说明：此为摘编文章。原文载于《中外能源》杂志2009年第9期，作者：刘永平。摘编此文旨在介绍清洁能源新技术，无意侵犯作者和杂志社的著作权。受博客编辑器功能所限，文中一些符号只能改用中文表述，详细内容请参阅原文。

　　前言

　　生物质能源是清洁的可再生能源，是优质的石油能源替代品。大力发展生物质能源对经济可持续发展，推进能源替代，舒缓环境压力，控制大气污染具有极为重要的战略意义。
　　海藻是海洋植物的主体，是生长在海洋中的低等光合营养植物。海藻种类多样、光合作用效率高、生长繁殖快、生长周期短、生物产量高、自身合成油脂能力强，是制备生物柴油{zj0}的生物质原料之一。与油料作物相比，海藻细胞生长是指数式的生长繁殖方式，很多海藻含油率都在20 ~ 50%，某些海藻（干质量）的含油率甚至可以达到77%。直接从海藻中提取得到的油脂成分与植物油相似，可以作为生物柴油原料替代石油直接应用于工业。油料作物具有占用耕地面积大、生长周期长、受气候影响等问题，不能成为生物柴油原料油脂供应的长久之策。而海藻以简单分裂方式进行繁殖，生长周期短，易于大规模培养，不受气候限制，只要阳光充足就可以进行大量繁殖，同时还能大量吸收二氧化碳。

　　国外海藻生物燃料研发动态

　　1978 ~ 1996年，美国能源部在从海藻开发可再生燃油的项目中投资2500多万美元，项目技术路线分为两步——{dy}步收集和鉴定油脂含量高的海藻品种，确定其生产条件；第二步，设计和运行大规模的示范性海藻生长系统，引用{dy}步实验室开发的海藻品种生产生物燃油。当时对海藻进行高密度培养的技术难题非常明显，而且成本太高（是石油柴油的2倍多），10多年前美国暂停了对海藻的研究。该项目虽然没有达到预期目标，但在科学研究方面的确取得了重大进展。确切证实海藻具有极强的生长能力，在单位面积及单位时间上比陆生作物能提供更多的能量，更重要的是，单位面积海藻所生产的油脂量要高于陆生油料作物30倍；其次，与需要灌溉的农作物相比，生产海藻所需要的淡水会大量减少；第三是水产养殖系统的肥料利用效率要高于土壤。全球石油俱乐部（The Global Petroleum Club）评估结果显示，1公顷海藻１年能生产96000L生物柴油；与之相比，1公顷油椰子１年生产5950L生物柴油，而１公顷大豆１年只能生产446L生物柴油。

　　美国Valcent公司2007年12月发布的试验报告表明，该公司利用高密度垂直式生物反应器持续90天，每天平均获得１g / Ｌ海藻干物质，根据试验结果推算，相当于每年每英亩（１acre = 4046.86 平方米）海藻干物质产量可以达到276t，干物质油脂含量达到50%，因此每年每英亩可以生产138t生物柴油。美国Algae BioFuels公司于2007年4月宣布，向澳大利亚转让由海藻炼制生物柴油技术，生产装置包括设计产量2000 X 104gal / a（１gal = 3.785L）生物柴油的生物燃油炼油厂。西班牙生物燃料系统公司利用绿藻研制出能不断循环吸收二氧化碳可再生“生态石油”，目前每天能够从2立方米的水中生产6kg的“生态石油”，比种植大豆等生物燃料作物的效率要高数千倍，而且使用面积少，侵害性也不大。荷兰AlgaeLink NV公司2007年10月开发的海藻光生物反应器系统是目前世界上{wy}商业化的小型试验装置，每立方米每天可以生产海藻干物质1 ~ 1.4 kg。美国GreenFuel Technology公司建立了一个用袋作反应器装置的试验厂，试验结果表明，生产的的海藻干物质平均近每立方米每天100g，有几天产量甚至达到每立方米每天170g。该公司2008年10月宣布，将在亚利桑那州建立规模为100公顷的藻类温室，生产藻类生物量25000吨/年。以色列Seambiote公司将建立一个108000吨/年生物燃料生产厂，该项目将于2009年启动，发电厂生产的二氧化碳将被送入新建装置，与海藻一起制备生物燃料。2008年7月，美国能源部资助燃料委员会的高效加工藻类生物油脂生产生物柴油项目，烘焙委员会预计此项研究将会实现大规模利用海藻为原料生产生物柴油。

　　国内海藻生物燃料研发动态

　　中科院海洋研究所获得了多株系油脂含量在30% ~ 40%的高产能藻株，海藻产油研究取得多项重要成果，如细胞密度达到20g/L，产油量每平方米7g（是目前农业种子产量的2倍）；雪藻每天能在1平方米光照面积内生产35.5gAFDW（去灰分干重），该生物量相当于46.4g植物种子量，是目前高产农田产量的11倍。中国海洋大学拥有海洋藻类种质资源库，已收集600余株海洋藻类种质资源，目前保有油脂含量接近70%的海藻品种。

