微藻資源合理利用技術(shù)展望

微藻資源合理利用技術(shù)展望中國海洋大學(xué)潘克厚主要內(nèi)容一、何謂微藻？二、為何養(yǎng)微藻？三、如何養(yǎng)微藻？四、問題與建議一、何謂微藻？細(xì)胞尺寸小（1-25um），是地球上最早誕生的重要生命類群，是某些極端環(huán)境下的幸存者和適應(yīng)者，不少種類有數(shù)千萬年甚至十億年發(fā)展的演化。約10萬種，占植物界物種數(shù)量的50％，包括我們已知的微藻知之甚少、分布更廣、個(gè)體更小的“Nano-”和“Pico-”類群；將是人類繼發(fā)現(xiàn)微生物之后又一新的重要種質(zhì)庫、遺傳信息庫、生化物質(zhì)庫、再生藥用資源庫和特色產(chǎn)品博物館。被觀察、描述和記載過的微藻僅占1/3。在我國和美英德日等國微藻類種質(zhì)庫和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人工培養(yǎng)的海洋及淡水微藻藻株只有1/30。從生態(tài)、赤潮、養(yǎng)殖和微藻生物技術(shù)等角度較詳細(xì)觀察研究的微藻只有千分之一，已經(jīng)開發(fā)的微藻種類更少。油脂、多糖、纖維素、生物活性物質(zhì)等產(chǎn)物豐富且可人工調(diào)控。微藻是十分重要的水生生物資源！光能轉(zhuǎn)化效率高、繁殖快，生物量的倍增時(shí)間一般是24h、甚至更短，據(jù)估計(jì)，微藻生物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)到陸地植物的300倍?？稍邴}堿地、粘土地、灘涂、甚至海上養(yǎng)殖，可不消耗淡水，不與糧爭地，不與人爭糧。可用于工廠廢氣中CO2吸收、污水處理、環(huán)境保護(hù)等。二、為何養(yǎng)微藻？（一）規(guī)?；B(yǎng)殖的主要微藻及其產(chǎn)量

（PulzandGross,2004）目前，全球微藻粉的產(chǎn)量約２萬噸／年（二）微藻產(chǎn)品類別及其市場現(xiàn)狀

（PulzandGross,2004）全球變暖原因二氧化碳含量增多自然原因：人為原因：燃燒礦物燃料產(chǎn)生毀林氟氯烴化合物等其他溫室氣體太陽活動、大氣環(huán)流、火山活動、地殼運(yùn)動等日趨顯著（三）減排CO2與新能源開發(fā)需求1、減排CO2需求2、CO2增多的危害海平面上升，威脅沿海低地國家、地區(qū)

引起各地降水和干濕狀況變化導(dǎo)致各國經(jīng)濟(jì)社會結(jié)構(gòu)變化3、應(yīng)對措施提高能源利用率，采用新能源，綠化全球合作!減少二氧化碳等氣體的排放量CO2增多大氣保溫作用加強(qiáng)氣溫升高大氣中水份增多

科學(xué)家預(yù)測：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2－4攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個(gè)著名的國際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。

「聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)」與「世界氣象組織(WMO)」1988年共同成立「政府間氣候變化專家委員會(IPCC)」進(jìn)行專題研究，根據(jù)1995年IPCC第二次評估報(bào)告指出，人類若不對溫室氣體排放采取控制措施，2100年全球平均地面氣溫將比1990年增加1.0-3.0℃，而海平面也將上升15至95cm。

