國內(nèi)外海洋能源微藻技術(shù)及產(chǎn)業(yè)分析

朱延雄　王春莉　王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

國內(nèi)外海洋能源微藻技術(shù)及產(chǎn)業(yè)分析

朱延雄王春莉王靜

（青島市科技信息研究所山東青島266003）

本文針對(duì)海洋微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的特點(diǎn)，研究分析國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新資源的布局、關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出適合我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議。

海洋；微藻；生物質(zhì)能源；對(duì)策建議

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危機(jī)已迫在眉睫，對(duì)生物質(zhì)能等可再生能源的關(guān)注漸成熱點(diǎn)。在眾多的非糧生物質(zhì)中，海洋微藻具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長周期短、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，可用于制備生物燃料（乙醇、生物柴油、燃料油或者氫等），并兼?zhèn)涮紲p排的功效。海洋微藻生物質(zhì)能源的研究已經(jīng)成為全球生物質(zhì)能源研究的重點(diǎn)，利用微藻生產(chǎn)生物燃料具有廣闊的發(fā)展前景。

1海洋微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的特點(diǎn)和優(yōu)勢

海洋生物質(zhì)能源是海洋植物利用光合作用將太陽能以化學(xué)能的形式貯存的能量形式，此類海洋生物質(zhì)的主要來源為海洋藻類，包括海洋微藻和大型海藻等，目前較為熱門的是對(duì)海洋微藻的研究，主要原因是海洋微藻具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢。

生長周期短，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可大量提供非糧食可再生的生物質(zhì)能。

適應(yīng)能力強(qiáng)，不爭地，不爭水：微藻具有鹽堿適應(yīng)能力，可利用海水、地下鹵水等在灘涂、鹽堿地進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)，無需占用農(nóng)業(yè)用地，也不消耗淡水資源；而且利用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻，其養(yǎng)殖過程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

大量積累脂質(zhì)，可高效生產(chǎn)生物燃油：一些產(chǎn)油微藻的脂肪酸總量可達(dá)干重的50%～90%，有望成為最有前景的生物燃油來源。

具有減排效應(yīng)，可以直接處理工業(yè)廢氣：微藻可以通過光合作用利用廢氣和廢水，不僅能緩解溫室氣體的排放，而且可以通過利用廢水、廢氣降低生產(chǎn)成本，具有顯著減排效應(yīng)，有望進(jìn)行商業(yè)化減排。

可高值化綜合利用：微藻含有豐富的生物活性物質(zhì)，在制備生物燃油的同時(shí)可進(jìn)行高值化綜合利用，相對(duì)降低微藻產(chǎn)油的成本。可開發(fā)的高值產(chǎn)品包括蝦青素、活性蛋白、活性多糖、不飽和脂肪酸、天然色素、生物肥料和餌料等。

2海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)構(gòu)成及開發(fā)流程

海洋微藻生物質(zhì)能源的產(chǎn)業(yè)開發(fā)主要包括海洋微藻藻種的篩選、大規(guī)模培養(yǎng)、采收，以及生物燃料制備工藝等方面。

表1海洋微藻能源產(chǎn)業(yè)開發(fā)流程及配套技術(shù)

2.1藻種的選育

藻種的選育主要是篩選生長快速、適應(yīng)性強(qiáng)的適宜生物質(zhì)能開發(fā)的優(yōu)良藻種，采用傳統(tǒng)選育與分子生物學(xué)相結(jié)合的方法改良藻種。

國內(nèi)外的科學(xué)家利用各種方法已選育出了幾種含油量較高的藻種，包括小球藻、異養(yǎng)小球藻、鹽藻、角毛藻等，為低成本的生物燃料生產(chǎn)提供了原料支持。

2.2微藻的大規(guī)模培養(yǎng)

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的選擇需考慮幾個(gè)方面：微藻的生理學(xué)特性、地產(chǎn)投資、勞工、能源、水、營養(yǎng)、天氣(室外培養(yǎng))以及最終產(chǎn)品的形式。

水自古以來就與人類的生活環(huán)境緊密相關(guān)，在各類造景元素中，水景的營造一直是居住區(qū)景觀中備受關(guān)注的熱點(diǎn).人們普遍有親水的傾向和心理，水景作為第四代建筑的基本設(shè)計(jì)理念已得到設(shè)計(jì)師們的一致認(rèn)可，并倍受用戶青睞.從住宅外環(huán)境的裝飾點(diǎn)綴到依水而建、擇水而居再到現(xiàn)在流行的住宅區(qū)大面積人工水景設(shè)計(jì)，水景始終是居住空間的重要賣點(diǎn)[1].水景已經(jīng)深深融入到城市景觀建設(shè)之中，增添了城市的詩韻與靈動(dòng).

