作為可再生的生物質(zhì)能源以及減排二氧化碳的有效途徑，微藻近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。圖為反應(yīng)器里的微藻。（CFP 供圖）

　　微藻，這個(gè)自然界中肉眼看不見(jiàn)的微米級(jí)生物體，近年來(lái)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。人們對(duì)于它的熱情在于這個(gè)“小東西”為解決人類(lèi)所面臨的兩個(gè)最為棘手的重大問(wèn)題帶來(lái)無(wú)限遐想——化石能源危機(jī)和二氧化碳排放。

　　有人曾推算，在技術(shù)成熟的條件下，如果能利用國(guó)內(nèi)14%的鹽堿地培養(yǎng)種植微藻，生產(chǎn)的柴油量就可滿(mǎn)足全國(guó)50%的需求；而它對(duì)二氧化碳的減排作用也為解決煤化工高碳排放問(wèn)題帶來(lái)了希望。

 
　　那么，微藻真的能擔(dān)當(dāng)起如此重任嗎？微藻能源產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程還有多遠(yuǎn)？其中還有哪些難關(guān)要攻克？帶著這些疑問(wèn)，記者對(duì)有關(guān)企業(yè)和研究單位進(jìn)行了采訪(fǎng)。

在新奧集團(tuán)位于內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗的微藻生物固碳示范項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，工作人員正在向記者介紹微藻養(yǎng)殖情況。  （本報(bào)記者 李聞芝 攝）

　　微藻生物能源優(yōu)勢(shì)多

　　進(jìn)入21世紀(jì)，小小的微藻成為石化產(chǎn)業(yè)界廣受關(guān)注的一顆新星。一方面，能源的大量消耗，給人們帶來(lái)對(duì)化石能源終將枯竭的擔(dān)憂(yōu)；另一方面，伴隨化石能源的大量消耗，二氧化碳過(guò)度排放，造成了對(duì)大氣環(huán)境的破壞。于是，世界各國(guó)紛紛開(kāi)始尋找替代石油的可再生生物質(zhì)能源以及減排二氧化碳的有效途徑。在這樣的背景下，微藻進(jìn)入了人們的視野。

　　作為地球上最古老的初級(jí)生產(chǎn)者之一，微藻可以通過(guò)光合作用，吸收二氧化碳，釋放氧氣，而且光合速率高、繁殖快、適應(yīng)環(huán)境性強(qiáng)。研究結(jié)果表明，微藻的一大特點(diǎn)就是生物質(zhì)產(chǎn)量非常高，可達(dá)到陸地植物的300倍。微藻的產(chǎn)油效率相當(dāng)高，其脂類(lèi)含量在20%～70%，這是陸地植物所不能比擬的。在1年的生長(zhǎng)期內(nèi)，1公頃玉米能產(chǎn)172升生物質(zhì)燃油，大豆能產(chǎn)446升，油菜籽能產(chǎn)1190升，棕櫚樹(shù)能產(chǎn)5950升，而微藻所產(chǎn)生物質(zhì)燃油量高達(dá)95000升。高產(chǎn)油量，為微藻生物柴油的商業(yè)化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授傅鵬程介紹說(shuō)，通過(guò)微藻合成的生物柴油主要成分是脂肪酸甲酯，因具有較高的運(yùn)動(dòng)黏度，運(yùn)輸、儲(chǔ)存安全，無(wú)毒性，健康環(huán)保性能良好而被廣泛關(guān)注。與普通的石油基柴油相比，微藻生物柴油的含氧量達(dá)到10%以上，在燃燒過(guò)程中所需的氧氣量比石油基柴油少，其燃燒、點(diǎn)火性能也優(yōu)于石油基柴油。

　　微藻生物柴油之所以受到關(guān)注，還有一個(gè)重要原因就是它擁有優(yōu)良的環(huán)保特性。天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授齊云表示：“與石油基柴油相比，微藻生物柴油可降低90%的空氣毒性。由于生物柴油含氧量高，燃燒排煙少，一氧化碳的排放量可減少約10%，有催化劑時(shí)減排量可達(dá)到95%。同時(shí)，微藻生物柴油的生物降解性高。微藻是一種自養(yǎng)植物，它的生長(zhǎng)過(guò)程就是固碳過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)出其他污染物質(zhì)，也不會(huì)滋生其他環(huán)境問(wèn)題。”