若要在21世紀(jì)末將二氧化碳濃度保持為工業(yè)革命前的二倍，則全球二氧化碳之排放量即需削減一半以上。2009年12月4日，尼泊爾內(nèi)閣在海拔5164米的珠穆朗瑪峰一個(gè)營地召開了全世界最高的的內(nèi)閣會議。2009年10月17日，印度洋島國馬爾代夫首次在水下召開內(nèi)閣會議。2009年12月7日，聯(lián)合國氣候變化大會在丹麥?zhǔn)锥几绫竟_幕全球氣候變暖與二氧化碳減排?。?！2009年11月26日，中國正式對外宣布控制溫室氣體排放的行動目標(biāo)，決定到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。目前人類所普遍使用的能源是化石能源，儲量有限、不可再生。幾十萬年才能形成的石油資源，采一桶少一桶，儲量日趨枯竭。化石能源使用過程中產(chǎn)生大量的污染，其所造成的環(huán)境危機(jī)已經(jīng)更甚于能源本身短缺的危機(jī)。美國能源部和世界能源理事會預(yù)測，全球已探明的石油儲量約為1.5×1012t，按現(xiàn)消費(fèi)水平到2040年將枯竭；天然氣儲量約為1.2×1012t，僅能維持到2060年；煤炭儲量約為5.5×1012t，也僅可用200年。且資源主要分布在美國、加拿大、俄羅斯和中東地區(qū)。4、新能源需求中國已是世界主要能源消耗大國,國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測,從2002年至2030年，全球新增能源需求的21%將來自中國。我國煤炭剩余可開采儲量僅為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照2003年的開采速度，只能維持83年。據(jù)國土資源部預(yù)計(jì)，我國石油資源儲量僅為全球2％，石油開采年限為15年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。中國的能源需求：

2006年中國石油表觀消費(fèi)量達(dá)到34655萬噸，同比增長9.3%；石油產(chǎn)品進(jìn)口量達(dá)1.6億噸，對外依存度已達(dá)47%，較2005年提高4.1個(gè)百分點(diǎn)。

二00九年中國能源藍(lán)皮書預(yù)測：2010年和2015年中國原油產(chǎn)量將分別達(dá)到1.77億-1.98億噸和1.82億-2.0噸，呈緩慢上升趨勢。2020年，中國原油產(chǎn)量預(yù)計(jì)為1.81億-2.01億噸，石油對外依存度將達(dá)64.5%；然后將呈逐年下降的趨勢。中國的能源需求：

世界進(jìn)入了一個(gè)能源不安全時(shí)期！尋找清潔、安全、廉價(jià)、可再生的替代能源迫在眉睫！

新能源包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫能。從世界可再生能源的利用與發(fā)展趨勢看，風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能發(fā)展最快，產(chǎn)業(yè)前景最好。世界各國紛紛把發(fā)展生物質(zhì)能源提高到戰(zhàn)略高度！

生物質(zhì)能源優(yōu)點(diǎn)：綠色環(huán)保。如生物柴油可降低90%的排放毒性?？稍偕?。其基本原料是農(nóng)業(yè)產(chǎn)出物，可以周而復(fù)始地生產(chǎn)，成本低。節(jié)能。生產(chǎn)生物柴油的能耗僅為生產(chǎn)礦物柴油的1/4，而且使用柴油機(jī)可以節(jié)油15%-30%。安全。生物柴油可完全降解，其閃點(diǎn)高于礦物柴油因而更安全。5、生物能源發(fā)展趨勢乙醇或柴油；能源植物或微藻？近年來，全球的生物柴油產(chǎn)量增加了80%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃料乙醇等替代燃料的增長速度。美國把生物柴油列為“可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略”的主要發(fā)展目標(biāo)之一。提出到2020年生物燃油取代全國燃油消費(fèi)量的10％；能源署計(jì)劃到2010年，生物柴油的產(chǎn)量超過1200萬噸。到2025年，用生物質(zhì)能源替代75%的中東石油進(jìn)口。生物柴油的研究最早是從20世紀(jì)70代開始。國外生物質(zhì)能源發(fā)展趨勢

巴西美國加拿大愛爾蘭歐盟日本東南亞乙醇柴油乙醇柴油柴油柴油柴油柴油不同來源生物柴油的生產(chǎn)能力玉米微藻棕櫚油菜籽向日葵大豆14-286200-4000微藻與部分植物的產(chǎn)油效率比較

玉米大豆油菜籽麻瘋樹棕櫚樹微藻升/公頃.年17244611901892595095,000部分微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂含量微藻microalgae含油量oilcontent（%干重dryweight）Botryococcusbraunii(葡萄藻)

Chlorellasp.(小球藻)Crypthecodiniumcohnii(宼氏隱甲藻)Cylindrothecasp.(細(xì)柱藻)Dunaliellaprimolecta(杜氏鹽藻)Isochrysissp.(等邊金藻)MonallantussalinaNannochlorissp.(微綠球藻)Nannochloropsissp.

(微擬球藻)Neochlorisoleoabundans

(新綠藻)Nitzschiasp.

