日本藻类生物燃料的研究进展

2012-04-12裴明远

化学工程师 2012年7期

刘波，裴明远

（1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001；2.天津工业大学材料学院，天津 300387）

以藻类为原料生产生物燃料，是当今世界的热门课题，也是生物燃料的发展方向[1]。与现已初步实现产业化的以玉米等粮食作物为原料制取生物燃料的方法相比，以藻类为原料的生物燃料的生产有其自身的发展优势[1～8]。例如，藻类具有很强的繁殖能力，单位面积的产量非常高；不与农业用耕地及食料竞争；排水、生产水（produced water，在石油产业中，是指开采石油及天然气时产出的水）、盐水均可用于藻类的培养，无需使用有限的淡水；藻类吸收发电厂及其它产业排放的含大量CO2的排放气中的C；藻类细胞中的油重质油含量高，但几乎不含S；能生产有价值的副产品。

以微细藻类为原料生产生物燃料的技术研究，主要是以美国和日本为中心进行的，美国和日本走在了世界前列[9]，澳大利亚[10]和以色列也研究微细藻类。本文对日本藻类生物燃料的研究概况及日本藻类生物燃料的研究情况进行概述。

1 日本藻类生物燃料的研究概况

日本由原通产省及经产省实施了阳光计划（1974～1993年）及新阳光计划（1993～2000年）[11]。只是，活动内容以调查为中心，培养试验等停留在实验室规模，未进行大规模的示范试验。

近年来，日本也开始关注藻类生物燃料的研究开发。2010年4月，筑波大学大学院、东京工业大学大学院、东北大学大学院、国立环境研究所、出光兴产株式会社、日辉株式会社、住友重机械株式会社等大学及企业发起建立了“藻类产业创造财团”[12]，期待着对藻类生物燃料进行研究并实现商业化生产。

2 日本主要的藻类生物燃料的研究[2，9，12，13]

据报道，日本还没有已进入试验阶段的藻类生物燃料项目，藻类生物燃料项目基本都在研究开发阶段，被研究的藻类可分为3类。

2.1 Aurantiochytrium

2010年12月13～14日，在日本的筑波大学召开的“首届亚洲大洋洲藻类创新高峰论坛”（The 1st Asia-Oceania Algae Innovation Summit）[14]上，筑波大学大学院的渡邉信教授的研究团队发表了可有效地生产油脂的Aurantiochytrium的相关内容。

Aurantiochytrium的特点是：与过去在日本国内主要研究的Botryococcus braunii相比，在适宜的温度环境下其繁殖速度非常快，是Botryococcus braunii的36倍；油的生产效率达到Botryococcus braunii的10倍以上。

（1）Aurantiochytrium概要 Aurantiochytrium是不含叶绿素（无光合成）的从属营养型的藻类，细胞呈球形，直径为数微米。因为Aurantiochytrium本身不能进行光合成，所以通过吸收CO2以外的碳化合物（也就是通过其它植物的光合成而得到的有机碳化合物）进行繁殖进而生产油脂。

据文献资料介绍，含Aurantiochytrium的Labyrinthulea类中还含有Schizochytrium limacinum（美国有很多Schizochytrium limacinum相关的研究报告）。众所周知，Aurantiochytrium食用海水中的有机碳，在体内蓄积不饱和脂肪酸——Docosahexaenoic acid（简称为DHA）油脂。

在使用DNA进行解析之前，人们将Aurantiochytrium归类为蘑菇和真菌类，从广义上来说Aurantiochytrium也属于藻类。从属营养型的生物其生长速度比通过光合成生产碳水化物的独立营养型生物要快。

（2）以Aurantiochytrium为原料生产生物燃料时存在的问题以Aurantiochytrium为原料生产油脂，需要数倍于油脂产量的饲料。但是，如同Solazyme公司的工艺，作为营养物可使用由很多生物质得到的糖类及通过光合成得到的糖类。

2.2 Pseudochoricystis ellipsoidea

Pseudochoricystis ellipsoidea为5μm大小的绿色单细胞植物，是可生产柴油的微细藻，是日本海洋生物技术研究的藏野憲秀氏等人于2005年在温泉发现的。

Pseudochoricystis ellipsoidea的特征是：通过光合成吸收CO2繁殖，但是如果N不足则在细胞内蓄积成分与柴油相当的烃油；此外，所蓄积的烃油的30%可转化为柴油馏分，以残渣为原料还可生产生物乙醇。因此，作为有助于应对地球温暖化的藻类，Pseudochoricystis ellipsoidea倍受关注。

