[微藻生物:可培育的“綠色石油”] 微藻石油
發(fā)布時(shí)間:2020-02-14 來(lái)源: 感恩親情 點(diǎn)擊:
對(duì)傳統(tǒng)能源枯竭的焦慮,使人們打起了“生物質(zhì)能源”的主意,實(shí)踐證明,微藻生物能源的回報(bào)相比之下更高一些。 2009年3月底,發(fā)改委宣布將汽、柴油價(jià)格每噸分別提高290元和180元。這是自今年1月15日成品油定價(jià)機(jī)制改革以來(lái),根據(jù)“原油成本定價(jià)法”實(shí)施的首次油價(jià)調(diào)整。對(duì)此,國(guó)家發(fā)改委給出的解釋是:油價(jià)調(diào)整鑒于近期國(guó)際油價(jià)持續(xù)上漲。
盡管金融危機(jī)爆發(fā)以后,全球原油價(jià)格不斷下跌,但是石化能源消耗的不可持續(xù)性是不可能改變的,人們?cè)缇桶蜒酃馔断蛄松镔|(zhì)能源領(lǐng)域。生物質(zhì)能源是地球上最普遍的一種可再生能源,它是通過(guò)植物光合作用,將太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式貯存在生物體內(nèi)的一種能量形式,被稱(chēng)為綠色能源。但是如果用玉米、高粱等糧食來(lái)制作乙醇等生物質(zhì)能源,將威脅全球的糧食安全。因此,對(duì)于生物質(zhì)能源的原料,人們的目光一直集中在傳統(tǒng)的陳化糧、木質(zhì)素、動(dòng)物油脂等領(lǐng)域,然而對(duì)于生物質(zhì)能源的重要來(lái)源、開(kāi)發(fā)前景同樣廣闊、屬水生植物的藻類(lèi)卻認(rèn)識(shí)不足。
作為一種重要的可再生資源,藻類(lèi)具有分布廣泛、生物量大、光合作用效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等突出特點(diǎn)。而藻類(lèi)中的微藻,更是遍布全球的浮游植物,它在海洋、淡水湖泊等水域或是潮濕的土壤、樹(shù)干處,在任何有光照且潮濕的地方都能生存。而每年由微藻光合作用固定的二氧化碳,竟達(dá)全球二氧化碳固定量的40%以上。微型藻生物技術(shù)的開(kāi)發(fā),將為我國(guó)提供新的能源途徑。
陽(yáng)光和水的結(jié)晶
微藻,其細(xì)胞中含有獨(dú)特的初級(jí)或次級(jí)代謝產(chǎn)物,化學(xué)成分復(fù)雜,太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到3.5%,因而作為能源原料的潛力十分巨大。從微藻中得到的脂肪酸可轉(zhuǎn)化成脂肪酸甲酯,即生物柴油。與柴油相比,生物柴油除了具有較好的燃料性能、潤(rùn)滑性能和安全性能以外,還具有有害氣體排放低的環(huán)保特性。在沸石催化劑的作用下,微藻通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可以生產(chǎn)出汽油型燃料;生長(zhǎng)在海水中的綠藻,能積累大量游離的甘油以平衡環(huán)境中的鹽濃度,其甘油的含量可占自身干重的85%。
山東省科技廳副廳長(zhǎng)、青島國(guó)家海洋科學(xué)中心主任李乃勝說(shuō),通過(guò)微型藻類(lèi)生產(chǎn)能源有很多優(yōu)勢(shì)一一微藻幾乎能適應(yīng)各種生長(zhǎng)環(huán)境,不管是海水、淡水、室內(nèi)、室外,還是一些荒蕪的灘涂鹽堿地、廢棄的沼澤、魚(yú)塘、鹽池等都可以實(shí)現(xiàn)種植;微藻產(chǎn)量非常高,一般陸地能源植物一年只能收獲一到兩季,而微藻幾天就可收獲一代,而且不因收獲而破壞生態(tài)系統(tǒng),就單位面積產(chǎn)量來(lái)說(shuō)比玉米高幾十倍;不占用可耕地,藻類(lèi)可以種植在海洋或露天的池塘,因而可利用不同類(lèi)型的水土資源,具有不與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)爭(zhēng)地的優(yōu)勢(shì);產(chǎn)油率極高,微藻含有很高的脂類(lèi)(20%~70%)、可溶性多糖等,1公頃土地的年油脂產(chǎn)量是油菜籽的80倍;微藻加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,微藻沒(méi)有葉、莖、根,不產(chǎn)生無(wú)用生物量,易于被粉碎和干燥,預(yù)處理成本比較低微;微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高,平均高達(dá)33MJ/kg(兆焦?fàn)枺Э?,是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍,最后,有利于環(huán)境保護(hù),藻類(lèi)植物能捕獲空氣中的二氧化碳,有助于控制溫室氣體排放。
微藻種植可與二氧化碳這樣的溫室氣體地處理和減排相結(jié)合,據(jù)統(tǒng)計(jì),占地1平方公里的養(yǎng)藻場(chǎng)可年處理5萬(wàn)噸二氧化碳,而且微藻不含硫,燃燒時(shí)不排放有毒有害氣體,整個(gè)產(chǎn)油過(guò)程非常清潔。
