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1、第三代生生物质能能：藻类类生物燃燃料 上海科学技术情报研究所陈晖 供稿2010-03-04关键字：藻类生物燃料 研发 进展 政策浏览量：184在众众多的非非粮食生生物质中中，藻类类具有分分布广泛泛、油脂脂含量高高、环境境适应能能力强、生生长周期期短、产产量高等等特点，用用藻类制制备生物物燃料的的研究开开发方兴兴未艾。美美国能源源部已进进行了220 多多年的研研究，取取得了很很大进展展，日本本、德国国、印度度等国也也都进行行了研发发。众多多的科研研机构、生生物燃料料公司、投投资公司司在该领领域投入入大量资资金，比比尔盖盖茨和洛洛克菲勒勒家族是是其中最最著名的的投资商商，壳牌牌（Shhelll）、
2、雪雪佛龙（CChevvronn）、埃埃克森美美孚公司司（Exxxonn Moobill）等大大型石油油公司也也正在与与有关机机构或公公司进行行合作研研究。相相关研究究人员认认为，利利用藻类类生产生生物燃料料具有广广阔的发发展前景景。藻类类生物燃燃料很可可能成为为未来最最重要的的可再生生能源之之一。11藻类类生物燃燃料的基基本生产产方法及及其经济济效益藻类类是最原原始的生生物之一一，通常常呈单细细胞、丝丝状体或或片状体体，结构构简单，整整个生物物体都能能进行光光合作用用，具有有光合效效率高、生生长周期期短、速速度快的的特点。藻藻类按大大小通常常分为大大藻（海海带、紫紫菜、裙裙带菜等等）和微微藻（
3、单单细胞或或丝状体体，直径径小于11mm）。其其中用于于制备生生物燃料料（乙醇醇、生物物柴油、燃燃料油或或者氢等等）的是是微藻。微微藻种类类繁多，分分布极其其广泛，其其生长几几乎不需需要特别别养分，只只要有阳阳光、水水和二氧氧化碳，无无论在海海洋、淡淡水湖泊泊等水域域，或在在潮湿的的土壤、树树干等处处都能生生存，也也可在不不适合种种植庄稼稼的土地地上种植植，甚至至可生长长在咸水水里。目前前用于生生产藻类类生物燃燃料的方方法主要要有光合合反应器器法、封封闭环路路系统法法和开放放池法。这这三种方方法要么么是近似似纯粹的的自然放放养（开开放池塘塘法），要要么是由由人工控控制某些些因素的的封闭式式培养
4、（固固化反应应器法和和封闭环环路法），三三者各有有利弊（见见下表11）。目目前，养养殖微藻藻的研究究主要集集中在封封闭式光光生物反反应器。大大规模养养殖的微微藻种类类主要有有螺旋藻藻、小球球藻、盐盐藻、栅栅藻等。 表1 藻藻类生物物燃料的的主要生生产方法法 名称基本工作原理利弊开放池塘法在池塘、湖面等封闭水域养殖藻类简便易行、成本较低的特点，但存在易污染、占地面积大、难以对水体和温度进行调节从而生产不稳定等缺点，发展受到很大限制封闭环路系统法在闭合的人造水渠中进行，含有藻类的液体在其中循环，循环过程中将藻类进行新陈代谢所需的二氧化碳和养分引入到水渠的液体中操作简单，培养条件、参数易控制，条件稳
5、定，成品质量高，可实现全年无菌纯种培养，能较大幅度地提高微藻细胞密度，其生长速率和生物量大幅度提高， 近些年已应用于微藻的商业性、高密度大规模培养生产。但封闭式光生物反应器在规模培养过程中的生产成本相对较高，成本为开放式池塘培养法的10 倍以上固化反应器法用一些透明管道装满工厂排出的废水和废气，管道内的藻类吸收废气中所含的二氧化碳，用于光合作用。同时，藻类排出氧气，生成用于提炼燃料的物质。资料料来源：根据相相关资料料整理、编编制（上上海科学学技术情情报研究究所）从燃燃料的生生产效率率来看，藻藻类较之之于粮食食类生物物质具有有明显的的优势（表表2）。海海藻的高高产率在在于海藻藻有高的的生长率率，