(菱形藻)Phaeodactylumtricornutum

(三角褐指藻)Tetraselmissueica

(四片藻)25-7528-32

2016-37

2325-33>2020-3531-6835-5445-4720-3015-23引自ChistiY.,2007,Biodieselfrommicroalgae,BiotechnologyAdvances,25,294-306微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高，平均高達(dá)33MJ/kg，是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍培養(yǎng)產(chǎn)油微藻的耕地占有率中國鹽堿地達(dá)1.5億畝（即10Mha）,僅需14%的鹽堿地！趨勢：柴油+乙醇；微藻+能源植物6、利用微藻資源的各種方式太陽能廢水處理優(yōu)良藻種養(yǎng)殖設(shè)施碳源、營養(yǎng)鹽自然海域營養(yǎng)鹽規(guī)?；囵B(yǎng)增殖有用物質(zhì)生產(chǎn)餌料生產(chǎn)太空應(yīng)用收獲分離、精制處理水分離殘?jiān)称飞a(chǎn)生物質(zhì)能源活性物質(zhì)食品添加劑加工環(huán)境凈化蛋白質(zhì)脂肪酸功能食品油脂石油烴氫甲烷供給氧氣去除CO2廢物處理去除CO2有益物濃縮有害物回收污染防治醫(yī)藥試劑化妝品生物毒素色素香料糖類化工原料碳?xì)浠衔锾穷怌O2三、如何養(yǎng)微藻？（一）異養(yǎng)培養(yǎng)某些微藻能利用簡單的有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)生長。異養(yǎng)培養(yǎng)可控性好，生長速率高，并有可能獲得高含量油脂的微藻藻體，如清華大學(xué)吳慶余等通過異養(yǎng)轉(zhuǎn)化細(xì)胞工程技術(shù)獲得了脂類含量高達(dá)細(xì)胞干重55％的異養(yǎng)藻細(xì)胞。但微藻異養(yǎng)培養(yǎng)設(shè)備要求高，產(chǎn)物生化組分變化大，運(yùn)營成本昂貴。（二）自養(yǎng)培養(yǎng)微藻大規(guī)模培養(yǎng)目前主要有3種形式：光生物反應(yīng)器（Photobioreactors，PBR）跑道池（RacewayPond）開放大池（OpenPond)

AlgaeOilOutput：Approx.8L./week；Approx.420L./yearAlgaePondCosttoduplicateunit：$1500AgitatedAlgaeTroughAlgaeOilOutput：Approx.25L./week；Approx.1300L./yearCosttoduplicateunit：$2500AlgaecirculatingpondAlgaeOilOutput：Approx.20L./week；Approx.1000L./yearCosttoduplicateunit：$3000OpenTopAlgaeTowerAlgaeOilOutput：Approx.30L./week；Approx.1500L./yearCosttoduplicateunit：$8000EnclosedAlgaeTubeTowerAlgaeOilOutput：Approx.5L./week；Approx.260L./yearCosttoduplicateunit：$200foot(height)CircularmixingpondsAlgaeOilOutput：Approx.50L./week；Approx.2500L./yearCosttoduplicateunit：$5000LargeOpenAlgaePondAlgaeOilOutput：75metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit：$40,000/hectareLargeRacewayPondLargeRacewayPondAlgaeOilOutput：120metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit：$80,000/hectare光生物反應(yīng)器與跑道池生產(chǎn)效率的比較2006年11月，美國GreenFuelTechnologyCorp和ArizonaPublicServiceCompany報(bào)道了以微藻為生物質(zhì)原料制備生物柴油研發(fā)所取得的進(jìn)展。兩公司在亞利桑那州建立了可與1040兆瓦電廠煙道氣相聯(lián)接的商業(yè)化系統(tǒng)，成功地利用煙道氣的CO2，大規(guī)模光合成培養(yǎng)微藻，并將微藻轉(zhuǎn)化為生物“原油”，其產(chǎn)率可達(dá)到每年每英畝提供5000-10000加侖（3784-7567L/畝）生物柴油和相當(dāng)量生物乙醇的水平。（三）國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