目前，微藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要有三種方式：傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)、封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)和封閉式的發(fā)酵罐生產(chǎn)。

2.3微藻的采收

微藻生物量的采收過程是生產(chǎn)過程的一個(gè)限制因素，需根據(jù)微藻的特性及經(jīng)濟(jì)因素選擇不同的方法和試劑，一般采用化學(xué)絮凝、離心和氣浮三種方法。

2.4以微藻為原料提取生物燃料

從微藻里提取生物燃料所使用的方法主要有直接液化技術(shù)、熱解技術(shù)等。

高溫高壓液化技術(shù)或超臨界流體萃取技術(shù)：可獲得細(xì)胞中的油脂，再通過酯交換技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峒柞ィ瓷锊裼汀?/p>

HTU技術(shù)（Hydro Thermal Upgrading Process）：另一種將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料的工藝，將生物質(zhì)材料置于裝水的高壓容器中軟化成糊狀，然后液化，經(jīng)脫羧處理和去O2后獲得生物原油。

利用微藻直接熱解制備生物燃料：即在隔絕空氣條件下加熱使微藻生物質(zhì)降解成氣體、液體和固體等多種產(chǎn)物，包括快速熱解（主要產(chǎn)物是焦炭，副產(chǎn)物為生物油）和慢速熱解(主要產(chǎn)物是生物油和可燃?xì)怏w)。

3全球創(chuàng)新資源分布及國內(nèi)外主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

目前有關(guān)微藻能源技術(shù)的研究，無論是發(fā)明機(jī)構(gòu)還是發(fā)明人均較為分散，但主要分布在美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家。美國在海洋微藻能源的研究應(yīng)用方面占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢地位。

我國有關(guān)能源微藻的研究主要分布在北京、青島、大連、上海的高校及科研機(jī)構(gòu)中，仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段的探索性研究，距離產(chǎn)業(yè)化還有非常大的距離。

3.2國內(nèi)外主要研發(fā)機(jī)構(gòu)及技術(shù)

該領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)大多同時(shí)涉及藻種選育、培養(yǎng)、采集、燃料制備等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的技術(shù)研發(fā)，設(shè)計(jì)采用的集成系統(tǒng)，可完成微藻培養(yǎng)、采集、燃料制備等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。國內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)見表2、表3。

表2國外研發(fā)機(jī)構(gòu)及技術(shù)

表3國內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)及技術(shù)

4海洋微藻生物質(zhì)能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1專利技術(shù)分析

通過對(duì)涉及海洋微藻養(yǎng)殖技術(shù)、富油藻種選育、微藻燃料制備技術(shù)專利文獻(xiàn)的檢索分析發(fā)現(xiàn)，美國、中國、澳大利亞、日本、韓國以及歐洲國家的海洋微藻生物質(zhì)能源技術(shù)的專利數(shù)量遠(yuǎn)高于其他國家的專利申請(qǐng)數(shù)量。美國在海洋微藻能源的研究應(yīng)用方面占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢地位。藻類生物燃料市場主要由北美和歐洲的公司主導(dǎo)，同時(shí)印度、以色列和中國的一些企業(yè)也在逐漸加大在該領(lǐng)域的研發(fā)投入。

我國的微藻能源科研力量大多集中在大專院校及科研機(jī)構(gòu)中，企業(yè)專利權(quán)人特別是生物燃料公司占比極小，沒有形成以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化體系。這類專利雖然有些處于比較前沿的地位，但是要想將這些技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，還需要與企業(yè)的合作，而國內(nèi)企業(yè)在海洋微藻能源上的研發(fā)能力仍急需提高。

4.2國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，藻類生物燃料的研究工作出現(xiàn)了新的進(jìn)展。美國、日本、德國、印度等國政府都已投入大量的資金及啟動(dòng)相關(guān)的計(jì)劃進(jìn)行海洋微藻生物質(zhì)能源的研究開發(fā)。國際上眾多的科研機(jī)構(gòu)、生物燃料公司、投資公司紛紛宣布開發(fā)微藻產(chǎn)油技術(shù)，在該領(lǐng)域投入大量資金，其中包括比爾·蓋茨和洛克菲勒家族、國際石油巨頭殼牌(SHELL)石油公司與雪佛龍(CHEVRON)石油公司、美國國防部、國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)、麻省理工學(xué)院(MIT)等，部分企業(yè)宣稱已完成了中試，生產(chǎn)出了符合標(biāo)準(zhǔn)的生物柴油,擁有規(guī)模化的商業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，微藻能源研究正從試驗(yàn)階段逐步進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用準(zhǔn)備階段。