據(jù)估算,我國(guó)鹽堿地面積達(dá)1.5億畝,假如用14%的鹽堿地培養(yǎng)種植微藻,在技術(shù)成熟的條件下,生產(chǎn)的柴油量可滿足全國(guó)50%的用油需求。
此外,太湖區(qū)域藍(lán)藻的大面積爆發(fā),也使科研人員開(kāi)始思考藍(lán)藻的治理和利用問(wèn)題,而將藻類(lèi)轉(zhuǎn)化成燃料油或許是太湖藍(lán)藻變害為寶的良方。但要使這種“變化”成為經(jīng)濟(jì)可行的能源生產(chǎn)方式,還有很多問(wèn)題要解決。譬如,藻細(xì)胞的收獲、藻細(xì)胞中水分的脫除、灰分的降低等。
高成本的門(mén)檻
我國(guó)的內(nèi)海域按自然疆界可達(dá)473萬(wàn)平方公里,向外海延伸至國(guó)際公共海域,面積更為廣大?梢哉f(shuō),以微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源,蘊(yùn)含著海量的潛能。既然如此,為什么目前科研人員沒(méi)有大規(guī)模地用藻類(lèi)來(lái)生產(chǎn)生物質(zhì)能源呢?
中國(guó)科學(xué)院水生生物所徐旭東研究員認(rèn)為,高成本是目前的主要障礙。因?yàn)槔酶叩戎参锖臀⒃迳a(chǎn)生物質(zhì)能源,其能量都來(lái)自于太陽(yáng)光。地球上單位面積、單位時(shí)間內(nèi)接受到的太陽(yáng)光能是在限定范圍內(nèi)的,要生產(chǎn)大量的生物燃料,必須依賴于大規(guī)模的植物或微藻生產(chǎn)面積。此外還要把這些微藻從廣大面積上收集起來(lái),再進(jìn)行工業(yè)加工。因此,生產(chǎn)、收集和運(yùn)輸所耗費(fèi)的能量與其可產(chǎn)出的能量之間的比例,是決定生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。也就是說(shuō),微藻只有在單位面積上高密度產(chǎn)出,才是相對(duì)于其他高等植物產(chǎn)油的優(yōu)勢(shì)關(guān)鍵所在。
但以目前的技術(shù)水平,微藻培養(yǎng)也存在單位面積生產(chǎn)能耗大、投入成本高的問(wèn)題,因此,要使微藻生物柴油成為真正的替代能源,降低微藻的生產(chǎn)能耗和成本至關(guān)重要。
徐旭東說(shuō),微藻的大規(guī)模培養(yǎng)主要有開(kāi)放池和密閉反應(yīng)器兩類(lèi)方式。開(kāi)放池培養(yǎng)成本相對(duì)較低,但是藻類(lèi)生長(zhǎng)所達(dá)到的細(xì)胞密度較低,某些情況下容易被當(dāng)?shù)仄渌⒃迩秩荆舭l(fā)量大;密閉培養(yǎng)可達(dá)到較高的藻細(xì)胞密度,不易被雜藻侵染,水蒸發(fā)量小,但反應(yīng)器造價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)成本較高。因此,前途是需要發(fā)展出集二者優(yōu)點(diǎn),而回避各自缺點(diǎn)的新型培養(yǎng)方式。此外,微藻培養(yǎng)液中細(xì)胞只占很小一部分,絕大部分是水,還需要發(fā)展出低能耗的收集細(xì)胞,并循環(huán)使用培養(yǎng)液的技術(shù)。
盡管利用微藻生產(chǎn)生物質(zhì)能源困難重重,但是我國(guó)科學(xué)家在此研究領(lǐng)域還是取得了重大突破。新奧集團(tuán)副總裁、首席科學(xué)家甘中學(xué)說(shuō),新奧集團(tuán)的微藻生物能源技術(shù)完全模擬生態(tài)環(huán)境運(yùn)作――利用微藻的光合作用,讓微藻在生長(zhǎng)中吸收煤化工生產(chǎn)中排放的工業(yè)廢氣,再?gòu)呐嘤龅奈⒃逯刑釤捝锊裼鸵约捌渌吒郊又诞a(chǎn)品。
微藻是一種單細(xì)胞高生長(zhǎng)率的生物,每4小時(shí)可繁殖一代。甘中學(xué)說(shuō),“我們不但結(jié)合了微藻轉(zhuǎn)基因工程改造、高通量篩選等技術(shù),獲取生長(zhǎng)速度快、油脂含量高、適合工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)良藻種;而且采用高密度立體養(yǎng)殖技術(shù)和高效低成本光生物反應(yīng)器技術(shù),提高光利用效率及二氧化碳吸收效率;還運(yùn)用含氮、磷較高的工業(yè)廢水回收技術(shù)和工業(yè)廢熱利用技術(shù),提高養(yǎng)殖效率,降低養(yǎng)殖成本,實(shí)現(xiàn)微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化。”此外,微藻生物能源技術(shù)還將結(jié)合非燃燒催化氣化技術(shù)、地下氣化采煤技術(shù)、低成本制氫技術(shù)、甲烷化和發(fā)電技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)煤基能源生產(chǎn)的“零”排放和“系統(tǒng)能效”最大化。