　　記者在采訪(fǎng)中還了解到，微藻的另一大特質(zhì)是光合效率高、固碳效果明顯，它吸收轉(zhuǎn)化二氧化碳的能力相當(dāng)于同面積森林的10～50倍。根據(jù)計(jì)算，每生產(chǎn)1噸微藻，可以消耗掉1.8噸二氧化碳；而每消耗1噸煤，會(huì)釋放3噸二氧化碳。按照微藻每天產(chǎn)率90克/平方米計(jì)算，每年1000平方米土地（約1.5畝）可產(chǎn)藻31.5噸，吸收二氧化碳56.7噸，即每畝地每年產(chǎn)藻21噸，消化吸收二氧化碳42噸。

　　微藻的這一特性對(duì)高碳排放的煤化工行業(yè)來(lái)說(shuō)，減排意義重大。傅鵬程給記者算了這樣一筆賬：按照美國(guó)人通用的計(jì)算比例，每噸二氧化碳養(yǎng)藻利潤(rùn)為163美元（折合人民幣978元），以百萬(wàn)噸煤制油項(xiàng)目年排放300萬(wàn)噸二氧化碳計(jì)算，如果將其全部用來(lái)進(jìn)行微藻養(yǎng)殖，不但可以減排300萬(wàn)噸二氧化碳，還可獲得30億元的收益，平均每畝土地每年收入42000元。

　　正是鑒于其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，微藻被人們寄予了無(wú)限厚望。

圖為科技工作者正在參觀(guān)甘肅省威武市高潔凈小球藻實(shí)驗(yàn)室。（劉明 攝）

　　諸多難題仍待攻克

　　已有的關(guān)于微藻的研究成果給我們勾畫(huà)出了一幅誘人的化石能源替代和二氧化碳減排的路線(xiàn)圖。但僅就目前的技術(shù)水平而言，在我國(guó)，微藻生物柴油要真正為人類(lèi)所用，微藻要真正擔(dān)起固碳減排的重任，要走的路還十分漫長(zhǎng)。

　　提到微藻能源項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化，多數(shù)微藻研究領(lǐng)域的專(zhuān)家都認(rèn)為，我國(guó)面臨的挑戰(zhàn)還很多。

　　與所有新技術(shù)的推廣過(guò)程相似，成本高是阻礙微藻能源進(jìn)入市場(chǎng)最為現(xiàn)實(shí)的困難。據(jù)齊云介紹，從目前的條件看，含油量為55％的微藻生物柴油需要低于340美元/噸的生產(chǎn)成本才能與100美元/桶的石油經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)。而目前的微藻生產(chǎn)成本約為3000美元/噸(不包括微藻蛋白等其他產(chǎn)物的利用)，這樣的成本是現(xiàn)有柴油成本的5～10倍，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的經(jīng)濟(jì)效益。

　　投入大也是制約因素之一。“盡管微藻生物能源的潛在產(chǎn)業(yè)規(guī)模很大, 在全球可高達(dá)數(shù)千億美元，但即使是一個(gè)最小型的微藻生物柴油項(xiàng)目，其只有達(dá)到200萬(wàn)平方米的生產(chǎn)面積和數(shù)億美元的產(chǎn)值規(guī)模，才能具有商業(yè)化的經(jīng)濟(jì)可行性。目前，微藻生物技術(shù)全球總產(chǎn)業(yè)規(guī)模不超過(guò)3億美元, 最大的生產(chǎn)設(shè)施占地面積只有幾十萬(wàn)平方米。期望該產(chǎn)業(yè)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)跳躍式的發(fā)展不現(xiàn)實(shí)。”齊云表示，“再有就是規(guī)模化放大涉及到的技術(shù)問(wèn)題。微藻生物柴油的生產(chǎn)主要包括微藻細(xì)胞培養(yǎng)、微藻采收、油脂的提取與加工等流程，涉及微藻生物學(xué)基礎(chǔ)研究、微藻工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)平臺(tái)技術(shù)、規(guī)模化采收和產(chǎn)物提取平臺(tái)技術(shù)等，同時(shí)還涉及低造價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化規(guī)模的微藻培養(yǎng)設(shè)備的研發(fā)和制造。這些都是長(zhǎng)期束縛微藻生物能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的問(wèn)題。只有攻克了這些難題，微藻產(chǎn)業(yè)化才能取得突破性進(jìn)展。”