我國的海洋生物質(zhì)能研究也已取得了一定進(jìn)展，在海藻種質(zhì)資源和低成本生產(chǎn)技術(shù)上具備良好積累。中國科學(xué)院等高校、科研機(jī)構(gòu)以及少數(shù)企業(yè)已在開展微藻能源研究工作，但大多屬于實(shí)驗(yàn)室的探索性研究，微藻油脂的提取、轉(zhuǎn)化等技術(shù)仍然屬于實(shí)驗(yàn)室的小試階段性成果，極少見中試規(guī)模以上的實(shí)施案例報(bào)道，距離產(chǎn)業(yè)化還有非常大的距離。

4.3海洋微藻生物質(zhì)能源技術(shù)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢分析

國內(nèi)外的核心技術(shù)及研發(fā)熱點(diǎn)基本趨于一致，主要集中在優(yōu)良藻種選育（加快微藻的生長速度、提高微藻的光合效率、增加微藻的含油量）、高效低成本培養(yǎng)模式（提高產(chǎn)量、縮短周期、選擇最佳環(huán)境條件和培養(yǎng)基組成的大規(guī)模養(yǎng)殖系統(tǒng)）、生物質(zhì)能高效轉(zhuǎn)化技術(shù)（生物發(fā)酵制備生物丁醇技術(shù)和發(fā)酵制氫技術(shù)，生產(chǎn)生物柴油的酯化反應(yīng)技術(shù)、超臨界萃取液化技術(shù)、高壓液化技術(shù)，其他用于制取生物燃料的熱解、氣化技術(shù)）以及高值化綜合利用模式等方面的研究。這些共性關(guān)鍵技術(shù)是海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸。

盡管藻類生物能源的研究取得了很大進(jìn)展，但目前所有藻類燃料公司所面臨的最大挑戰(zhàn)都是成本控制問題，微藻生物能源成本居高不下制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在未來幾年之內(nèi)，藻種的篩選、技術(shù)的改善、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化及設(shè)備制造成本下降，都將是直接影響微藻生物柴油成本下降的重要因素。目前在全部流程環(huán)節(jié)中，并沒有哪一項(xiàng)技術(shù)占的成本比重最大，因此最終要在產(chǎn)油微藻產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化開發(fā)方面取得突破，必須在各個(gè)環(huán)節(jié)都著力降低成本。而進(jìn)行以微藻油脂為主線，蛋白質(zhì)、多糖、脂肪酸等的聯(lián)產(chǎn)與綜合利用，既是現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)對(duì)資源綜合利用的必然要求，也是在目前技術(shù)條件下有效降低藻油生產(chǎn)成本、早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的必由之路。

5結(jié)語

發(fā)展海洋微藻生物質(zhì)能源已成為世界各國的重大國家戰(zhàn)略需求。目前國內(nèi)外的藻生物質(zhì)能源技術(shù)尚未成熟，研發(fā)熱點(diǎn)基本一致，圍繞微藻能源技術(shù)展開的競爭將越來越激烈，且已呈現(xiàn)全面提速的態(tài)勢。我國海洋微藻基礎(chǔ)研究力量較強(qiáng)，在海藻種質(zhì)資源和低成本生產(chǎn)技術(shù)上具有良好積累，應(yīng)加強(qiáng)富油藻種選育、高效低成本培養(yǎng)模式建立、生物質(zhì)能高效轉(zhuǎn)化技術(shù)以及高值化綜合利用等核心技術(shù)的研發(fā)，突破產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸，促進(jìn)海洋微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

[1]李乃勝.關(guān)于發(fā)展海藻生物能源的認(rèn)識(shí)與建議.科學(xué)時(shí)報(bào), 2009，02，09年02月09日.

[2]任小波,等.海洋生物質(zhì)能研究進(jìn)展及其發(fā)展戰(zhàn)略思考.地球科學(xué)進(jìn)展，2009,4,24(4):403-410.

[3]鄭洪立,等.產(chǎn)生物柴油微藻培養(yǎng)研究進(jìn)展.中國生物工程雜志, 2009,29（3）110-11.

[4]劉永平.海藻生物燃料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的進(jìn)展.中外能源，2009,14: 31-38.

[5]王蒙,等.以海洋微藻為原料提取生物燃料的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢,南方水產(chǎn),2 0 0 9,2,5(1):74-80.

[6]錢伯章.微藻生產(chǎn)生物燃料及其技術(shù)進(jìn)展（下）.太陽能，2009.11: 33-35.

朱延雄，高級(jí)工程師，從事科技情報(bào)研究工作。