作為化石燃料的替代，生物燃料的發(fā)展已在國(guó)際上得到廣泛的重視。在生物燃料的眾多原料中，藻類由于具有分布廣、油脂含量高、生長(zhǎng)周期短等特點(diǎn)，而被科研人員認(rèn)為是最有希望和前途的可再生能源之一。藻類中用于制備生物燃料的是微藻。微藻種類繁多，分布極其廣泛川，生長(zhǎng)條件要求很低。利用微藻制備生物燃料已成為熱點(diǎn)。
1 國(guó)內(nèi)外利用微藻制備生物燃料研究歷程和最新進(jìn)展
1.1研究歷程回顧
國(guó)外微藻的研究起步較早，早在上世紀(jì)50年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院就在校園內(nèi)建筑物的屋頂開始進(jìn)行養(yǎng)殖藻類生產(chǎn)生物燃料的試驗(yàn)，并在研究報(bào)告中第一次提到了藻類生物燃料。
1978年，美國(guó)能源部可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展了養(yǎng)殖微藻生產(chǎn)生物燃料項(xiàng)目研究(Aquatic Spices Program，簡(jiǎn)稱ASP項(xiàng)目)，從微藻篩選、微藻生化機(jī)理分析、工程微藻制備到中試研究。該項(xiàng)目持續(xù)到1996年，在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，研究人員在美國(guó)加利福尼亞州、夏威夷州、新墨西哥州等地進(jìn)行了中試放大。中試裝置運(yùn)行了1年，可獲得高達(dá)
更直接將微藻用于生產(chǎn)生物柴油的是美國(guó)人吉姆·塞爾斯，他為此還專門建立了一個(gè)生物柴油公司。他用透明的大塑料袋種植海藻，這既可以讓充足的光線進(jìn)人，又能防止其它種類的海藻人侵。他稱自己的發(fā)明是全規(guī)模海藻“反應(yīng)堆”。他用2條長(zhǎng)105m、間隔lm左右的平等軌道固定大塑料袋，一旦海藻長(zhǎng)成，就被送到煉油廠制備油料。然后再轉(zhuǎn)化成生物柴油。
美國(guó)和日本的一些研究機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)工作，如1978年美國(guó)科羅拉多州戈?duì)柕?a href=/topic/1206.html target=_blank>太陽能研究所在1個(gè)直徑20m的池塘中培植微藻，1年收獲微藻4t，從中提煉出300多升燃油。1988年日本一家公司發(fā)現(xiàn)綠藻能吸收大量二氧化碳生成油脂，提出了利用綠藻將二氧化碳轉(zhuǎn)化為石油的設(shè)想。1993年，以色列耶路撒冷希伯里大學(xué)Ben-zionGinzberg教授成功地用高蛋白質(zhì)含量的鹽藻獲得了低硫、低氮的優(yōu)質(zhì)石油。
1.2最新進(jìn)展概述
進(jìn)人21世紀(jì)后，國(guó)外在該領(lǐng)域的研究工作出現(xiàn)新進(jìn)展，逐步從實(shí)驗(yàn)室走向中試和生產(chǎn)放大階段。2002年，美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用分子生物學(xué)反應(yīng)工程技術(shù)進(jìn)行了增加微藻細(xì)胞含油量和產(chǎn)量方面的研究，制取出性能類似大豆油的海藻油，油脂含量豐富，可生產(chǎn)生物燃料。該實(shí)驗(yàn)室稱，此技術(shù)僅需美國(guó)土地面積的0.3%就可生產(chǎn)出滿足全美國(guó)需要的運(yùn)輸燃料。該項(xiàng)目的目標(biāo)是到2010年能獲得經(jīng)濟(jì)可行的生物柴油。
