微藻培養(yǎng)池
微藻生物柴油作為一項涉及生物能源、碳堿排和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三位一體的戰(zhàn)略性技術(shù)，吸引了全世界眾多研究機構(gòu)、大學和企業(yè)參與研發(fā)。不過，現(xiàn)有的微藻生物柴油技術(shù)還很不經(jīng)濟，投資大、成本高、占地多，這些是待解問題。
從微藻中提油，聽起來匪夷所思，但目前很多科學家正在打它的主意。
微藻生物柴油作為一項涉及生物能源、碳堿排和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三位一體的戰(zhàn)略性技術(shù)，吸引了全世界眾多研究機構(gòu)、大學和企業(yè)參與研發(fā)。國際上已將其作為先進生物燃料的主要發(fā)展技術(shù)路線之一。
正如中國工程院院士曹湘洪所說：“隨著技術(shù)進步及環(huán)境要求提高，微藻生物柴油技術(shù)會體現(xiàn)出競爭力�！�
石油替代技術(shù)的主角
上世紀70年代到90年代的三次石油危機，促使高度依賴石油資源的美國等西方發(fā)達國家開始重視可持續(xù)的石油替代能源技術(shù)的研究。
“微藻生物能源技術(shù)成為這場技術(shù)開發(fā)的主角。”中科院青島生物能源與過程研究所研究員劉天中介紹說，微藻作為一類單細胞低等植物，理論面積產(chǎn)率可達每年每公頃250噸，遠高于任何陸上植物；而且藻細胞中積累高達50%~70%的油脂，非常易于催化轉(zhuǎn)化成生物柴油，甚至航空燃料。
美國能源部于1976年開始一項歷時20年的“水生生物物種計劃”，其重要目標就是要解決產(chǎn)油微藻的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。日本、加拿大、英國等也相繼將微藻生物柴油技術(shù)列入重大研究計劃。2000年后，全球碳減排的一致行動再次點燃了微藻生物柴油技術(shù)研究的熱潮。
“我國自‘十一五’末期，特別是在‘十二五’開始比較集中的研究。”中科院青島生物能源與過程研究所副所長呂雪峰研究員說，科技部先后部署了多項項目支持，包括中科院、中國海洋大學、華東理工大學等大力開展了相關(guān)技術(shù)研究。其中，中科院青島能源所系統(tǒng)建立了藻種選育、規(guī)模培養(yǎng)、加工利用等微藻能源全技術(shù)鏈的研發(fā)隊伍，在微藻生物能源的基礎(chǔ)研究、共性關(guān)鍵技術(shù)以及中試放大方面開展了系統(tǒng)性研究。
劉天中表示，這幾年，我國在遺傳育種、功能基因與代謝物組學、基因工程改造、規(guī)模培養(yǎng)與裝備技術(shù)以及生物柴油與航空生物燃料轉(zhuǎn)化方面取得了長足進步，總體水平與國外相當，部分技術(shù)甚至領(lǐng)先。
選育絲狀產(chǎn)油藻對抗“吃貨”
不過，兩院院士閔恩澤直言，開發(fā)微藻生物柴油還有很大難度，要大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，還有漫長、艱難的路要走。
“由于微生物侵染和爆發(fā)性原生動物?噬導(dǎo)致的微藻培養(yǎng)污染，是在產(chǎn)油微藻培養(yǎng)中經(jīng)常發(fā)生的故事�！眲⑻熘懈嬖V記者，微藻培育是微藻生物柴油發(fā)展的基礎(chǔ)，但當他們試圖進行大規(guī)模高密度培養(yǎng)時，各種各樣的“吃貨”都會蜂擁而至。
事實上，美國“水生生物物種計劃”研究最終未能建立起商業(yè)化的微藻生物能源體系，最重要的原因之一就是未能解決微藻規(guī)模培養(yǎng)中的污染問題。
劉天中帶領(lǐng)團隊，調(diào)酸、調(diào)堿、殺蟲劑……凡是能想到的方法都用上了，也沒什么效果。
