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，微藻近年來受到廣泛關注。圖為反應器里的微藻。（CFP 供圖）

　　微藻，這個自然界中肉眼看不見的微米級生物體，近年來受到了越來越廣泛的關注。人們對于它的熱情在于這個“小東西”為解決人類所面臨的兩個最為棘手的重大問題帶來無限遐想——化石能源危機和二氧化碳排放。

　　有人曾推算，在技術成熟的條件下，如果能利用國內(nèi)14%的鹽堿地培養(yǎng)種植微藻，生產(chǎn)的柴油量就可滿足全國50%的需求；而它對二氧化碳的減排作用也為解決煤化工高碳排放問題帶來了希望。

 
　　那么，微藻真的能擔當起如此重任嗎？微藻能源產(chǎn)業(yè)化的進程還有多遠？其中還有哪些難關要攻克？帶著這些疑問，記者對有關企業(yè)和研究單位進行了采訪。

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

　　微藻生物能源優(yōu)勢多

　　進入21世紀，小小的微藻成為石化產(chǎn)業(yè)界廣受關注的一顆新星。一方面，能源的大量消耗，給人們帶來對化石能源終將枯竭的擔憂；另一方面，伴隨化石能源的大量消耗，二氧化碳過度排放，造成了對大氣環(huán)境的破壞。于是，世界各國紛紛開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，微藻進入了人們的視野。

　　作為地球上最古老的初級生產(chǎn)者之一，微藻可以通過光合作用，吸收二氧化碳，釋放氧氣，而且光合速率高、繁殖快、適應環(huán)境性強。研究結(jié)果表明，微藻的一大特點就是生物質(zhì)產(chǎn)量非常高，可達到陸地植物的300倍。微藻的產(chǎn)油效率相當高，其脂類含量在20%～70%，這是陸地植物所不能比擬的。在1年的生長期內(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，棕櫚樹能產(chǎn)5950升，而微藻所產(chǎn)生物質(zhì)燃油量高達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。

　　北京化工大學生命科學與技術學院教授傅鵬程介紹說，通過微藻合成的生物柴油主要成分是脂肪酸甲酯，因具有較高的運動黏度，運輸、儲存安全，無毒性，健康環(huán)保性能良好而被廣泛關注。與普通的石油基柴油相比，微藻生物柴油的含氧量達到10%以上，在燃燒過程中所需的氧氣量比石油基柴油少，其燃燒、點火性能也優(yōu)于石油基柴油。

　　微藻生物柴油之所以受到關注，還有一個重要原因就是它擁有優(yōu)良的環(huán)保特性。天津大學環(huán)境科學與工程學院副教授齊云表示：“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%，有催化劑時減排量可達到95%。同時，微藻生物柴油的生物降解性高。微藻是一種自養(yǎng)植物，它的生長過程就是固碳過程，不會產(chǎn)出其他污染物質(zhì)，也不會滋生其他環(huán)境問題。”

　　記者在采訪中還了解到，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于同面積森林的10～50倍。根據(jù)計算，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，會釋放3噸二氧化碳。按照微藻每天產(chǎn)率90克/平方米計算，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。

　　微藻的這一特性對高碳排放的煤化工行業(yè)來說，減排意義重大。傅鵬程給記者算了這樣一筆賬：按照美國人通用的計算比例，每噸二氧化碳養(yǎng)藻利潤為163美元（折合人民幣978元），以百萬噸煤制油項目年排放300萬噸二氧化碳計算，如果將其全部用來進行微藻養(yǎng)殖，不但可以減排300萬噸二氧化碳，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特優(yōu)勢，微藻被人們寄予了無限厚望。

圖為科技工作者正在參觀甘肅省威武市高潔凈小球藻實驗室。（劉明 攝）

　　諸多難題仍待攻克

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

　　提到微藻能源項目的產(chǎn)業(yè)化，多數(shù)微藻研究領域的專家都認為，我國面臨的挑戰(zhàn)還很多。

　　與所有新技術的推廣過程相似，成本高是阻礙微藻能源進入市場最為現(xiàn)實的困難。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)濟效益相當。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，沒有實質(zhì)性的經(jīng)濟效益。

　　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, 在全球可高達數(shù)千億美元，但即使是一個最小型的微藻生物柴油項目，其只有達到200萬平方米的生產(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)濟可行性。目前，微藻生物技術全球總產(chǎn)業(yè)規(guī)模不超過3億美元, 最大的生產(chǎn)設施占地面積只有幾十萬平方米。期望該產(chǎn)業(yè)在短期內(nèi)實現(xiàn)跳躍式的發(fā)展不現(xiàn)實。”齊云表示，“再有就是規(guī)?；糯笊婕暗降募夹g問題。微藻生物柴油的生產(chǎn)主要包括微藻細胞培養(yǎng)、微藻采收、油脂的提取與加工等流程，涉及微藻生物學基礎研究、微藻工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)平臺技術、規(guī)?；墒蘸彤a(chǎn)物提取平臺技術等，同時還涉及低造價、標準化、工業(yè)化規(guī)模的微藻培養(yǎng)設備的研發(fā)和制造。這些都是長期束縛微藻生物能源技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的問題。只有攻克了這些難題，微藻產(chǎn)業(yè)化才能取得突破性進展。”