在我國(guó)，雖然微藻養(yǎng)殖歷史不長(zhǎng)，技術(shù)上較先進(jìn)國(guó)家存在一定差距，但近十多年來卻發(fā)展很快。除了養(yǎng)殖發(fā)展十分迅速外，在利用微藻制備生物燃料的研究上也取得了很大進(jìn)展。2004年，清華大學(xué)生物技術(shù)研究所繆曉玲教授等發(fā)表論文闡述其研究進(jìn)展和成果，該研究團(tuán)隊(duì)通過異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞工程技術(shù)獲得了高脂含量的異養(yǎng)小球藻細(xì)胞，其脂含量高達(dá)細(xì)胞干重的55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，是自養(yǎng)藻細(xì)胞的4倍，利用酸催化醋交換技術(shù)一步得到的生物柴油符合ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。清華大學(xué)還開發(fā)了微藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油技術(shù)。通過細(xì)胞控制技術(shù)獲得異養(yǎng)小球藻。異養(yǎng)小球藻細(xì)胞中油脂類化合物大量增加，蛋白質(zhì)含量下降。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明與常規(guī)制備技術(shù)相比，成本下降5-8倍，油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99%以上。
中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院、中科院海洋研究所等單位也于2005年申請(qǐng)并得到資助，經(jīng)過2年來的努力，建立了化學(xué)法和脂肪酶法生產(chǎn)生物柴油關(guān)鍵技術(shù)與工藝路線，生物柴油的純度達(dá)到98%以上，并對(duì)海藻油脂的制備進(jìn)行了研究。此外，山東海洋工程研究院、撫順石化研究院均已開展微藻利用的探索，在微藻篩選和培育方面進(jìn)行了深人研究，目前都已取得一定的成果。
閔恩澤院士近年來進(jìn)人綠色化學(xué)領(lǐng)域，積極倡導(dǎo)開展微藻生物質(zhì)燃料的研究，在其倡議之下，
2005年，美國(guó)GreenFuel技術(shù)公司開發(fā)的海藻技術(shù)于在Arizona的APS電廠完成了中試。選用高生長(zhǎng)率的海藻，置于裝有水的大型試管內(nèi)，并曝置于直接的陽光照射下。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)2008年開始商業(yè)化生產(chǎn)。
加拿大國(guó)際能源公司于2007年11月初宣布啟動(dòng)“海藻變油”研發(fā)計(jì)劃，將從完全基于海藻的光合成來生產(chǎn)可再生柴油和噴氣燃料，海藻具有獨(dú)特的吸收二氧化碳并使之轉(zhuǎn)化為高密度天然油的能力。
美國(guó)全球綠色解決方案公司于2007年12月中旬發(fā)布海藻作為生物燃料原料的Vertigro工藝的初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明，采用該公司的生產(chǎn)系統(tǒng)，每年每英畝可生產(chǎn)276t海藻生物質(zhì)。將海藻作為燃料的原料，可每年每英畝生產(chǎn)約3.3萬加侖海藻油。2008年3月，美國(guó)Valencent產(chǎn)品公司又與全球綠色解決方案公司宣布，將其專有的vertigro工藝推向商業(yè)化已處于最后階段，包括海藻生長(zhǎng)、海藻收集和萃取海藻油用于生物柴油3個(gè)步驟。工藝的核心是建在Gravling工業(yè)公司的連續(xù)閉環(huán)生物反應(yīng)器。在生物反應(yīng)器中，水中的海藻通過1根ro英尺長(zhǎng)紫外線穩(wěn)定的直立塑料管循環(huán)，在塑料管中海藻暴露在太陽光下。上方敞口的生物反應(yīng)器的重要特點(diǎn)是，有很大的表面暴露在太陽光下，沒有水的蒸發(fā)損失。在25-30天之后就可以收集海藻，這時(shí)海藻的含油量約在50%左右。用Vertigro工藝，生物柴油的產(chǎn)量要比用常規(guī)農(nóng)作物生產(chǎn)的生物柴油多20倍，而用水量只有5%。
美國(guó)Solazyme生物技術(shù)公司于2008年7月9日生產(chǎn)出第一批海藻基可再生生物柴油Sola-dieselRDTM，這種生物柴油的化學(xué)組成與標(biāo)準(zhǔn)的石油基柴油相同，并且，完全可以與現(xiàn)有的運(yùn)輸燃料基礎(chǔ)設(shè)施相匹配。2008年1月圣丹斯電影節(jié)期間，Solazyme展示了第一輛使用該公司所研制的海藻生物燃料(比例為20%)，并實(shí)際在道路上行駛測(cè)試的車輛。