2007年，美國Solix

Biofuels、PetroSun等多家公司相繼公布了本公司在微藻能源研發(fā)中的進(jìn)展和未來的計(jì)劃。

2007年3月，IsraelFirmSembioticLtd展示了利用海藻（seeweed）吸收CO2，轉(zhuǎn)化太陽能為生物質(zhì)能的技術(shù)，在離電廠煙囪幾百米處的跑道池中規(guī)模培養(yǎng)海藻，并將其轉(zhuǎn)化為燃料，每5公斤藻可產(chǎn)1升燃料。

2007由美國著名實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家組成的Nationalalliance《LiveFuels》宣布了由國家能源局支持的“微型曼哈頓計(jì)劃”，計(jì)劃在2010年實(shí)現(xiàn)微藻制備生物柴油的工業(yè)化。隨后，日本、韓國、英國、以色列、中國等國家展開微藻制備生物柴油技術(shù)研究。2007年12月荷蘭Shell公司宣布與美國從事生物燃料業(yè)務(wù)的HRBiopetroleum公司組建Cellena合資公司，投資70億美元在夏威夷開展海洋微藻生物柴油技術(shù)研究。2007年底，美國Chevron公司宣布與美國能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室協(xié)作研究微藻生物柴油技術(shù)。2008年1月，中國石油化工集團(tuán)公司與中國科學(xué)院簽訂的《全面戰(zhàn)略合作協(xié)議書》，雙方經(jīng)過協(xié)商，決定在新能源領(lǐng)域合作研發(fā)“微藻生物柴油成套技術(shù)”。

2009年7月14日，美國ExxonMobil公司宣布將投資給SyntheticGenomics公司6億美元發(fā)展藻類生物燃料。美國制定藻類生物燃料技術(shù)路線圖（2009）AlgalBiologyFeedstockCultivationHarvestandDewateringExtractionandFractionofMicroalgaeAlgalBiofuelConversionTechnologyCo-ProductsDistributionandUtilizationofAlgalBased-FuelsResourcesandSitingCorrespondingStandards,RegulationandPolicySystemsandTechno-EconomicAnalysisofBiofuelDeploymentPublic-PrivatePartnerships四、問題與建議管板柱池（一）用什么反應(yīng)器：池－管－板－柱？光衰減細(xì)管／薄板式設(shè)計(jì)內(nèi)光源加強(qiáng)光周期循環(huán)，轉(zhuǎn)光連續(xù)采收—低密度培養(yǎng)開放式表層水體有效密閉式淺池運(yùn)行強(qiáng)制混合光照通量不足措施

項(xiàng)目單耗(t/t)小計(jì)(元/t)NaHCO3(7-10)88960營養(yǎng)鹽3.25970耗水10001000耗電3300度1850耗油14600折舊

12500人員

3000總計(jì)37880

（二）如何提高效率、降低成本？高物耗高能耗高折舊1、成本分析——螺旋藻開放池CO2優(yōu)良微藻藻種自然篩選、誘變育種或基因工程手段改造光合反應(yīng)器或培養(yǎng)池微藻采收或(膜過濾)(離心)濕藻泥油提煉離心分離油和藻渣規(guī)?；囵B(yǎng)提煉后的藻渣綜合利用酒精飼料添加微藻能源生產(chǎn)技術(shù)路線圖（產(chǎn)油）生物柴油煙氣減排2、問題與限制因素微藻現(xiàn)有產(chǎn)油成本比較

原油菜籽油棕櫚油微藻生物原油$/kg?0.3～0.60.250.3～0.43～10微藻產(chǎn)油成本的主要相關(guān)技術(shù)：微藻的高生長速率、低成本培養(yǎng)基及培養(yǎng)工藝的優(yōu)化；廢棄CO2的捕獲、凈化和利用；低成本的光生物培養(yǎng)系統(tǒng)；微藻生物量的低成本收集。美國能源局計(jì)劃在各項(xiàng)技術(shù)全面進(jìn)展的前提下，將微藻產(chǎn)油的成本于2015年降至2-3美元/加侖，從而對該領(lǐng)域的研究提出了明確挑戰(zhàn)。Alongwaytorun!3、總體思路