6、其生生长率常常常以小小时计而而不是以以天计，它它仅需土土地、阳阳光、水水、二氧氧化碳（成成为潜在在的碳捕捕集物）和和营养成成分。海海藻生长长循环实实际上可可看作是是一种碳碳封存机机制，因因为二氧氧化碳是是海藻生生长需要要的主要要供入物物。据称称，如果果从海藻藻生产美美国所有有需用的的柴油（6600亿亿加仑/年），则则海藻生生长可望望吸收美美国电厂厂排放二二氧化碳碳总量的的56%。表2 各各种原料料及其产产油潜力力作物产油量，加仑/英亩谷物18棉花35大豆48芥末籽61向日葵102油菜籽127麻疯树202棕榈油635海藻（在15%TAG 下，收获率10g/m2/d）1200海藻（在50%TAG
7、下，收获率50g/m2/d）10000注：g/mm2/d 为海藻藻的收获获率，TTAG%为三甘甘油酯百百分数资料料来源：松文，“海海藻生产产生物柴柴油的潜潜力和前前景”，精精细化工工原料及及中间体体，20008，（112）220-223在经济济效益方方面，相相关学者者1根据以以前开放放型池塘塘微藻生生产的研研究，预预测微藻藻生物燃燃油生产产成本为为391277美元/桶，按按照20006年年美元计计价则相相当于5502265美美元/桶桶。他们们分别运运行商业业规模的的2公顷顷面积的的生物反反应器和和开放型型池塘微微藻生产产系统，评评估生物物燃油生生产成本本分别为为84美美元/桶桶和933美元/桶
8、（220066年）。另另外，根根据美国国能源部部可再生生能源国国家实验验室（NNRELL）的数数据，每每公顷海海藻的生生物柴油油生产系系统的营营运成本本为1220000美元，其其中包括括了固定定资产折折旧、人人工、电电力、化化工原料料、维护护保养及及投资回回报等所所有经营营成本。据据此可测测算出，从从工程海海藻中提提取生物物柴油在在美国的的成本为为1344.4美美元/桶桶。这在在3040美美元/桶桶的低油油价时代代是没有有竞争力力的。如如果美国国政府现现在对所所有生物物燃油补补贴422美元/桶，微微藻生物物燃油在在国际原原油价格格高企的的今天，已已经比矿矿物燃油油具有价价格竞争争力。11022
9、0年后后，当世世界能提提供的石石油快要要耗尽时时，微藻藻生物燃燃油作为为高价石石油的替替代燃料料（如页页岩油和和沥青砂砂油）具具有更大大的价格格竞争力力。如果果考虑到到全球变变暖加剧剧，微藻藻生物燃燃油的价价格竞争争力更强强。2国内外外藻类生生物燃料料的研发发进展（11）国外外藻类生生物燃料料的研发发进展国外外对微藻藻的研究究起步较较早。早早在200世纪550年代代，美国国麻省理理工学院院就在校校园内建建筑物的的屋顶开开始进行行养殖藻藻类生产产生物燃燃料的试试验，并并在研究究报告中中第一次次提到了了藻类生生物燃料料。19978年年，美国国能源部部可再生生能源国国家实验验室开始始养殖微微藻生产产
10、生物燃燃料项目目（Aqquattic Spiicess Prrogrram，简简称ASSP 项项目）的的研究，研研究内容容从微藻藻筛选、微微藻生化化机理分分析、工工程微藻藻制备到到中试。该该项目持持续到119966年，在在实验室室研究的的基础上上，研究究人员在在美国加加利福尼尼亚州、夏夏威夷州州、新墨墨西哥州州等地进进行了中中试放大大。中试试装置运运行了一一年，可可获得高高达0.05kkg/(m2*d) 的工工程微藻藻，微藻藻含油量量达到440%60%。1997819996年累累计投入入科研经经费25505万万美元。该该研究室室是迄今今对微藻藻研究最最全面和和权威的的机构。由由于油价价上涨，2