據(jù)悉,新奧集團(tuán)目前已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模的工藝技術(shù)路線,完成了研發(fā)中心試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與中試示范化工程。在此基礎(chǔ)之上,新奧集團(tuán)將于2012至2013年實(shí)現(xiàn)微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化和盈利,形成可復(fù)制的產(chǎn)業(yè)化單元技術(shù),實(shí)現(xiàn)生物能源產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)。 據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)有大量低品位褐煤不易開(kāi)采和利用。同時(shí),傳統(tǒng)煤礦的開(kāi)采率只有40%至50%,以至于全國(guó)大約有370億噸廢棄煤!斑@項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)褐煤及廢棄煤進(jìn)行氣化開(kāi)采,利用率可達(dá)73%左右”,甘中學(xué)說(shuō)。新奧集團(tuán)在內(nèi)蒙古烏蘭察布建立了試驗(yàn)區(qū),已經(jīng)成功運(yùn)行了9個(gè)月,目前是我國(guó)唯一掌握該技術(shù)的單位。
全球熱潮
目前,微藻生物質(zhì)能源已經(jīng)在世界各國(guó)掀起了一股研究和開(kāi)發(fā)熱潮,很多發(fā)達(dá)國(guó)家在微藻生物質(zhì)能源項(xiàng)目上投入了大量資金,這些資金不僅來(lái)自政府投入,還有相當(dāng)大一部分來(lái)自實(shí)力雄厚的企業(yè)。
世界上以發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)為目的,并進(jìn)行較大規(guī)模的微藻產(chǎn)油研究始于20世紀(jì)70年代末。1978年,美國(guó)能源部啟動(dòng)了一項(xiàng)利用微藻生產(chǎn)生物柴油的水生生物種計(jì)劃,研究人員經(jīng)過(guò)10多年的努力,從美國(guó)西部、西北、西南部和夏威夷采集并分離到了3000株微藻,篩選出其中300余株具備潛力的產(chǎn)油藻種。該研究計(jì)劃還對(duì)其中生長(zhǎng)速度快、油含量高的微藻采用開(kāi)放池系統(tǒng)進(jìn)行室外培養(yǎng)試驗(yàn)。
從1990年到2000年,日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部曾資助了一項(xiàng)名為“地球研究更新技術(shù)計(jì)劃”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用微藻來(lái)固定二氧化碳,再?gòu)倪@些微藻中提煉出生物質(zhì)能源。該項(xiàng)計(jì)劃共有大約20多家私人公司和政府的研究機(jī)構(gòu)參與,10年間共投資約25億美元,篩選出多株高品質(zhì)藻種,建立起了光生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺(tái),以及微藻生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)的技術(shù)方案。
2006~2008年,石油價(jià)格一度大幅上揚(yáng),大大刺激了微藻生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開(kāi)發(fā),美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛投入巨資,在國(guó)際上掀起了一股勢(shì)不可擋的熱潮。
2006年11月30日,美國(guó)兩家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二氧化碳,大規(guī)模“光自養(yǎng)”培養(yǎng)微藻,并將微藻轉(zhuǎn)化為生物燃料。同時(shí)由美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家組成的國(guó)家聯(lián)盟,宣布了由國(guó)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。
新西蘭某生物經(jīng)濟(jì)公司針對(duì)微藻生產(chǎn)的生物柴油,進(jìn)行了世界首次概念驗(yàn)證。2006年12月,新西蘭能源部長(zhǎng)以生物柴油作為動(dòng)力,駕駛一部未經(jīng)改裝的標(biāo)準(zhǔn)豪華休旅車(chē),沿著威靈頓高速公路奔馳,這是生物柴油的光榮之路。
