朱延雄　王春莉　王静

（青岛市科技信息研究所山东青岛266003）

国内外海洋能源微藻技术及产业分析

朱延雄王春莉王静

（青岛市科技信息研究所山东青岛266003）

本文针对海洋微藻生物质能源开发的特点，研究分析国内外产业创新资源的布局、关键技术及产品、产业发展现状及发展趋势，提出适合我国产业发展的建议。

海洋；微藻；生物质能源；对策建议

随着全球经济的快速增长，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危机已迫在眉睫，对生物质能等可再生能源的关注渐成热点。在众多的非粮生物质中，海洋微藻具有分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点，可用于制备生物燃料（乙醇、生物柴油、燃料油或者氢等），并兼备碳减排的功效。海洋微藻生物质能源的研究已经成为全球生物质能源研究的重点，利用微藻生产生物燃料具有广阔的发展前景。

1海洋微藻生物质能源开发的特点和优势

海洋生物质能源是海洋植物利用光合作用将太阳能以化学能的形式贮存的能量形式，此类海洋生物质的主要来源为海洋藻类，包括海洋微藻和大型海藻等，目前较为热门的是对海洋微藻的研究，主要原因是海洋微藻具有以下特点和优势。

生长周期短，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可大量提供非粮食可再生的生物质能。

适应能力强，不争地，不争水：微藻具有盐碱适应能力，可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养，无需占用农业用地，也不消耗淡水资源；而且利用封闭式光生物反应器培养微藻，其养殖过程可以实现自动化控制。

大量积累脂质，可高效生产生物燃油：一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50%～90%，有望成为最有前景的生物燃油来源。

具有减排效应，可以直接处理工业废气：微藻可以通过光合作用利用废气和废水，不仅能缓解温室气体的排放，而且可以通过利用废水、废气降低生产成本，具有显著减排效应，有望进行商业化减排。

可高值化综合利用：微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料和饵料等。

2海洋微藻生物质能源产业的技术构成及开发流程

海洋微藻生物质能源的产业开发主要包括海洋微藻藻种的筛选、大规模培养、采收，以及生物燃料制备工艺等方面。

表1海洋微藻能源产业开发流程及配套技术

2.1藻种的选育

藻种的选育主要是筛选生长快速、适应性强的适宜生物质能开发的优良藻种，采用传统选育与分子生物学相结合的方法改良藻种。

国内外的科学家利用各种方法已选育出了几种含油量较高的藻种，包括小球藻、异养小球藻、盐藻、角毛藻等，为低成本的生物燃料生产提供了原料支持。

2.2微藻的大规模培养

微藻培养系统的选择需考虑几个方面：微藻的生理学特性、地产投资、劳工、能源、水、营养、天气(室外培养)以及最终产品的形式。

水自古以来就与人类的生活环境紧密相关，在各类造景元素中，水景的营造一直是居住区景观中备受关注的热点.人们普遍有亲水的倾向和心理，水景作为第四代建筑的基本设计理念已得到设计师们的一致认可，并倍受用户青睐.从住宅外环境的装饰点缀到依水而建、择水而居再到现在流行的住宅区大面积人工水景设计，水景始终是居住空间的重要卖点[1].水景已经深深融入到城市景观建设之中，增添了城市的诗韵与灵动.

目前，微藻的大规模培养主要有三种方式：传统的敞开式跑道式培养、封闭式的光生物反应器培养和封闭式的发酵罐生产。

2.3微藻的采收

微藻生物量的采收过程是生产过程的一个限制因素，需根据微藻的特性及经济因素选择不同的方法和试剂，一般采用化学絮凝、离心和气浮三种方法。

2.4以微藻为原料提取生物燃料

从微藻里提取生物燃料所使用的方法主要有直接液化技术、热解技术等。

高温高压液化技术或超临界流体萃取技术：可获得细胞中的油脂，再通过酯交换技术将其转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。

HTU技术（Hydro Thermal Upgrading Process）：另一种将生物质转化为液体燃料的工艺，将生物质材料置于装水的高压容器中软化成糊状，然后液化，经脱羧处理和去O2后获得生物原油。

利用微藻直接热解制备生物燃料：即在隔绝空气条件下加热使微藻生物质降解成气体、液体和固体等多种产物，包括快速热解（主要产物是焦炭，副产物为生物油）和慢速热解(主要产物是生物油和可燃气体)。

3全球创新资源分布及国内外主要研发机构

目前有关微藻能源技术的研究，无论是发明机构还是发明人均较为分散，但主要分布在美国、中国、澳大利亚、日本、韩国以及欧洲国家。美国在海洋微藻能源的研究应用方面占据了绝对的优势地位。

我国有关能源微藻的研究主要分布在北京、青岛、大连、上海的高校及科研机构中，仍属于实验室阶段的探索性研究，距离产业化还有非常大的距离。

3.2国内外主要研发机构及技术

该领域的研究机构大多同时涉及藻种选育、培养、采集、燃料制备等产业环节的技术研发，设计采用的集成系统，可完成微藻培养、采集、燃料制备等生产环节。国内外研发机构及相关技术见表2、表3。