11、20077年底美美国能源源部又将将这个中中断了111年之之久的项项目重新新启动。美、日等国的其他一些研究机构也开展了相关的工作，如1978 年美国科罗拉多州戈尔登太阳能研究所在一个直径20m的池塘中培植微藻，一年收获海藻4吨，从中提炼出300L以上的燃油。1988年日本一家公司发现绿藻能吸收大量二氧化碳生成油脂，提出了利用绿藻将二氧化碳转化为石油的设想。1993年，以色列耶鲁撒冷希伯里大学Ben-Zion Ginzberg教授成功地用高蛋白质含量的盐藻获得了低硫、低氮的优质石油。进入21世纪后，研究工作出现了新的进展，逐步从实验室走向中型规模验证和生产放大阶段。2002年，美国圣地亚国家实验室
12、在LiveFuels公司资助下，利用分子生物学反应工程技术进行增加微藻细胞含油量和产量方面的研究，经过5年的工作，制取出了性能类似大豆油的海藻油，油脂含量丰富，可生产生物燃料。其研究表明，仅需美国土地面积的0.3%就可生产出满足全美国需要的运输燃料。该项目的目标是到2010年研究获得经济可行的生物柴油。2005年12月，第一辆采用海藻燃料和大豆油（调合比例为19）的示范轿车在印度进行了1500km的实车实验。除了科研机构外，众多的生物燃料公司、投资公司也涌入了该研究领域。美国Sapphire 公司2008年9月宣布投资1 亿美元开展养殖海藻生产生物燃料的研究，Sapphire公司有两个引人注目
13、的投资商：比尔盖茨私人名下的一家投资公司（Cascade investments）和为洛克菲勒家族服务的投资合作商（Venrock Partner）。Sapphire公司宣称通过一种用太阳光、二氧化碳和光合海藻的工艺研制出了辛烷值达91的“绿色”汽油，而且生产的“绿色”燃料与现有的从炼油厂到加油站的销售网络设施完全兼容，显示了微藻汽油与第一代生物乙醇相比的优势所在。美国生物技术公司Solazyme于2008年7月9日生产出第一批海藻基可再生生物柴油，并已通过美国材料试验协会（ASTM）D-975 规格的认证。美国国际能源公司（International Energy）于2007年11月初宣布启
14、动“海藻变油”研发计划，将从基于海藻的光合成来生产可再生柴油和喷气燃料。美国GreenFuel技术公司开发的海藻技术于2005年在Arizona的APS电厂完成了中试。选用高生长率的海藻，置于装有水的大型试管内，并曝置于直接的阳光照射下。这项技术计划2008 年开始商业化生产。美国Algenol公司2008年7月宣布在美国Maryland投运了世界上最大的海藻库场，目标是在美国沿海地区建设海藻制乙醇工厂。该公司估算可从1英亩（约为4046.9m2）土地生产6000gal（1gal=3.785L）乙醇。按照估计，如果美国所需乙醇全部从海藻制取，则仅需使用谷物制取乙醇需用土地的3%。美国可再生能源
15、集团（REG）于2008年8月21日宣布，该公司已拥有规模化的商业化技术，可炼制和生产大量高质量的海藻生物柴油，柴油质量超过ASTM D6751 和EN 14214M 标准。REG 公司计划采用专有预处理技术对粗海藻油进行净化和精制。然后采用与目前商业规模生物柴油生产过程相似的系统，使之转化为生物柴油。美国Valencent产品公司和全球绿色解决方案公司合作开发的Vertigro工艺正处于工业应用准备阶段，包括海藻生长、海藻收集和萃取海藻油用于生物柴油3个步骤。工艺的核心是连续闭环生物反应器。在2530天之后就可收集海藻，海藻的含油量约为50%。Vertigro工艺的生物柴油产量要比用常规农作
16、物生产的生物柴油增加20倍，用水量只有5%。石油公司也加入了养殖海藻生产生物柴油的研究开发。壳牌公司（Shell）与美国从事海藻生物燃料业务的HR 生物石油公司（HR Biopetroleum）于2007年12月组建合资企业Cellena公司，在夏威夷用面积2.5hm2 的实验基地作为海藻养殖场，建设利用海藻生产植物油再转化为生物燃料的中试装置，进行为期2 年的生物柴油生产实验。雪佛龙公司（Chevron）也与美国可再生能源国家实验室、Solazyme公司签署了协议，共同开展研究工作。2009年7月14日，石油巨头埃克森美孚公司（Exxon Mobil）宣布将与Synthetic Genomi