Pseudochoricystis ellipsoidea为单细胞，因此，其生产效率高于Botryococcus。目前，以DensoJapan为中心，与庆应义塾大学先进生命科学研究所一起进行研究开发[15]。应庆大学正在研究藻类转化为油的机理，以便找到高效地生产油的培养条件。近来，中央大学、京都大学也致力于藻类生物燃料的研究。

2.3 Botryococcus braunii

Botryococcus braunii是生活在淡水中的藻类，形成绿色到红色的30～500μm大小的菌格（colony）。通过光合成生产碳氢化合物，在细胞内及colony内部蓄积干燥质量的20%至75%的烃。

据筑波大学的报告，Botryococcus braunii的生产性为植物中生产性高的棕榈油的3倍以上。

3 藻类生物燃料的展望

由藻类生产生物燃料的研究开发，正在以美国为中心如火如荼地进行着，包括从石油巨头到风险投资公司在内的很多企业都在进行藻类生物燃料的研究。大部分项目都采用可进行光合成的藻类，但是还有一部分企业采用生产性高的从属营养型藻类。

自然界中存在的藻类其种类非常多，在其中选出生物燃料的生产效率高、所生成的油脂的性状接近于石油燃料的藻则需要较长的时间。

由藻类中提取油的操作，因所采用的工艺的不同其成本也大不相同。

使用可进行光合成的藻类的项目，需要较大面积的土地，对美国而言这是可行的。从成本方面考虑，一般认为可将价格降至能与石油抗衡的程度。

对提供广阔的土地存在困难的日本而言，生长速度快、单位面积的产量高的从属营养型藻类可操作性大。从属营养型藻类可在一般的发酵罐中培养。对Aurantiochytrium而言，如果培养温度为15℃则需要培养6h，如果温度为20℃则需要4h。对炼油公司而言，使用Aurantiochytrium存在如下优点：炼油厂内存在大量的被排放的温度较高的水，温度容易控制；可用过去的技术对所生成的生物燃料进行改质及精制；可用现有的设备进行产品的存储和运输；如果组合使用光合成藻类与从属营养型藻类，可将源于制氢装置的CO2为原料。

5 结语

近年来，中国对石油产品的需求在稳步增长，而中国国内生产的石油不能满足需求，因此，需要从中东进口大量石油，2010年的石油进口量比2009年增加了6%，原油对外依存度为52%[16]，在未来10年我国原油对外储存度将达到60%～70%[17]。因此，为了开发石油替代能源从而确保未来能源安全，同时为了应对地球变暖问题，中国应大力开发藻类生物燃料的研究开发工作。

［1］姚国欣，王建明.第二代和第三代生物燃料发展现状及启示［J］.中外能源，2010,15（9）：23-37.

［2］宇野博志.藻類からのバイオ燃料製造の現状［DB/OL］.（2011-03）.http://mitsui.mgssi.com/issues/report/r1103j_uno.pdf.

［3］藏野憲秀.バイオ燃料の新しい主役：微細藻類［J］.日本機械学会誌，2009，（3）：66-66.

［4］渡邉信.藻類バイオマスエネルギー技術の展望［DB/OL］.［2011-12-20］.

［5］张姗姗，李金伟.微藻生物燃料的远景展望［J］.浙江化工，2011，42（7）：20-23.

［6］NEDO海外レポート.藻類系バイオ燃料の商業化（米国）［DB/OL］.（2010-09-15）.

［7］张璐瑶,李雪静.利用微藻制备生物燃料现状及应用前景［J］.润滑油与燃料，2009，19（5/6）：15-18.

［8］李华，王伟波，刘永定，等.微藻生物柴油发展与产油微藻资源利用［J］.可再生能源，2011，29（4）：84-89.

［9］山﨑博.藻类生物燃料的生产［DB/OL］.［2008-11-04］.

［10］日本農林水産省.オランダにおける藻類利用の技術開発と地域での実用化推進に関する状況調査［EB/OL］.（2012-02）.

［11］John Ferrell.National Algal Biofuels Technology Roadmap［DB/OL］.［2010-05］.

［12］井上勲.藻類産業創成コンソーシアム設立の趣意［DB/OL］.（2010-04）.