微藻生物柴油：標新立異中孕育創新

▲微藻培養池

▲微藻 圖片來源：百度圖片

　　微藻生物柴油作為一項涉及生物能源、碳堿排和農業生產三位一體的戰略性技術，吸引了全世界眾多研究機構、大學和企業參與研發。不過，現有的微藻生物柴油技術還很不經濟，投資大、成本高、占地多，這些是待解問題。

　　從微藻中提油，聽起來匪夷所思，但目前很多科學家正在打它的主意。

　　微藻生物柴油作為一項涉及生物能源、碳堿排和農業生產三位一體的戰略性技術，吸引了全世界眾多研究機構、大學和企業參與研發。國際上已將其作為先進生物燃料的主要發展技術路線之一。

　　正如中國工程院院士曹湘洪所說：“隨著技術進步及環境要求提高，微藻生物柴油技術會體現出競爭力。”

　　石油替代技術的主角

　　上世紀70年代到90年代的三次石油危機，促使高度依賴石油資源的美國等西方發達國家開始重視可持續的石油替代能源技術的研究。

　　“微藻生物能源技術成為這場技術開發的主角。”中科院青島生物能源與過程研究所研究員劉天中介紹說，微藻作為一類單細胞低等植物，理論面積產率可達每年每公頃250噸，遠高于任何陸上植物；而且藻細胞中積累高達50%~70%的油脂，非常易于催化轉化成生物柴油，甚至航空燃料。

　　美國能源部于1976年開始一項歷時20年的“水生生物物種計劃”，其重要目標就是要解決產油微藻的大規模生產技術。日本、加拿大、英國等也相繼將微藻生物柴油技術列入重大研究計劃。2000年后，全球碳減排的一致行動再次點燃了微藻生物柴油技術研究的熱潮。

　　“我國自‘十一五’末期，特別是在‘十二五’開始比較集中的研究。”中科院青島生物能源與過程研究所副所長呂雪峰研究員說，科技部先后部署了多項項目支持，包括中科院、中國海洋大學、華東理工大學等大力開展了相關技術研究。其中，中科院青島能源所系統建立了藻種選育、規模培養、加工利用等微藻能源全技術鏈的研發隊伍，在微藻生物能源的基礎研究、共性關鍵技術以及中試放大方面開展了系統性研究。

　　劉天中表示，這幾年，我國在遺傳育種、功能基因與代謝物組學、基因工程改造、規模培養與裝備技術以及生物柴油與航空生物燃料轉化方面取得了長足進步，總體水平與國外相當，部分技術甚至領先。

　　選育絲狀產油藻對抗“吃貨”

　　不過，兩院院士閔恩澤直言，開發微藻生物柴油還有很大難度，要大規模工業化生產，還有漫長、艱難的路要走。

　　“由于微生物侵染和爆發性原生動物呑噬導致的微藻培養污染，是在產油微藻培養中經常發生的故事。”劉天中告訴記者，微藻培育是微藻生物柴油發展的基礎，但當他們試圖進行大規模高密度培養時，各種各樣的“吃貨”都會蜂擁而至。

　　事實上，美國“水生生物物種計劃”研究最終未能建立起商業化的微藻生物能源體系，最重要的原因之一就是未能解決微藻規模培養中的污染問題。

　　劉天中帶領團隊，調酸、調堿、殺蟲劑……凡是能想到的方法都用上了，也沒什么效果。

　　突然有一天，劉天中受到魚類養殖的啟發：小魚苗必須投喂高營養小顆粒的餌料，所謂“螞蟻不能吞大象”。同時，他注意到，目前只有螺旋藻形成了真正意義的大規模商業化培養，培養過程很少發生嚴重污染。最可能的原因之一就是遠大于輪蟲尺寸的絲狀體螺旋藻不利于原生動物的呑噬。

　　于是，劉天中的團隊篩選了5株黃絲藻在實驗室進行培養生長和油脂評價。結果發現，其在12天培養后總油脂含量均可達51%~63%，其中可作為生物柴油的中性脂占總脂的80%以上，總脂和中性脂甚至比傳統的單細胞產油藻還高，生長也相當快。更重要的是其在開放池中試放大系統中經過一年數十個批次的規模培養，沒有發生輪蟲等原生動物的污染。

　　目前，他們已從國內多個生境中獲得了多株高產油絲狀藻，并進行了包括淡水和海水的其他絲狀藻的培養評價。這為解決能源微藻大規模培養的污染與收集問題提供了一條全新的途徑。

　　規模與成本仍是瓶頸

　　“現有的微藻生物柴油技術還很不經濟，投資大、成本高、占地多。”閔恩澤舉了個例子：一座3萬噸/年管式光反應器工業示范裝置的反應器就長達10.6萬米，占地面積17萬平方米，氮、鉀、鈣需求和耗電量驚人。

　　這也成為目前微藻能源技術產業化的主要障礙。

　　“多年來研究者試圖從培養工藝、裝備結構上進行改進，但提升效果都非常有限。”對此，劉天中提出了微藻“生物膜貼壁培養”概念，即將藻細胞接種在人工介質表面形成生長膜，提供少量培養基保持膜表面潤濕，在光照和二氧化碳環境中培養。這樣，光可以直接照到細胞表面而不像傳統的懸浮培養時發生在水體中的衰減，而且可以直接刮取藻泥，收集成本大大降低。

　　同時，劉天中又從大棚蔬菜的立體種植中得到啟示：把這些微藻生物膜以一定的方式立體排列，將過強的太陽光稀釋到更大培養面積上，一方面可以解決強光對藻的光抑制，另一方面可以提高太陽光能的利用率，從而提高培養面積產量。

　　“這較傳統的微藻液體培養模式產量提高了3~5倍，是目前文獻報道的最高水平。”劉天中說，他們目前已完成了200平方米的中試放大，這一全新的培養模式也已成為微藻培養技術的研究熱點。

　　“從全球看，微藻能源仍然處于研發示范階段。”呂雪峰認為，要實現微藻生物柴油的產業化，規模與成本仍然是需要大力解決的瓶頸問題。

　　劉天中表示，未來的研發目標一方面是要加強微藻生物學基礎理論的研究，加強具工業應用性狀的特色藻種的選育與改造，另一方面是要加強微藻規模培養創新方法和裝備技術的研發，解決效率、成本和規模放大問題。

　　“在繼續致力于微藻能源關鍵技術與裝備研究的同時，我們將采取‘基礎研究與應用開發相結合、高值化學品與能源產品相并行’的研發思路，推動微藻產業的形成與發展。”呂雪峰說。