　　劉天中也認(rèn)為，目前微藻能源商業(yè)化的主要障礙還是效率和成本，核心技術(shù)瓶頸在于藻種和規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)。現(xiàn)有微藻在大規(guī)模培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)效率、含油量等均遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室那樣的小規(guī)模結(jié)果。目前，主要產(chǎn)油藻種在室外培養(yǎng)效率特別是抗污染和低成本采收方面，離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的要求還有很大差距。選育獲得高效、環(huán)境影響小、抗污染能力強(qiáng)的工業(yè)藻株，對(duì)降低規(guī)模培養(yǎng)過(guò)程維護(hù)成本，提高培養(yǎng)效率和培養(yǎng)成功率至關(guān)重要。同時(shí)，要突破效率與成本瓶頸，還需要?jiǎng)?chuàng)新微藻培養(yǎng)技術(shù)，從培養(yǎng)裝備的結(jié)構(gòu)、光分布、混合與傳質(zhì)等入手，結(jié)合微藻的生長(zhǎng)特性，建立新型高效的微藻培養(yǎng)方法和裝備結(jié)構(gòu)。而發(fā)展富氮磷生活廢水、工業(yè)廢水、二氧化碳廢氣的微藻培養(yǎng)技術(shù)和水循環(huán)利用技術(shù)，重點(diǎn)解決培養(yǎng)效率、物能消耗和水耗問(wèn)題，將是解決微藻能源規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

　　產(chǎn)業(yè)化探索持續(xù)推進(jìn)

　　“微藻能源及生物煉制的研究可以追溯至上世紀(jì)五六十年代，但真正的規(guī)模性研究始于上世紀(jì)90年代。近10年來(lái)，該領(lǐng)域受到的關(guān)注度持續(xù)提高，特別是近幾年發(fā)展速度進(jìn)一步加快。目前，微藻能源已成為生物能源研究的熱點(diǎn)。”中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所能源藻類(lèi)資源團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉天中告訴記者，“目前，全球關(guān)于微藻能源及生物煉制的研究涉及70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，美國(guó)在這方面開(kāi)展的研究工作最多。近5年來(lái)，中國(guó)、以色列、德國(guó)、西班牙、印度、英國(guó)、澳大利亞、法國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始重視微藻能源研究。”

　　“目前，微藻能源研究起步較早的國(guó)家已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室階段走向中試和工業(yè)生產(chǎn)階段。”齊云向記者具體介紹了美國(guó)在微藻能源研究中取得的成就。美國(guó)1976年就啟動(dòng)了微藻能源研究，以化石燃料產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)高含脂微藻。這一計(jì)劃因?yàn)檠芯拷?jīng)費(fèi)精減、藻類(lèi)制油成本過(guò)高，于1996年中止。雖然研究中止，但是美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)培育出富油的工程小環(huán)藻。這種藻類(lèi)在實(shí)驗(yàn)室條件下脂質(zhì)含量可達(dá)60%以上，比自然狀態(tài)下微藻的脂質(zhì)含量提高3～12倍。2006年11月，美國(guó)綠色能源科技公司和亞利桑那公眾服務(wù)公司在亞利桑那州建立了與1040兆瓦電廠(chǎng)煙道氣相聯(lián)接的商業(yè)化系統(tǒng)，成功利用煙道氣的二氧化碳，大規(guī)模培養(yǎng)微藻，并將微藻轉(zhuǎn)化為生物能源，其產(chǎn)率為每年每英畝提供5000～10000加侖生物柴油和相當(dāng)量的生物乙醇。

　　近幾年來(lái)，國(guó)際上一些大型的石油公司也紛紛涉足微藻能源的研究，其中包括英國(guó)石油公司、殼牌、雪佛龍石油、通用電氣公司，而波音公司、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（空客的母公司）、新西蘭航空公司、日本航空公司等下游用戶(hù)的介入，進(jìn)一步推動(dòng)了微藻能源商業(yè)化的進(jìn)程。