表2国外研发机构及技术

表3国内研发机构及技术

4海洋微藻生物质能源技术与产业发展现状

4.1专利技术分析

通过对涉及海洋微藻养殖技术、富油藻种选育、微藻燃料制备技术专利文献的检索分析发现，美国、中国、澳大利亚、日本、韩国以及欧洲国家的海洋微藻生物质能源技术的专利数量远高于其他国家的专利申请数量。美国在海洋微藻能源的研究应用方面占据了绝对的优势地位。藻类生物燃料市场主要由北美和欧洲的公司主导，同时印度、以色列和中国的一些企业也在逐渐加大在该领域的研发投入。

我国的微藻能源科研力量大多集中在大专院校及科研机构中，企业专利权人特别是生物燃料公司占比极小，没有形成以企业为主体的技术创新和产业化体系。这类专利虽然有些处于比较前沿的地位，但是要想将这些技术成果转化为生产力，还需要与企业的合作，而国内企业在海洋微藻能源上的研发能力仍急需提高。

4.2国内外产业发展现状

进入21世纪后，藻类生物燃料的研究工作出现了新的进展。美国、日本、德国、印度等国政府都已投入大量的资金及启动相关的计划进行海洋微藻生物质能源的研究开发。国际上众多的科研机构、生物燃料公司、投资公司纷纷宣布开发微藻产油技术，在该领域投入大量资金，其中包括比尔·盖茨和洛克菲勒家族、国际石油巨头壳牌(SHELL)石油公司与雪佛龙(CHEVRON)石油公司、美国国防部、国家可再生能源实验室(NREL)、麻省理工学院(MIT)等，部分企业宣称已完成了中试，生产出了符合标准的生物柴油,拥有规模化的商业化生产技术，微藻能源研究正从试验阶段逐步进入工业应用准备阶段。

我国的海洋生物质能研究也已取得了一定进展，在海藻种质资源和低成本生产技术上具备良好积累。中国科学院等高校、科研机构以及少数企业已在开展微藻能源研究工作，但大多属于实验室的探索性研究，微藻油脂的提取、转化等技术仍然属于实验室的小试阶段性成果，极少见中试规模以上的实施案例报道，距离产业化还有非常大的距离。

4.3海洋微藻生物质能源技术研究热点和发展趋势分析

国内外的核心技术及研发热点基本趋于一致，主要集中在优良藻种选育（加快微藻的生长速度、提高微藻的光合效率、增加微藻的含油量）、高效低成本培养模式（提高产量、缩短周期、选择最佳环境条件和培养基组成的大规模养殖系统）、生物质能高效转化技术（生物发酵制备生物丁醇技术和发酵制氢技术，生产生物柴油的酯化反应技术、超临界萃取液化技术、高压液化技术，其他用于制取生物燃料的热解、气化技术）以及高值化综合利用模式等方面的研究。这些共性关键技术是海洋微藻生物质能源产业化的技术瓶颈。

尽管藻类生物能源的研究取得了很大进展，但目前所有藻类燃料公司所面临的最大挑战都是成本控制问题，微藻生物能源成本居高不下制约了产业的发展。在未来几年之内，藻种的筛选、技术的改善、产业规模化及设备制造成本下降，都将是直接影响微藻生物柴油成本下降的重要因素。目前在全部流程环节中，并没有哪一项技术占的成本比重最大，因此最终要在产油微藻产业化和商业化开发方面取得突破，必须在各个环节都着力降低成本。而进行以微藻油脂为主线，蛋白质、多糖、脂肪酸等的联产与综合利用，既是现代化工业技术对资源综合利用的必然要求，也是在目前技术条件下有效降低藻油生产成本、早日实现产业化的必由之路。

5结语

发展海洋微藻生物质能源已成为世界各国的重大国家战略需求。目前国内外的藻生物质能源技术尚未成熟，研发热点基本一致，围绕微藻能源技术展开的竞争将越来越激烈，且已呈现全面提速的态势。我国海洋微藻基础研究力量较强，在海藻种质资源和低成本生产技术上具有良好积累，应加强富油藻种选育、高效低成本培养模式建立、生物质能高效转化技术以及高值化综合利用等核心技术的研发，突破产业化的技术瓶颈，促进海洋微藻生物质能源产业快速发展。

[1]李乃胜.关于发展海藻生物能源的认识与建议.科学时报, 2009，02，09年02月09日.

[2]任小波,等.海洋生物质能研究进展及其发展战略思考.地球科学进展，2009,4,24(4):403-410.

[3]郑洪立,等.产生物柴油微藻培养研究进展.中国生物工程杂志, 2009,29（3）110-11.

[4]刘永平.海藻生物燃料产业化开发的进展.中外能源，2009,14: 31-38.

[5]王蒙,等.以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势,南方水产,2 0 0 9,2,5(1):74-80.

[6]钱伯章.微藻生产生物燃料及其技术进展（下）.太阳能，2009.11: 33-35.

朱延雄，高级工程师，从事科技情报研究工作。