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微藻培養(yǎng)池

微藻生物柴油作為一項(xiàng)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(jī)構(gòu)、大學(xué)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(jì)，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(xué)家正在打它的主意。

微藻生物柴油作為一項(xiàng)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(jī)構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)參與研發(fā)。國際上已將其作為先進(jìn)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(jìn)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(jì)70年代到90年代的三次石油危機(jī)，促使高度依賴石油資源的美國等西方發(fā)達(dá)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�！敝锌圃呵鄭u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(xì)胞低等植物，理論面積產(chǎn)率可達(dá)每年每公頃250噸，遠(yuǎn)高于任何陸上植物；而且藻細(xì)胞中積累高達(dá)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(xiàng)歷時20年的“水生生物物種計(jì)劃”，其重要目標(biāo)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(jì)劃。2000年后，全球碳減排的一致行動再次點(diǎn)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(xiàng)項(xiàng)目支持，包括中科院、中國海洋大學(xué)、華東理工大學(xué)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(duì)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(xué)、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(jìn)步，總體水平與國外相當(dāng)，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。”劉天中告訴記者，微藻培育是微藻生物柴油發(fā)展的基礎(chǔ)，但當(dāng)他們試圖進(jìn)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(shí)上，美國“水生生物物種計(jì)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(tuán)隊(duì)，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(yán)重污染。最可能的原因之一就是遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)篩選了5株黃絲藻在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(dá)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(xì)胞產(chǎn)油藻還高，生長也相當(dāng)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(jìn)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(jì)，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(dá)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(jìn)行改進(jìn)，但提升效果都非常有限�！睂Υ耍瑒⑻熘刑岢隽宋⒃濉吧�物膜貼壁培養(yǎng)”概念，即將藻細(xì)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(xì)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(qiáng)的太陽光稀釋到更大培養(yǎng)面積上，一方面可以解決強(qiáng)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(xiàn)報(bào)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(diǎn)。

“從全球看，微藻能源仍然處于研發(fā)示范階段。”呂雪峰認(rèn)為，要實(shí)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(biāo)一方面是要加強(qiáng)微藻生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，加強(qiáng)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(qiáng)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(xué)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。