17、cs Incorporated（合成基因公司）合作进行一项6亿美元的项目，开发下一代藻类生物燃料。（2）我国藻类生物燃料的研发进展虽然我国微藻养殖的历史不长，技术上与先进国家存在一定差距，但近10 多年来发展很快。尤其是螺旋藻的养殖发展十分迅速，1996 年产量曾达到世界总产量的40%以上。除螺旋藻外，盐藻、小球藻等微藻的养殖也开始受到重视。微藻生产生物燃料的研究取得了很大进展。清华大学生物技术研究所缪晓玲教授等通过异养转化细胞工程技术获得高脂含量的异养小球藻细胞，其脂含量高达细胞干重的55%（质量分数），是自养藻细胞的4倍。将制备的微藻离心分离获得微藻细胞，经蒸馏水洗和冷冻干燥成为粉状物后，
18、用正己烷萃取细胞中的油脂，分离除去萃取剂后得到皂化值和酸值分别为189.3mgKOH/g和8.97mgKOH/g的油脂，其相对分子质量为933，相当于菜籽油的相对分子质量。鉴于获得的油脂酸值较高，研究人员利用酸催化酯交换技术一步得到生物柴油和副产甘油，得到的生物柴油符合ASTM 相关标准。缪晓玲教授等还开发了微藻异养发酵生产生物柴油技术。通过细胞控制技术获得异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大量增加，蛋白质含量下降。利用独创的淀粉酶解和两步法半无菌培养基技术，以淀粉为原料发酵生产富油脂，实验室研究结果表明与常规制备技术相比，成本下降58倍，油脂质量分数达99%以上。山东海洋工程研究院与有
19、关机构合作开展了海藻的能源化利用研究，目前已在实验室取得了初步成果，培育出了富油微藻，最高含油量已达到68%，并在此基础上制取生物柴油。中国水产科学研究院、中科院海洋研究所等单位也正在开展以海洋藻类为原料生产生物柴油的研究。目前已建立了化学法和脂肪酶法生产生物柴油的关键技术与工艺路线，生物柴油的收率达到98%以上，收集获得了含油量超过28%的藻类，并对海藻油脂的提取进行了研究。该项目技术已完成了小试、中试，并已向北京、上海、湖北武汉、湖南长沙、河北廊坊和山东几家公司转让。抚顺石化研究院也已开展微藻利用的探索性研究，对能够利用二氧化碳并富集油脂的藻类进行筛选和培养，掌握了葡萄藻、小球藻、小环藻等
20、典型藻种的培养条件和生长特性。正在对藻种改良、光反应器，以及油脂、糖类、纤维素等目标产物分离进行深入研究。海南绿地微藻生物科技公司利用二氧化碳废气养殖微藻生产生物柴油的试验近日在海南省乐东黎族自治县获得成功，微藻含油量达到28%32%，该公司计划投资2980万美元在海南筹建干微藻项目，项目建成投产后可形成年产生物柴油30万吨的生产能力。3国外藻类生物燃料发展的政策简介藻类生物燃料作为有别于以粮食为基础的生物质能源，很多国家对其较为重视，具体体现在生物质能发展的鼓励政策当中。基于不同国情，各国为促进生物燃料发展和鼓励消费，政府采取了多种支持政策：（1）补贴支持由于当前生物燃料的生产成本普遍高于普
21、通燃油。为了保证该产业有利可图，各国政府纷纷向生物燃料产业提供大量补贴。发达国家每年在这方面的支持力度约为130亿150亿美元。除了直接对燃料作物的种植和加工等生产环节进行补贴。一些国家还对购买可通用普通和生物燃料的交通工具进行补贴，以期鼓励生物燃料的使用。（2）税收支持税收减免政策也是各国广泛采用的支持措施之一。例如，虽然巴西的生物燃料产业的竞争力很强。无需直接补贴，但为了推动该产业的进一步发展，巴西政府在税收上给予了一系列优惠政策，如免征生物燃料消费税、降低加工商的收入税等。2006年这方面免征税款共计10多亿美元。（3）金融支持各国还采取非经常补助金、贷款保证、贴息贷款等金融措施，在政策