　　在全球微藻研發(fā)熱潮持續(xù)高漲的形勢(shì)下，我國(guó)對(duì)微藻生物能源技術(shù)也給予了高度重視。近年來(lái)，國(guó)家依托“973”、“863”等項(xiàng)目，相繼投入上億元資金用于支持我國(guó)微藻固碳與生物能源全套技術(shù)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范。據(jù)記者粗略統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)從事微藻能源和微藻減排課題研究的大學(xué)和科研單位多達(dá)30家，其中包括：中科院青島生物能源與過(guò)程研究所、中科院煙臺(tái)海洋所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京化工大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等。

　　與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些大型石化企業(yè)和煤化工企業(yè)也十分看好微藻能源和微藻減排項(xiàng)目，新奧集團(tuán)、中石化和新疆慶華集團(tuán)等也相繼建設(shè)了中試裝置或示范項(xiàng)目，期望于“十二五”末在產(chǎn)業(yè)化方面有所突破。

　　記者從新奧集團(tuán)了解到，早在2007年，該公司就成立了生物質(zhì)能源研究所，開(kāi)啟了微藻產(chǎn)業(yè)化的大門(mén)。2010年，新奧在位于內(nèi)蒙古的60萬(wàn)噸/年煤制甲醇生產(chǎn)基地建設(shè)了微藻生物固碳示范項(xiàng)目。

　　記者在位于內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗的示范工程現(xiàn)場(chǎng)看到，在養(yǎng)殖大棚里一排排封閉的養(yǎng)殖器中，綠色的微藻在無(wú)聲無(wú)息地發(fā)育生長(zhǎng)。現(xiàn)場(chǎng)工作人員告訴記者：“項(xiàng)目采用煤制甲醇裝置產(chǎn)生的廢氣二氧化碳、高鹽廢水以及蒸汽余熱來(lái)養(yǎng)殖微藻，微藻則通過(guò)光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化成生物柴油、β-胡蘿卜素和蛋白質(zhì)等多種高附加值產(chǎn)品。目前，這個(gè)項(xiàng)目年利用二氧化碳2萬(wàn)噸。”

　　據(jù)了解，國(guó)家發(fā)改委工業(yè)司和國(guó)家能源局的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)十分看好新奧集團(tuán)的微藻項(xiàng)目。他們希望新奧的微藻固碳項(xiàng)目能盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為解決煤化工發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾作出貢獻(xiàn)。而新奧集團(tuán)的微藻研發(fā)成果在國(guó)際上也產(chǎn)生了很大的影響，2009年7月，時(shí)任美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文訪(fǎng)華時(shí)特意來(lái)到新奧集團(tuán)考察；今年9月23日，美國(guó)能源部助理部長(zhǎng)克里斯·史密斯再次到訪(fǎng)新奧集團(tuán)，對(duì)微藻項(xiàng)目給予了關(guān)注。

　　在科研單位與企業(yè)的共同努力下，中國(guó)的微藻能源項(xiàng)目正在朝著產(chǎn)業(yè)化的方向穩(wěn)步邁進(jìn)。特別是產(chǎn)學(xué)研合作，使得微藻產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程加快，而合作伙伴不僅限于國(guó)內(nèi)，也包括國(guó)際上的大公司。比如，中科院青島生物能源與過(guò)程研究所就與波音公司、殼牌公司、道達(dá)爾公司等開(kāi)展了聯(lián)合研究，共建了中科院青能所—波音公司可持續(xù)航空生物燃料聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室。

　　“盡管中國(guó)在微藻能源方面的研究起步較晚，但由于相關(guān)各方的重視，近些年我國(guó)在微藻能源技術(shù)涉及的全工藝鏈技術(shù)方面取得了很多重要進(jìn)展，在高產(chǎn)油藻種、創(chuàng)新培養(yǎng)工藝與反應(yīng)器技術(shù)、采收提油技術(shù)、生物柴油轉(zhuǎn)化技術(shù)以及多聯(lián)產(chǎn)綜合利用技術(shù)方面，均形成了較強(qiáng)的特色和優(yōu)勢(shì)。與國(guó)外相比，我國(guó)技術(shù)基本處于同步發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在某些方面甚至處于領(lǐng)先地位。”劉天中表示。

圖為中科院青島生物能源與過(guò)程研究所與新疆慶華集團(tuán)合作開(kāi)發(fā)的微藻減排煤化工二氧化碳試驗(yàn)中試基地的微藻養(yǎng)殖裝置。左為封閉式反應(yīng)器系統(tǒng)，下為開(kāi)放式跑道池系統(tǒng)。 （企業(yè)供圖）