2007年末,國(guó)際能源公司宣布開(kāi)發(fā)以微藻為原料生產(chǎn)可再生柴油和噴氣燃料,稍后,美國(guó)公司投資70億美元開(kāi)展微藻生物柴油技術(shù)的研究,并在夏威夷建立了一個(gè)試驗(yàn)工廠通過(guò)利用海洋藻類(lèi)的植物油生產(chǎn)生物柴油。接著,美國(guó)第二大石油公司宣布與美國(guó)能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)協(xié)作開(kāi)發(fā)微藻生物柴油技術(shù),用作噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等交通工具的燃油。
2008年3月10日,PetroSun公司宣布其位于美國(guó)得克薩斯州的微藻養(yǎng)殖場(chǎng)于2008年4月1日投入商業(yè)化運(yùn)作,這是該公司初期的商業(yè)化微藻制生物燃料裝置投產(chǎn)。現(xiàn)有的微藻養(yǎng)殖場(chǎng)的海水槽占地1100英畝,共包含94個(gè)5英畝和63個(gè)10英畝的海水池塘。
位于美國(guó)加州的Live Fuels公司正在資助一個(gè)由國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(美國(guó)能源部的一個(gè)研究部門(mén))領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)團(tuán)隊(duì),從事一系列研究利用邊際土地,在淡水或咸水環(huán)境中培養(yǎng)微藻,并且利用微藻生產(chǎn)油脂。該公司樂(lè)觀地估計(jì),2000~4000萬(wàn)英畝的邊際土地生產(chǎn)出來(lái)的微藻油可以替代整個(gè)美國(guó)每年進(jìn)口的石油,并且可以保留下整個(gè)美國(guó)4.5億英畝的肥沃土地來(lái)種植糧食作物。
美國(guó)國(guó)防部于2008年底宣布投入2000萬(wàn)美元基金進(jìn)行微藻生物柴油研究工作,主要目的在于在2010年前證實(shí)并使基于海藻的生物質(zhì)燃料能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化并成為JP-8噴氣燃料的替代品,該項(xiàng)目由遍布美國(guó)的各個(gè)機(jī)構(gòu)共同實(shí)施,包括美國(guó)加州理工大學(xué)圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源研究所(Hawaii Bio Energy in Honolulu)以及北達(dá)科他大學(xué)能源環(huán)境研究中心(University of North Dakotds Energy and Environmental research center)等。華盛頓州立大學(xué)的陳樹(shù)林教授與波音公司合作,研究利用微藻開(kāi)發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)用油。
除美國(guó)、日本、新西蘭、荷蘭等國(guó)以外,英國(guó)也不甘落后。據(jù)英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》消息,英國(guó)日前啟動(dòng)一項(xiàng)藻類(lèi)生物燃料公共資助項(xiàng)目,計(jì)劃將耗資2600萬(wàn)英鎊,于2020年前實(shí)現(xiàn)利用藻類(lèi)生產(chǎn)運(yùn)輸燃料以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料。
中國(guó)微藻能源的開(kāi)發(fā)
在國(guó)際大環(huán)境之下,中國(guó)對(duì)微藻生物質(zhì)能源的研究也處于領(lǐng)先水平。
2003年初,中國(guó)工程科學(xué)院組織各領(lǐng)域?qū)<以诒本┱匍_(kāi)了“生物柴油植物原料發(fā)展研討會(huì)”。會(huì)上專(zhuān)家認(rèn)為,藻類(lèi)的生物量巨大,一旦高產(chǎn)油藻開(kāi)發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,我國(guó)生物柴油產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到數(shù)千萬(wàn)噸。
2006年底,在中國(guó)工程院主辦的“2006中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略論壇”上,我國(guó)確定了自己的生物能源發(fā)展方針――“中國(guó)生物能源將以非糧作物為主,國(guó)家將采取各種優(yōu)惠的財(cái)稅政策,推進(jìn)中國(guó)生物質(zhì)能源的快速發(fā)展!