美國(guó)Algend公司于2008年7月宣布在美國(guó)Maryland投運(yùn)了世界上最大的海藻庫(kù)場(chǎng)，目標(biāo)是在美國(guó)沿海地區(qū)建設(shè)海藻制乙醇工場(chǎng)。該公司估算可從一英畝土地生產(chǎn)60[X)力目侖乙醇。按照估計(jì)，如果美國(guó)所需乙醇全部從海藻制取，則僅需使用谷物制取乙醇需用土地的3%。
美國(guó)可再生能源集團(tuán)(REC)公司于2008年
美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)于2008年9月5日宣布，與Heliae開發(fā)公司和亞利桑那科學(xué)基金會(huì)(SFAz)合作，取得了一項(xiàng)研究與商業(yè)化突破，從海藻開發(fā)、生產(chǎn)和銷售煤油基航空燃料。據(jù)稱，研究人員在海藻基生物燃料和生物材料方面的研究工作，已從實(shí)驗(yàn)室走向中試和生產(chǎn)階段。他們的發(fā)現(xiàn)可取得降低成本的效益成果。
除科研機(jī)構(gòu)外，眾多的生物燃料公司、投資公司也涌人該研究領(lǐng)域。美國(guó)Sapphire公司于2008年9月宣布投資1億美元開展養(yǎng)殖海藻生產(chǎn)生物燃料的研究，比爾蓋茨私人名下的投資公司Caseade investments和為洛克菲勒家族服務(wù)的投資合作商venrock Partner是該公司2個(gè)引人注目的投資商。SapPhire公司于
石油公司也加人了這股熱潮。Shell公司與美國(guó)從事海藻生物燃料業(yè)務(wù)的HR生物石油公司于2007年12月組建合資企業(yè)Cellena公司，在夏威夷用2.5公頃面積的實(shí)驗(yàn)基地作為海藻養(yǎng)殖場(chǎng)，建設(shè)利用海藻生長(zhǎng)和生產(chǎn)植物油用以轉(zhuǎn)化為生物燃料的中試裝置，進(jìn)行為期2年的生產(chǎn)生物柴油實(shí)驗(yàn)。chevron公司也與美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、Solazyme公司簽署了協(xié)議，共同開展研究工作。
2 利用微藻制備生物燃料的應(yīng)用前景
大力發(fā)展利用微藻制備生物燃料產(chǎn)業(yè)，不但可以解決傳統(tǒng)原料來源單一、價(jià)格昂貴等一系列問題，它還有著其自身的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，包括:
l)和現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的玉米等糧食作物制取生物柴油的方式相比，海洋微藻產(chǎn)量高，單位面積產(chǎn)量是糧食的幾十倍，生長(zhǎng)周期短、繁殖快，并且培養(yǎng)時(shí)間短，在很短的時(shí)間內(nèi)可獲得大量產(chǎn)品。
2)微藻在水域(淡水或海水均可)中生長(zhǎng)繁殖，不依靠土壤，不存在與農(nóng)業(yè)用地相競(jìng)爭(zhēng)的問題，不占用耕地，不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
3)微藻的含油量相對(duì)較高，其生長(zhǎng)繁殖和油脂的制備都可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化。
4)微藻個(gè)體小、木素含量很低，易粉碎干燥，用藻類來生產(chǎn)液體燃料所需處理和加工條件相對(duì)較低，生產(chǎn)成本與其他生物燃料原料相比相對(duì)較低。
5)微藻生長(zhǎng)可以消耗大量的二氧化碳，并且在微藻培育過程中加人二氧化碳，可令微藻的產(chǎn)量大幅度增加，從微藻到油的生產(chǎn)過程也可以實(shí)現(xiàn)零排放，具有良好的環(huán)保效益。例如，我國(guó)海南綠地微藻生物科技公司通過利用二氧化碳廢氣來養(yǎng)殖微藻生產(chǎn)生物柴油的試驗(yàn)近日在海南省樂東黎族自治縣獲得成功，微藻含油率達(dá)到28%-32%，該公司計(jì)劃投資2980萬美元在海南建設(shè)干微藻項(xiàng)目，項(xiàng)目建成投產(chǎn)后可形成年產(chǎn)生物柴油30萬t的生產(chǎn)能力。
3結(jié)論
