微藻制油技术:两大瓶颈待突破

13585549127865895149
刘天中 博士,中科院青岛生物能源与过程研究所研究员,能源微藻团队负责人。
□刘天中

作为传统的化石能源,石油和煤炭是地球通过漫长的地质运动才攒下的“家底”,正在日渐短缺。生物质能因为可利用生物体吸收今天的碳(空气中的二氧化碳)直接合成含碳能源,相关技术广受关注。

而微藻,目前被认为是最具潜力的油脂生物质资源。

三位一体的新兴产业

人们希望利用太阳能和二氧化碳,通过光合作用获得大量的含油微藻细胞,将油脂从微藻细胞中提取分离出来,再通过催化转化过程将藻油制备成生物柴油或航空煤油。

微藻制油优点多多。首先它不与人争粮,不与粮争地,光合效率高,可充分利用滩涂、盐碱地、沙漠、山地丘陵进行大规模培养,也可利用海水、苦咸水、废水等非农用水进行培养。其产出率高出传统作物数十倍,可有效解决非粮食可再生生物质能源的资源瓶颈。

微藻油脂含量高。在一定的诱导胁迫条件下,某些单细胞微藻可积累相当于细胞干重50%~70%的油脂,这是其他任何油料作物都无法比拟的。

在利用微藻生产生物柴油的同时,还可副产大量的藻渣生物质,作为进一步生产蛋白质、多糖、色素、碳水化合物等的原料,广泛用作高值化学品、保健品、食品、饲料、水产饵料等。

而且特别重要的是,微藻制油具有二氧化碳减排效应。理论上计算,每生产培养1吨微藻,可以捕获1.83吨二氧化碳。

一些学者甚至认为微藻是解决能源与环境问题的终极出路,微藻能源产业被认为是集能源生产、固碳减排与农业发展三位一体的战略性新兴产业。

复杂的系统工程

不过,“前途光明,道路曲折”。虽然微藻用于生产生物燃料的优势明显,但微藻生物燃料技术链是一个复杂的系统工程,涉及多个科学与工程技术问题。

大规模微藻生物质资源获得困难和微藻生物能源产品成本过高是目前微藻生物能源技术面临的两大瓶颈。以目前的技术进行产业化,存在大规模培养占地面积过大、基础建设投资过高、加工过程能耗物耗过大的问题。

这两大瓶颈的解决需要从微藻生物能源产业链涉及的各个环节进行技术攻关与突破。

首先要强化优质藻种选育技术的研究,通过现代生物技术,获得和构建能够适应工业化大规模应用、高光效、高油脂产率和高抗逆的工程微藻株系。

其次要特别加强微藻规模培养工艺与装备技术开发。目前,微藻的规模培养远未能充分发挥其速生高产的优势。因此需要发展高效低成本可规模化的微藻培养创新技术体系,建立和发展废水和燃厂废气CO2利用的微藻生态养殖技术,大幅度提高单位面积微藻生物产率、降低物能消耗,从根本上解决培养占地和成本瓶颈。

第三要研究开发高效低能耗的微藻加工转化的工艺、关键技术与装备,形成和建立以微藻生物柴油、航空煤油等为核心能源产品,以微藻生物质全组分多元化利用为特色的微藻生物炼制技术体系。

国外的研发竞赛

国外的微藻制油技术研发曾经历起伏。受第一次石油危机的影响,美国于1978年启动了耗资2500万美元的水生物种项目,旨在利用微藻生产生物柴油。科研人员筛选出300余株产油藻种,重点开发适于微藻生物柴油生产的培养系统和制备工艺。

上世纪90年代,日本国际贸易和工业部也曾资助一项“地球研究更新技术计划”。该项目着力开发密闭光合生物反应器技术,利用微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产生物质能源,10年间共投资约25亿美元。筛选出多株耐受高二氧化碳浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种,建立了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案。但由于90年代后期油价大幅降低,而微藻制油的关键技术未获突破,成本过高,相关技术研究处于停滞状态。

进入21世纪,石油价格一度大幅上扬,人们对未来化石能源供应短缺普遍感到担忧,再加上“使用化石能源导致全球气候变暖”的普遍认知,微藻能源技术重新受到高度关注,多国政府、研究机构、高校与大公司等都纷纷投入巨资,以期占领战略制高点和实现技术垄断。

2007年10月,国际能源公司宣布开发微藻生物燃料技术。同年12月,Shell公司宣布与HR Biopetroleum公司组建Cellena公司,投资70亿美元在夏威夷开展微藻生物柴油技术研究。美国第二大石油公司Chevron则于当年底宣布,与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。荷兰AlgaeLink公司也于当年宣布开发成功新型微藻光生物反应器系统,开始向全球销售其反应器,并提供技术支持。2008年,英国碳基金公司启动项目,计划耗资2600万英镑于2020年前实现利用藻类生产运输燃料。

奥巴马政府上台后,美国启动了绿色能源拉动经济增长的新计划,20亿美元的投入中有12亿美元用于微藻生物能源技术研发。此外,美国Exxon Mobil公司宣布投资给Synthetic Genomics公司6亿美元发展相关技术。

值得关注的是,继波音公司在美国西雅图完成微藻生物燃油的飞机首航,造成巨大的轰动效应以后;2009年11月23日,法航和荷航的一架747客机搭载约40名特殊乘客从阿姆斯特丹起飞,这是欧洲第一架使用微藻生物燃料驱动升空的民航客机。

中国的技术现状

我国在藻种筛选、生理生态学等上游工作方面已有较多积累,如中科院水生生物所、中国海洋大学都建立了相当规模的海水、淡水藻种资源库,拥有一批具有自主知识产权的产油藻株。但对工业化藻株的筛选改造和评价还不够深入。

我国的经济微藻商业化生产处于世界前列。在以保健品和饵料应用为目的的小球藻、螺旋藻生产方面,我国的产量占全球的50%以上。通过小球藻、螺旋藻等的规模培养,我国建立起了良好的微藻规模培养技术基础。

我国自“十一五”开始布局以生物能源生产为目标的微藻能源研究。以中科院海洋所、过程工程所、青岛生物能源与过程所,清华大学、华东理工大学等为代表的众多科研单位相继开展了高产油藻种的选育与改造、高效微藻光反应器、高密度培养、高效加工等技术研究工作,形成了如微藻光合—发酵诱导耦合培养技术、高效低成本杂交式反应器技术、高效薄层开放池培养技术、高效CO2补碳技术、高效低成本湿藻油脂直接提取技术、高效生物柴油催化转化技术等一批特色创新技术。

此外,中石油、中石化、新奥燃气集团等企业也进入微藻生物能源技术领域。如新奥集团建成了国内规模最大的11000升多层管道式立体培养反应器。

目前,我国相关技术总体水平与国外同步,部分领域研究思路和进展甚至领先,但大规模的系统建设、过程优化、工艺评价与国外仍有一定差距;须进一步推动自主知识产权的藻种选育与改造、规模化培养与加工关键技术的创新,建立全流程集成的中试示范体系,为2020年左右形成万吨级产业化示范奠定基础。

笔者相信,随着技术的成熟与完善,碳汇和化石能源资源的短缺,微藻生物能源终将实现与传统能源的竞争,成为全社会重要的能源解决方案和供应体系。

回复留言

如需购买藻种、光生物反应器定制,配件购买,请联系我们