2008年5月,中科院高技術(shù)研究與發(fā)展局、中國(guó)科學(xué)院生命科學(xué)與生物技術(shù)局與中石化石油化工科學(xué)研究院聯(lián)合組織召開(kāi)了“微藻生物柴油技術(shù)研討會(huì)”。目前,浙江省也在積極籌劃立項(xiàng)支持微藻生物柴油技術(shù)開(kāi)發(fā)工作,擬建立微藻生物能源研究基地,利用其沿海優(yōu)勢(shì)開(kāi)展海洋微藻生物能源方面的研究工作。
2009年3底,國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目“非糧柴油能源植物與相關(guān)微生物資源的調(diào)查、收集與保存”項(xiàng)目在廣州啟動(dòng)實(shí)施。該項(xiàng)目擬在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展非糧柴油能源植物和相關(guān)微生物資源的全面的科學(xué)考察、野外實(shí)地調(diào)查、相關(guān)數(shù)據(jù)資料的采集,摸清我國(guó)非糧柴油能源植物和相關(guān)微生物資源的家底,掌握能源植物和相關(guān)微生物資料的種類(lèi)、分布、貯藏量、化學(xué)成分等科學(xué)資料和相關(guān)信息,提出重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的種類(lèi),為能源植物與微生物的研究和生物柴油產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。
由于目前世界上絕大多數(shù)國(guó)家在微藻生物能源的研究開(kāi)發(fā)上時(shí)間并不長(zhǎng),大部分的工作都是在最近幾年剛剛開(kāi)始。因而,“在微藻生物柴油開(kāi)發(fā)方面,我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距并不明顯,甚至處于領(lǐng)先地位。如何抓住當(dāng)前的有利時(shí)機(jī),整合優(yōu)勢(shì)資源,開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的微藻生物柴油技術(shù),從而使我國(guó)在世界可再生能源研究領(lǐng)域占有一席之地,是我國(guó)政府、科研工作者和企業(yè)亟待思考和解決的問(wèn)題,”甘中學(xué)這樣說(shuō)。
李乃勝建議稱(chēng),迄今為止,微藻能源開(kāi)發(fā)沒(méi)有成熟的技術(shù),沒(méi)有成功的生產(chǎn)工藝,沒(méi)有可借鑒的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有現(xiàn)成的工業(yè)設(shè)備,因此它是一個(gè)全新的自主創(chuàng)新領(lǐng)域。因此,我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)海藻生物燃料的戰(zhàn)略性認(rèn)識(shí)。建議把海藻能源列為未來(lái)生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,特別是沿海地區(qū),把海藻能源列入新能源的戰(zhàn)略規(guī)劃,從實(shí)際意義上實(shí)施中國(guó)的微型曼哈頓計(jì)劃,大力強(qiáng)化海藻加工技術(shù)創(chuàng)新,從規(guī)劃、政策層面支持海藻能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
此外,還要加強(qiáng)富油海洋微藻的科學(xué)研究。建議立項(xiàng)支持富油海洋微藻的研究工作,主要包括;1、富油藻種的篩選培育。重點(diǎn)加強(qiáng)藻種的生理生化分析、遺傳突變與良種培育、微藻的分子生物學(xué)與遺傳學(xué)研究。利用轉(zhuǎn)基因等分子水平的生物技術(shù)培育生長(zhǎng)快、收率高、成本低的優(yōu)良工程藻種,盡快實(shí)現(xiàn)富油微藻藻種的大規(guī)模篩選和低成本微藻產(chǎn)物收集。2、微藻產(chǎn)/儲(chǔ)油機(jī)理的研究。查明微藻生油儲(chǔ)油的機(jī)理,提高光合作用效率,推動(dòng)轉(zhuǎn)基因工程靶向選擇等方面的研究工作。3、微藻加工關(guān)鍵技術(shù)的研究。圍繞微藻油脂的高效提取,進(jìn)行液化、分離、產(chǎn)氫、熱解等關(guān)鍵技術(shù)的研究,創(chuàng)造出中國(guó)特色的微藻加工提取系列技術(shù)。
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