突然有一天，劉天中受到魚類養(yǎng)殖的啟發(fā)：小魚苗必須投喂高營養(yǎng)小顆粒的餌料，所謂“螞蟻不能吞大象”。同時，他注意到，目前只有螺旋藻形成了真正意義的大規(guī)模商業(yè)化培養(yǎng)，培養(yǎng)過程很少發(fā)生嚴重污染。最可能的原因之一就是遠大于輪蟲尺寸的絲狀體螺旋藻不利于原生動物的?噬。
于是，劉天中的團隊篩選了5株黃絲藻在實驗室進行培養(yǎng)生長和油脂評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其在12天培養(yǎng)后總油脂含量均可達51%~63%，其中可作為生物柴油的中性脂占總脂的80%以上，總脂和中性脂甚至比傳統(tǒng)的單細胞產(chǎn)油藻還高，生長也相當快。更重要的是其在開放池中試放大系統(tǒng)中經(jīng)過一年數(shù)十個批次的規(guī)模培養(yǎng)，沒有發(fā)生輪蟲等原生動物的污染。
目前，他們已從國內(nèi)多個生境中獲得了多株高產(chǎn)油絲狀藻，并進行了包括淡水和海水的其他絲狀藻的培養(yǎng)評價。這為解決能源微藻大規(guī)模培養(yǎng)的污染與收集問題提供了一條全新的途徑。
規(guī)模與成本仍是瓶頸
“現(xiàn)有的微藻生物柴油技術(shù)還很不經(jīng)濟，投資大、成本高、占地多�！遍h恩澤舉了個例子：一座3萬噸/年管式光反應(yīng)器工業(yè)示范裝置的反應(yīng)器就長達10.6萬米，占地面積17萬平方米，氮、鉀、鈣需求和耗電量驚人。
這也成為目前微藻能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主要障礙。
“多年來研究者試圖從培養(yǎng)工藝、裝備結(jié)構(gòu)上進行改進，但提升效果都非常有限�！睂Υ耍瑒⑻熘刑岢隽宋⒃濉吧锬べN壁培養(yǎng)”概念，即將藻細胞接種在人工介質(zhì)表面形成生長膜，提供少量培養(yǎng)基保持膜表面潤濕，在光照和二氧化碳環(huán)境中培養(yǎng)。這樣，光可以直接照到細胞表面而不像傳統(tǒng)的懸浮培養(yǎng)時發(fā)生在水體中的衰減，而且可以直接刮取藻泥，收集成本大大降低。
同時，劉天中又從大棚蔬菜的立體種植中得到啟示：把這些微藻生物膜以一定的方式立體排列，將過強的太陽光稀釋到更大培養(yǎng)面積上，一方面可以解決強光對藻的光抑制，另一方面可以提高太陽光能的利用率，從而提高培養(yǎng)面積產(chǎn)量。
“這較傳統(tǒng)的微藻液體培養(yǎng)模式產(chǎn)量提高了3~5倍，是目前文獻報道的最高水平�！眲⑻熘姓f，他們目前已完成了200平方米的中試放大，這一全新的培養(yǎng)模式也已成為微藻培養(yǎng)技術(shù)的研究熱點。
“從全球看，微藻能源仍然處于研發(fā)示范階段�！眳窝┓逭J為，要實現(xiàn)微藻生物柴油的產(chǎn)業(yè)化，規(guī)模與成本仍然是需要大力解決的瓶頸問題。
劉天中表示，未來的研發(fā)目標一方面是要加強微藻生物學基礎(chǔ)理論的研究，加強具工業(yè)應(yīng)用性狀的特色藻種的選育與改造，另一方面是要加強微藻規(guī)模培養(yǎng)創(chuàng)新方法和裝備技術(shù)的研發(fā)，解決效率、成本和規(guī)模放大問題。
“在繼續(xù)致力于微藻能源關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究的同時，我們將采取‘基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)相結(jié)合、高值化學品與能源產(chǎn)品相并行’的研發(fā)思路，推動微藻產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展�！眳窝┓逭f。
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