微藻生物柴油：标新立异中孕育创新

来源：中国科学报   发布者：张荐辕   日期：2015-01-04  

微藻生物柴油作为一项涉及生物能源、碳碱排和农业生产三位一体的战略性技术，吸引了全世界众多研究机构、大学和企业参与研发。不过，现有的微藻生物柴油技术还很不经济，投资大、成本高、占地多，这些是待解问题。 从微藻中提油，听起来匪夷所思，但目前很多科学家正在打它的主意。 微藻生物柴油作为一项涉及生物能源、碳碱排和农业生产三位一体的战略性技术，吸引了全世界众多研究机构、大学和企业参与研发。国际上已将其作为先进生物燃料的主要发展技术路线之一。 正如中国工程院院士曹湘洪所说：“随着技术进步及环境要求提高，微藻生物柴油技术会体现出竞争力。” 石油替代技术的主角 上世纪70年代到90年代的三次石油危机，促使高度依赖石油资源的美国等西方发达国家开始重视可持续的石油替代能源技术的研究。 “微藻生物能源技术成为这场技术开发的主角。”中科院青岛生物能源与过程研究所研究员刘天中介绍说，微藻作为一类单细胞低等植物，理论面积产率可达每年每公顷250吨，远高于任何陆上植物；而且藻细胞中积累高达50%~70%的油脂，非常易于催化转化成生物柴油，甚至航空燃料。 美国能源部于1976年开始一项历时20年的“水生生物物种计划”，其重要目标就是要解决产油微藻的大规模生产技术。日本、加拿大、英国等也相继将微藻生物柴油技术列入重大研究计划。2000年后，全球碳减排的一致行动再次点燃了微藻生物柴油技术研究的热潮。 “我国自‘十一五’末期，特别是在‘十二五’开始比较集中的研究。”中科院青岛生物能源与过程研究所副所长吕雪峰研究员说，科技部先后部署了多项项目支持，包括中科院、中国海洋大学、华东理工大学等大力开展了相关技术研究。其中，中科院青岛能源所系统建立了藻种选育、规模培养、加工利用等微藻能源全技术链的研发队伍，在微藻生物能源的基础研究、共性关键技术以及中试放大方面开展了系统性研究。 刘天中表示，这几年，我国在遗传育种、功能基因与代谢物组学、基因工程改造、规模培养与装备技术以及生物柴油与航空生物燃料转化方面取得了长足进步，总体水平与国外相当，部分技术甚至领先。 选育丝状产油藻对抗“吃货” 不过，两院院士闵恩泽直言，开发微藻生物柴油还有很大难度，要大规模工业化生产，还有漫长、艰难的路要走。 “由于微生物侵染和爆发性原生动物呑噬导致的微藻培养污染，是在产油微藻培养中经常发生的故事。”刘天中告诉记者，微藻培育是微藻生物柴油发展的基础，但当他们试图进行大规模高密度培养时，各种各样的“吃货”都会蜂拥而至。 事实上，美国“水生生物物种计划”研究最终未能建立起商业化的微藻生物能源体系，最重要的原因之一就是未能解决微藻规模培养中的污染问题。 刘天中带领团队，调酸、调碱、杀虫剂……凡是能想到的方法都用上了，也没什么效果。 突然有一天，刘天中受到鱼类养殖的启发：小鱼苗必须投喂高营养小颗粒的饵料，所谓“蚂蚁不能吞大象”。同时，他注意到，目前只有螺旋藻形成了真正意义的大规模商业化培养，培养过程很少发生严重污染。最可能的原因之一就是远大于轮虫尺寸的丝状体螺旋藻不利于原生动物的呑噬。 于是，刘天中的团队筛选了5株黄丝藻在实验室进行培养生长和油脂评价。结果发现，其在12天培养后总油脂含量均可达51%~63%，其中可作为生物柴油的中性脂占总脂的80%以上，总脂和中性脂甚至比传统的单细胞产油藻还高，生长也相当快。更重要的是其在开放池中试放大系统中经过一年数十个批次的规模培养，没有发生轮虫等原生动物的污染。 目前，他们已从国内多个生境中获得了多株高产油丝状藻，并进行了包括淡水和海水的其他丝状藻的培养评价。这为解决能源微藻大规模培养的污染与收集问题提供了一条全新的途径。 规模与成本仍是瓶颈 “现有的微藻生物柴油技术还很不经济，投资大、成本高、占地多。”闵恩泽举了个例子：一座3万吨/年管式光反应器工业示范装置的反应器就长达10.6万米，占地面积17万平方米，氮、钾、钙需求和耗电量惊人。 这也成为目前微藻能源技术产业化的主要障碍。 “多年来研究者试图从培养工艺、装备结构上进行改进，但提升效果都非常有限。”对此，刘天中提出了微藻“生物膜贴壁培养”概念，即将藻细胞接种在人工介质表面形成生长膜，提供少量培养基保持膜表面润湿，在光照和二氧化碳环境中培养。这样，光可以直接照到细胞表面而不像传统的悬浮培养时发生在水体中的衰减，而且可以直接刮取藻泥，收集成本大大降低。 同时，刘天中又从大棚蔬菜的立体种植中得到启示：把这些微藻生物膜以一定的方式立体排列，将过强的太阳光稀释到更大培养面积上，一方面可以解决强光对藻的光抑制，另一方面可以提高太阳光能的利用率，从而提高培养面积产量。 “这较传统的微藻液体培养模式产量提高了3~5倍，是目前文献报道的最高水平。”刘天中说，他们目前已完成了200平方米的中试放大，这一全新的培养模式也已成为微藻培养技术的研究热点。 “从全球看，微藻能源仍然处于研发示范阶段。”吕雪峰认为，要实现微藻生物柴油的产业化，规模与成本仍然是需要大力解决的瓶颈问题。 刘天中表示，未来的研发目标一方面是要加强微藻生物学基础理论的研究，加强具工业应用性状的特色藻种的选育与改造，另一方面是要加强微藻规模培养创新方法和装备技术的研发，解决效率、成本和规模放大问题。 “在继续致力于微藻能源关键技术与装备研究的同时，我们将采取‘基础研究与应用开发相结合、高值化学品与能源产品相并行’的研发思路，推动微藻产业的形成与发展。”吕雪峰说。

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