進行藻類生物燃料的研究。大部分項目都采用可進行光合成的藻類，但是還有一部分企業采用生產性高的從屬營養型藻類。

自然界中存在的藻類其種類非常多，在其中選出生物燃料的生產效率高、所生成的油脂的性狀接近于石油燃料的藻則需要較長的時間。

由藻類中提取油的操作，因所采用的工藝的不同其成本也大不相同。

使用可進行光合成的藻類的項目，需要較大面積的土地，對美國而言這是可行的。從成本方面考慮，一般認為可將價格降至能與石油抗衡的程度。

對提供廣闊的土地存在困難的日本而言，生長速度快、單位面積的產量高的從屬營養型藻類可操作性大。從屬營養型藻類可在一般的發酵罐中培養。對Aurantiochytrium而言，如果培養溫度為15℃則需要培養6h，如果溫度為20℃則需要4h。對煉油公司而言，使用Aurantiochytrium存在如下優點：煉油廠內存在大量的被排放的溫度較高的水，溫度容易控制；可用過去的技術對所生成的生物燃料進行改質及精制；可用現有的設備進行產品的存儲和運輸；如果組合使用光合成藻類與從屬營養型藻類，可將源于制氫裝置的CO2為原料。

5 結語

近年來，中國對石油產品的需求在穩步增長，而中國國內生產的石油不能滿足需求，因此，需要從中東進口大量石油，2010年的石油進口量比2009年增加了6%，原油對外依存度為52%[16]，在未來10年我國原油對外儲存度將達到60%～70%[17]。因此，為了開發石油替代能源從而確保未來能源安全，同時為了應對地球變暖問題，中國應大力開發藻類生物燃料的研究開發工作。

［1］姚國欣，王建明.第二代和第三代生物燃料發展現狀及啟示［J］.中外能源，2010,15（9）：23-37.

［2］宇野博志.藻類からのバイオ燃料製造の現狀［DB/OL］.（2011-03）.http://mitsui.mgssi.com/issues/report/r1103j_uno.pdf.

［3］藏野憲秀.バイオ燃料の新しい主役：微細藻類［J］.日本機械學會誌，2009，（3）：66-66.

［4］渡邉信.藻類バイオマスエネルギー技術の展望［DB/OL］.［2011-12-20］.

［5］張姍姍，李金偉.微藻生物燃料的遠景展望［J］.浙江化工，2011，42（7）：20-23.

［6］NEDO海外レポート.藻類系バイオ燃料の商業化（米國）［DB/OL］.（2010-09-15）.

［7］張璐瑤,李雪靜.利用微藻制備生物燃料現狀及應用前景［J］.潤滑油與燃料，2009，19（5/6）：15-18.

［8］李華，王偉波，劉永定，等.微藻生物柴油發展與產油微藻資源利用［J］.可再生能源，2011，29（4）：84-89.

［9］山﨑博.藻類生物燃料的生產［DB/OL］.［2008-11-04］.

［10］日本農林水産省.オランダにおける藻類利用の技術開発と地域での実用化推進に関する狀況調査［EB/OL］.（2012-02）.

［11］John Ferrell.National Algal Biofuels Technology Roadmap［DB/OL］.［2010-05］.

［12］井上勲.藻類産業創成コンソーシアム設立の趣意［DB/OL］.（2010-04）.

［13］JPEC石油エネルギー技術センター..藻類を用いたバイオ燃料の最新狀況［DB/OL］.（2011-06-16）.

［14］獨立行政法人科學技術振興機構.第一回アジア?オセアニア藻類イノベーションサミット開催報告［DB/OL］.(2011-12-26).

［15］Denso Japan.Research on the absorption of CO2and production of biofuel,using a microalga［DB/OL］.［2011-12-26］.

［16］YW.經濟、能源、石化相關事業的近況.［DB/OL］.2010-10-25.

［17］朱和，金云.中國煉油工業加快結構調整［N］.中國石化報，2010-05-25.