浅谈海藻生物柴油的研发状况

王克范

(太原化学工业集团有限公司，山西太原030021)

　　摘要：叙述了美国、澳大利亚及中国从海藻中提取生物柴油的研发状况，指出，发展从海藻中提取生物柴油的未来发展可促进CO₂的消化，实现碳封存、获得更多的副产品及培养更优质的藻类品种。

　　0引言

　　海洋里有5×10^4多种藻类，作为海洋植物的主体，在光合作用下迅速繁衍生息。海藻的繁殖力极强，1d就能繁殖新的一代，生长周期短、生物产量高，自身合成油脂能力强，含油率一般在20%～70%。从海藻中提取的油脂，成分与植物油相似，可作为生物柴油替代石油，用于工业和柴油发动机^[1]。这对中国缺油、少气、多煤的能源结构调整以及能源安全的保证，都将发挥巨大的作用。

　　海藻在光合作用下，需要CO₂，每生产1t海藻生物柴油，可消耗7tCO₂^[2]。在发展海藻生物柴油的同时，还可减少大气中CO₂的排放。可以说，海藻是1种优质的生物质能源。

　　1美国从海藻中提取柴油的状况

　　20世纪80年代，美国能源部在加州沿海建立了400×10^4km²的海底农场，专门种植多年生巨藻，以特殊船只3次/d采收水深2m以下的海藻，再通过天然细菌发酵或人工发酵，合成天然气(主要是CH4)。目前，其合成的天然气达6.23×10^8m³，不仅可满足5×10^4户家庭1a的需求，且单位成本仅为工业开采天然气成本的1/6左右^[3]。

　　美国政府已确定，到2030年，美国运输燃料的30%用生物燃料替代。由于乙醇生物燃料是使用玉米提取的，这不仅会影响粮食安全生产，还会导致粮食价格的上涨。因此，在替代石油燃料的资源中，海藻处于领先地位。1978年至1996年，美国能源部为向海藻再生开发燃油的项目投资了2500×10^4美元。研究结果证实，由于海藻具有极强的生长能力，在单位面积及单位时间上，海藻所生产的油脂量高于陆生油料作物30倍；另外，还节省了陆生油料作物所消耗的淡水、肥料和大量的土地资源，因此，海藻生长成本比陆生植物低(全球石油俱乐部评估结果表明1hm²海藻能生产9.6×10^4L/a生物柴油，1hm²油椰子能生产6.0×10^4L/a生物柴油，1hm²大豆只能生产446L/a生物柴油)^[1]。

　　近年来，由于石油价格大幅上扬，美国政府和各大石油公司大力支持和资助从事海藻再生能源研究的机构，科学家又重聚海藻研究实验室和现场，使得利用海藻生产生物柴油取得了突破性进展，应用现代生物工程技术，已经开发出含油率超过60%的工程海藻，实现了海藻油脂的提取和生物柴油的制造，由实验室转向小规模工业化生产。美国能源部计划2010年实现微藻制备生物柴油工业化，到2015年，将生产成本降至0.53美元/L～0.63美元/L^[2]。

　　2澳大利亚从海藻中提取柴油的状况

　　2009年底，笔者有幸从澳大利亚墨尔本获得澳大利亚的“富基绿色新能源生物柴油(Fulifuelblodiesel)”项目的资料，从中得知，该项目进行了大量的藻类优良品种筛选工作，在5×10^4多种海藻中，最终精选出脂质含量高的3个优秀品种，a)微拟球藻(Nannochloropsis sp)，其脂质含量为净重的31%～68%；b)裂殖壶菌(Schizochytrium sp)，其硅藻脂含量为净重的50%～77%；c)布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)，其硅藻脂质含量为净重的25%～75%。这3种微藻中，以微拟球藻最优，因为其抗菌力强，生命力顽强；易于生养，培育简单，处理方便；咸水物种；高脂质含量(脂质达净重的70%)。资料中反映，澳大利亚富基绿色新能源生物柴油的生产系统，主要流程(见图1)。

　　项目在1000m²的实验现场中进行，设专人负责藻菌培育室、试验室以及用透明的很粗的塑料管构成的，呈闭合循环状的光合作用反应器。在实验中若发现某一段反应器存在异常，可立即进行切换处理，使闭合循环仍能继续进行。藻菌光合作用反应器管道与藻菌加入口、水的加入口、CO₂通入口等连接着。藻类收获后，将其送至提炼设施，再通过脂类提炼或干制法进行浓缩，将提炼出的脂类转化成生物柴油和甘油。尽管相对于干制法，用于脂类提炼的湿制法成本和能耗低，但是干制法能产生包含浓缩脂类等的干物质，所有的付产品(蛋白质，碳)都会被再利用，产生出更高的附加值。若准备建厂，应选与热电厂距离近一些的地方，这样便于利用电厂烟道气中排除的CO₂，通入光合反应器，使微拟球藻等得到足够的营养。

　　所收集的资料中，附有由美国著名的FUJL Fuel Blo Dlesel公司，对澳大利亚富基绿色新能源生物柴油项目评估为可信赖等级的1份项目预算表(见表1)，表1给出了预期效益的分析。

　　澳大利亚的富基绿色新能源生物柴油项目的预期产量为160×10^4L/d，约合45×10^4t/a左右，需投资110×10^8元人民币，利润达22×10^8元/a人民币，投资回报率为19.87%，投资回收年限为5a。