22、上向生物燃料产业倾斜。2007年5月，美国国会共批准20亿美元，以贷款保证金的形式，指定援建其国内的生物炼油项目。加拿大政府于2007年初划拨了1.9亿美元贷款，支持可再生能源的项目建设。（4）边境措施一些国家对进口的生物燃料实施关税、进口配额等限制性措施，以保护国内相关产业。例如，欧盟对进口生物乙醇征收0.192欧元/L的关税，以保护国内产业免受国际市场的竞争压力。另一方面，阿根廷等主要出口国对生物燃料的原料农产品，如大豆、菜籽油的出口征收出口税，却对生物燃料出口免征出口税，以期推动国内产业发展，扩大国际市场份额。（5）技术标准为了鼓励生物燃料的应用，许多国家纷纷引入强制性混合比例，要求出售
23、的燃油中必须掺入一定比例的生物燃料。例如，哥伦比亚2006年初规定，在城市地区出售的所有汽油中必须添加10%的生物乙醇。欧盟更是在2003年就出台的“生物燃料条例”中规定，生物燃料在燃油总消费量中所占的比例应从2005年的3%提高到2010年的5.75%。 任小波等等，“海海洋生物物质能研研究进展展及其发发展战略略思考”，地地球科学学进展，220099，244（4）：40334110 松松文，“海海藻生产产生物柴柴油的潜潜力和前前景”，精精细化工工原料及及中间体体，20008，（112）220-223 王王蒙等，“以以海洋微微藻为原原料提取取生物燃燃料的研研究进展展与发展展趋势”，南南方水产产
24、，20009，55（1）：7480 HUNNTLEEYM E, REDDAHEE D G. CO22 miitiggatiion andd reenewwablle ooil froom pphottosyynthhetiic mmicrrobees: a nnew apppraiisall. MMitiigattionn annd AAdapptattionn Sttrattegiies forr Gllobaal CChannge, 20007, 122 ( 4 ) :5573 - 6608. 埃克克森美孚孚公司网网站：hhttpp:/m/coorpooratte/ 美国能能源部可可再生能
25、能源国家家实验室室（NRREL）网网站：hhttpp:/wwww.nrrel.govv/参考文献献1任任小波等等，“海海洋生物物质能研研究进展展及其发发展战略略思考”，地地球科学学进展，220099，244（4）：40334110 2松松文，“海海藻生产产生物柴柴油的潜潜力和前前景”，精精细化工工原料及及中间体体，20008，（112）220-223 3王王蒙等，“以以海洋微微藻为原原料提取取生物燃燃料的研研究进展展与发展展趋势”，南南方水产产，20009，55（1）：7480 4HHUNTTLEYYM EE, RREDAAHE D GG. CCO2 mittigaatioon aand rennewaablee oiil ffromm phhotoosynntheeticc miicroobess: aa neew aapprraissal. Miitiggatiion andd Addapttatiion Strrateegiees ffor Glooball Chhangge, 20007, 12 ( 44 ) :5773 - 6008. 5埃埃克森美美孚公司司网站：htttp:/wwww.eexxoonmoobill.coom/ccorpporaate/6美美国能源源部可再再生能源源国家实实验室（NNRELL）网站站：htttp:/wwww.nreel.ggov/