新型反應(yīng)器降低投資成本碳源替代降低物耗、能耗反應(yīng)工程大規(guī)模培養(yǎng)與調(diào)控分離工程脂肪酸/蛋白/多糖/色素篩選、改造平臺采收/破壁/干燥/循環(huán)過程優(yōu)化與放大平臺種質(zhì)工程藻種選育與改造藻種評價(jià)平臺深加工與多聯(lián)產(chǎn)以高值化彌補(bǔ)成本過程優(yōu)化控制提高產(chǎn)率降成本4、使微藻生物柴油生產(chǎn)過程與CO2減排的高度耦合自2005年開始，歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家均已開始對CO2排放進(jìn)行定量控制；對于中國等發(fā)展中國家，將于2012年開始對CO2排放進(jìn)行定量控制。目前，歐盟的每噸CO2指標(biāo)售價(jià)約為20歐元，我國每減排１噸CO2的指標(biāo)售價(jià)約為100元人民幣。據(jù)2007年統(tǒng)計(jì)，我國的CO2年排放量為27億噸，位居世界第二，因此CO2減排形勢十分嚴(yán)峻。

CO2減排（CDM）的國際市場已初步形成，隨著2012年的逐步接近，我國的CO2減排壓力越來越大，CDM市場將會非常巨大。自2005年開始，歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家均已開始對CO2排放進(jìn)行定量控制；對于中國等發(fā)展中國家，將于2012年開始對CO2排放進(jìn)行定量控制。目前，歐盟的每噸CO2指標(biāo)售價(jià)約為20歐元，我國每減排１噸CO2的指標(biāo)售價(jià)約為100元人民幣。據(jù)2007年統(tǒng)計(jì)，我國的CO2年排放量為27億噸，位居世界第二，因此CO2減排形勢十分嚴(yán)峻。

CO2減排（CDM）的國際市場已初步形成，隨著2012年的逐步接近，我國的CO2減排壓力越來越大，CDM市場將會非常巨大。每培養(yǎng)１噸微藻粉約消耗1.83噸CO2，通過微藻大規(guī)模培養(yǎng)，目前每年可固定約4萬噸CO2。第一代：開放池，50元/m2第二代：封閉式，100元/m25、發(fā)展新型光生物反應(yīng)器推薦的養(yǎng)殖方式光生物反應(yīng)器，跑道池和開放大池的聯(lián)合逐級放大培養(yǎng)，兼顧成本與效率。PBRRacewaysOpenpond

項(xiàng)目開放池密閉板式(100元/平米)密閉板式(100元/平米)折舊期(年)10103CO2115011501150營養(yǎng)鹽110011101110耗水3131010耗電210210210耗油000折舊78121093825498人員225022502250總計(jì)128351566830228能源藻成本測算(元/t生物量)南方（長江、珠江、華東、華南沿海、西南）：人多、地少、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、水資源相對豐富；北方（松、遼、黃、淮、海）：人多、地多、經(jīng)濟(jì)相當(dāng)發(fā)達(dá)、水資源嚴(yán)重短缺；西北：地廣人稀、氣候干旱、生態(tài)環(huán)境脆弱。

鹽堿地、荒漠、減排需求?。。。ㄈ┰谀睦锷a(chǎn)：東－南－西－北？廢水總量：約2400億方/年，環(huán)保需求 （工業(yè)：1200億方/年，生活：600億方/年）

——廢水資源分散，城市附近缺少場地。海水：資源無限、可防空氣雜菌污染（鹽湖）

——沿海養(yǎng)藻效益低淡水：總供水5500億方/年（2002年）（地表水4400億方/年，地下水1100億方/年）

——與人爭水？要發(fā)展水循環(huán)技術(shù)?。ㄋ模┯檬裁此簭U水－海水－淡水？（四）用什么藻種？

不易貼壁（表面特性？）不產(chǎn)胞外多糖最適pH8.5～11.5，最好在9.0以上

光合效率高，面積產(chǎn)率>8g/m2d

溫度范圍寬，4～50℃

光飽和點(diǎn)高，>5mW/cm2

光抑制點(diǎn)高，>10mW/cm2

個(gè)體密度1.02-1.05g/cm3

個(gè)體大，易收獲，>300目產(chǎn)物含量適中，～30％優(yōu)良微藻藻種自然篩選、誘變育種或基因工程手段改造1、優(yōu)良藻種的標(biāo)準(zhǔn)和遺傳基礎(chǔ)？生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、油脂含量高、高效固定CO2、易采收……，如何考慮遺傳穩(wěn)定性？2、實(shí)現(xiàn)藻種高通量、準(zhǔn)確化篩選的理論依