　　劉天中也認為，目前微藻能源商業(yè)化的主要障礙還是效率和成本，核心技術瓶頸在于藻種和規(guī)模培養(yǎng)技術。現(xiàn)有微藻在大規(guī)模培養(yǎng)時，培養(yǎng)效率、含油量等均遠遠達不到實驗室那樣的小規(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、抗污染能力強的工業(yè)藻株，對降低規(guī)模培養(yǎng)過程維護成本，提高培養(yǎng)效率和培養(yǎng)成功率至關重要。同時，要突破效率與成本瓶頸，還需要創(chuàng)新微藻培養(yǎng)技術，從培養(yǎng)裝備的結(jié)構、光分布、混合與傳質(zhì)等入手，結(jié)合微藻的生長特性，建立新型高效的微藻培養(yǎng)方法和裝備結(jié)構。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)技術和水循環(huán)利用技術，重點解決培養(yǎng)效率、物能消耗和水耗問題，將是解決微藻能源規(guī)模化生產(chǎn)的關鍵。

　　產(chǎn)業(yè)化探索持續(xù)推進

　　“微藻能源及生物煉制的研究可以追溯至上世紀五六十年代，但真正的規(guī)模性研究始于上世紀90年代。近10年來，該領域受到的關注度持續(xù)提高，特別是近幾年發(fā)展速度進一步加快。目前，微藻能源已成為生物能源研究的熱點。”中國科學院青島生物能源與過程研究所能源藻類資源團隊負責人劉天中告訴記者，“目前，全球關于微藻能源及生物煉制的研究涉及70多個國家和地區(qū)，美國在這方面開展的研究工作最多。近5年來，中國、以色列、德國、西班牙、印度、英國、澳大利亞、法國、日本和韓國等國家也開始重視微藻能源研究。”

　　“目前，微藻能源研究起步較早的國家已經(jīng)從實驗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在微藻能源研究中取得的成就。美國1976年就啟動了微藻能源研究，以化石燃料產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)高含脂微藻。這一計劃因為研究經(jīng)費精減、藻類制油成本過高，于1996年中止。雖然研究中止，但是美國科學家已經(jīng)培育出富油的工程小環(huán)藻。這種藻類在實驗室條件下脂質(zhì)含量可達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，美國綠色能源科技公司和亞利桑那公眾服務公司在亞利桑那州建立了與1040兆瓦電廠煙道氣相聯(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量的生物乙醇。

　　近幾年來，國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、歐洲宇航防務集團（空客的母公司）、新西蘭航空公司、日本航空公司等下游用戶的介入，進一步推動了微藻能源商業(yè)化的進程。

　　在全球微藻研發(fā)熱潮持續(xù)高漲的形勢下，我國對微藻生物能源技術也給予了高度重視。近年來，國家依托“973”、“863”等項目，相繼投入上億元資金用于支持我國微藻固碳與生物能源全套技術的基礎研究、應用技術研究及工程示范。據(jù)記者粗略統(tǒng)計，目前國內(nèi)從事微藻能源和微藻減排課題研究的大學和科研單位多達30家，其中包括：中科院青島生物能源與過程研究所、中科院煙臺海洋所、清華大學、天津大學、北京化工大學、浙江大學、中國海洋大學等。

　　與此同時，國內(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目，新奧集團、中石化和新疆慶華集團等也相繼建設了中試裝置或示范項目，期望于“十二五”末在產(chǎn)業(yè)化方面有所突破。

　　記者從新奧集團了解到，早在2007年，該公司就成立了生物質(zhì)能源研究所，開啟了微藻產(chǎn)業(yè)化的大門。2010年，新奧在位于內(nèi)蒙古的60萬噸/年煤制甲醇生產(chǎn)基地建設了微藻生物固碳示范項目。

　　記者在位于內(nèi)蒙古達拉特旗的示范工程現(xiàn)場看到，在養(yǎng)殖大棚里一排排封閉的養(yǎng)殖器中，綠色的微藻在無聲無息地發(fā)育生長。現(xiàn)場工作人員告訴記者：“項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養(yǎng)殖微藻，微藻則通過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，這個項目年利用二氧化碳2萬噸。”

　　據(jù)了解，國家發(fā)改委工業(yè)司和國家能源局的相關領導十分看好新奧集團的微藻項目。他們希望新奧的微藻固碳項目能盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為解決煤化工發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾作出貢獻。而新奧集團的微藻研發(fā)成果在國際上也產(chǎn)生了很大的影響，2009年7月，時任美國能源部長朱棣文訪華時特意來到新奧集團考察；今年9月23日，美國能源部助理部長克里斯·史密斯再次到訪新奧集團，對微藻項目給予了關注。

　　在科研單位與企業(yè)的共同努力下，中國的微藻能源項目正在朝著產(chǎn)業(yè)化的方向穩(wěn)步邁進。特別是產(chǎn)學研合作，使得微藻產(chǎn)業(yè)化的進程加快，而合作伙伴不僅限于國內(nèi)，也包括國際上的大公司。比如，中科院青島生物能源與過程研究所就與波音公司、殼牌公司、道達爾公司等開展了聯(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)合研究實驗室。

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

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