　　以建设200个基础农场为例，预期设计的含油量为净重等值的40%，生物柴油批发出厂价按1.05澳元计，脱脂湿生物质的计量按0.50澳元/kg(净重等值)计，所产油的预期含油量设为85%，可产出湿生物质10732379kg/d。按每头奶牛饲料消耗28kg/d计，可养殖奶牛383299头，占用土地2170hm²。

　　3中国从海藻中提取柴油的状况

　　中国海藻生物能源研究，虽然起步较晚，但在微藻大规模培养方面走在世界前列。养殖的微藻种类包括螺旋藻、小球藻、栅藻，雨生红球藻等。中科院大连化学物理研究所等单位在产氢微藻，清华大学等单位在产油淡水微藻方面，都有一定的研究基础^[3]。2008年10月，海南绿地微藻生物科技有限公司利用CO2养殖微藻，成功地转换成生物柴油，在其养殖试验基地收获的干藻粉含油率达28%～32%。2008年12月，河北新奥集团已经在光生物反应器，生物柴油制备等藻类生物质能源技术领域取得了10多项具有自主知识产权的成果。以海藻为原料，成功地进行了生物柴油和生物燃气的中试，予计3a～5a内，逐步实现藻类生物能源的产业化。2009年2月，中科院与中石化集团在联合召开的“海藻生物柴油成套技术”项目启动会上宣布，近期要完成小试研究，2015年前后实现户外中试装置研发，远期将建设1×10^4t级工业示范装置。2009年4月，上海市科委批准立项的上海交通大学生命科学技术学院海藻制油项目已取得小试阶段性成果^[1]。

　　中科院海洋研究所获得了多株系油质含量在30%～40%的高产能藻株，微藻产油研究取得了重要成果。如，细胞密度达到20g/L，产油量7g/m²(是目前农业种子产量的2倍)；雪藻能在1m2光照面积内生产35.3g/dAFDW(去灰分干重)。该生物量相当于46.4g植物种子量，是目前高产农田的11倍。中国海洋大学创建了海藻类种子资源库，已收集600余株海洋藻类种子资源，保有油脂含量接近70%的微藻品种。在山东无棣县实施的裂壶藻(油脂含量50%，DHA含量40%)养殖项目正在建设一期工程，在利用滩涂能源植物，如，碱篷、海滨锦葵、油葵及地油制造生物柴油方面取得了重大技术突破^[3]。

　　2010年，广州、深圳、厦门先后出现的“年产3000t海藻生物柴油中试厂”项目，皆融资3000×10^4元，提出了两步法光生物反应器海藻生长系统设计方案，不但解决了光生物反应器中海藻生长和富集脂质的矛盾，而且解决了反应器用于工业化生产存在的问题^[2]。中试厂项目内容包括从电厂烟道回收CO₂、培养海藻、海藻收集、海藻油萃取、生物柴油制造以及甘油和藻渣付产品加工，可以达到的目标为，a)生产3000t海藻生物柴油，付产300t燃料油；2500t饲料；减排CO₂2.1×10^4t(也有的付产甘油产品)；b)实现海藻生产极为迅速的工艺，24h内可增加1倍；3.5h可达到对数生长期。使多数海藻含油量保持在20%～50%，部分海藻(干物质量)的含油量提高到77%～80%；c)中试厂投产后，若达产1×10^4t，可获纯利2000×10^4元/a。中试总投资(估算)6.0×10^8元^[2]。

　　4未来的发展

　　4.1利用海藻生物消化CO₂

　　利用海藻吸收CO₂是科学家正在重点研究的1个项目，日本的海洋学家在太平洋的洋面上铺设100张(每张边长为10km)正方形鱼网，利用这些鱼网作为海藻生长的场所。某些海藻，如，马尾藻等会在1a内长到10m长，其间，由于光合作用，吸收CO₂，释放出O₂。

　　这些海藻在被收成后可以转化成生化燃料等有用物质，同时，这些鱼网也成了大量浮游生物的寄生场所，成为鱼类产卵的好地方，也因此增加了鱼类资源。

　　美国的Earthrise公司还在加利福尼亚州的浅海区域培殖蓝绿藻，这种水藻的蛋白质成分很高，营养价值丰富，是地球上最能有效吸收CO₂，并释放出O₂的植物。它所需要的高浓度CO₂完全来自工厂所排放的废气。

　　藻类物质在无氧环境中形成纯碳。碳作为有机肥料再用于未来的藻类培养。这种循环链能够实现碳封存的目的。

　　4.2海藻生物柴油生产的付产品

　　从海藻中提取生物柴油后，残留物富含蛋白质，能加工成动物和鱼类的饲料，食物和制药产品等多种付产品；藻类物质通过微生物消化，还能产生沼气，提供新的能源。

　　4.3培养更优质的藻类品种

　　通过调整藻类基因，使脂类及其他特定产品的产量最大化，转基因品种与自然生长品种相比，在回报方面具有潜在的优势。

　　5结语

　　微藻资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地。它的光合作用效率高，生长周期短，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。

　　微藻脂类含量在20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产H₂的新原料。在使用秸秆生产乙醇汽油之后，利用微藻生产生物柴油则是现在最新的“绿色”燃油技术。

　　参考文献：

　　[1]刘永平.海藻生物燃料产业化开发的进展[J].中外能源，200914(9)：31-38.

　　[2]刘生.年产3000t海藻生物柴油中试厂项目[ED/OL].[2010-01-22].http：//www.3d-vc.com/.

　　[3]刘永平.年产3000t海藻生物柴油中试厂项目[ED/OL].[2010-01-22].http：//www.3d-vc.com/.