　　2008年10月，海南绿地微藻生物科技有限公司利用二氧化碳养殖微藻并转换成生物柴油获得成功，在其养殖试验基地收获的干藻粉含油率达到28% ~ 32%。该公司计划投资2980万美元在海南建设干微藻项目，投产后将形成年产生物柴油30万吨的生产能力。2008年12月，河北新奥集团称，已经在光生物反应器、生物柴油制备等藻类生物质能源技术领域取得了10余项具有自主知识产权的技术成果，以微藻为原料，成功进行了生物柴油和生物燃气的中试，预计在3 ~ 5年内逐步实现藻类生物能源的产业化。2009年2月，中国科学院与中国石化在联合召开的“微生物柴油成套技术”项目启动会上宣布，近期要完成小试研究，2015年前后实现户外中试装置研发，远期将建设万吨级工业示范装置。2009年4月，上海交通大学生命科学技术学院称，由上海市科委立项的微藻制油项目已取得小试阶段性成果。

　　海藻光生物反应器的工业化开发

　　海藻生物柴油的生产过程主要包括海藻大规模培养、海藻油萃取、脂交换反应、生物柴油后处理4个步骤，而最重要的是海藻大规模培养。海藻光生物反应器已成为高效、快速、大量培养藻类的关键设备，多个国家在开发研制新型高效光生物反应器及海藻高密度培养的应用研究方面都取得了突破性进展，采用工业生物技术对海藻进行物质转化，大规模工业化生产海藻生物柴油已成为可能。

　　海藻光生物反应器一般分为开放式和封闭式两种类型。开放式光生物反应器即开放式养殖池培养系统，其结构简单、容易放大、成本低、比表面积小、光能利用率低。培养特点是对生长参数难以控制，培养环境不稳定，容易污染，不能实现无菌培养，产率较低，二氧化碳利用率低。目前采用这种生物反应器的公司主要包括：新西兰的Aquaflow Bionomic公司；美国的Aurora BioFuels公司、PetroAlgae公司、PetroSun公司；英国的AlgaeVS公司；墨西哥的BioFields公司和以色列的Seambiote公司。

　　封闭式光生物反应器是用透明材料组建的一类生物反应器，除了能采集光能外，其他诸多方面与传统的微生物发酵用生物反应器相似。封闭式光生物反应器培养条件稳定、可无菌操作、容易进行高密度培养。封闭式反应器有多种形式，如发酵罐式、管式、平板式和柱状气升式等。封闭式光生物反应器结构复杂、放大较难、成本较高、比表面积大、光能利用率高。培养特点是生长参数容易控制，培养环境非常稳定，容易控制污染，能够实现无菌培养，产率较高，二氧化碳利用率较高。目前采用软管式反应器生产海藻的公司主要包括美国的Solix Biofuels公司、Vertigro Process公司、GreenFuel Technology公司、A2BE Carbon Capture公司和德国的Phytolutions公司；采用罐式反应器的主要包括美国的OriginOil公司和Bionavitas公司；采用管式道式反应器的主要包括美国的GreenFuel Technology公司、Solazyme公司、Solena Group公司；荷兰的AlgaeLink NV公司和以色列的Algatech公司。

　　目前，无论是开放式生物反应器，还是软管式、罐式、管道式的封闭反应器，其生产海藻用于满足大规模工业化生产生物燃料的应用均尚未见报道。全球真正商业化的光生物反应器装置仅AlgaeLink公司一家，其他公司实际上都还在小试阶段。

　　海藻生产和海藻油提取

　　藻类的厚壁孢子具有坚韧的细胞壁，会阻碍对细胞内生物质的提取。因此在提取海藻油前，必须对海藻细胞进行破壁处理。超声波法或超微加超声法是目前实验室对藻细胞进行破壁的常用方式，且破壁效率高，一般细胞破壁率都可以达到95% ~ 98%。在海藻生物柴油工厂采用这类破壁方法存在两个主要问题，一是设备昂贵，二是能耗高。采用机械破壁法、物理法和酶解法对螺旋藻进行破壁试验证实，机构法的破壁效果较好且易操作，而研磨法是螺旋藻细胞的{zj0}破壁方法，在胶体磨和匀质机上进行螺旋藻细胞的破壁试验效果更理想。

　　采用化学溶剂萃取油脂的生产工艺广泛应用于油脂加工业。由于破壁藻液含油量约每立方米1　~ 2 Kg，采用化学溶剂直接对破壁后藻液萃取海藻没效率低，因此需对藻液先进行过滤、离心，去除大部分水分后，再进行干燥和破碎处理，经以正己烷为萃取溶剂的萃取装置对破碎后的海藻粉进行萃取，即可得到海藻油。采用化学溶剂萃取海藻油技术成熟，有成套设备可供选用。其缺点是对化学溶剂进行回收需要消耗热能，提高了成本。

　　超临界液体萃取技术是近年化工分离中的一种新型分离技术。超临界二氧化碳萃取是采用二氧化碳作溶剂，超临界状态下的二氧化碳流体密度和介电常数较大，对物质溶解度大，并随压力和温度和变化而急剧变化。因此，不仅对某些物质的溶解度有选择性，且溶剂和萃取物非常容易分离。超临界二氧化碳萃取特别适用于脂溶性、高沸点、热敏性物质的提取，且有提取率高且能耗较低，全过程不用有机溶剂，萃取速度快的特点。目前，国内外尚没有真正用于油脂工业的成套生产设备，其原因是，同样处理能力的装置，超临界萃取装置的投资远大于正己烷萃取装置，且萃取过程也需要消耗热能。

　　美国OriginOil公司采用“量子压裂技术”专利对海藻进行破壁和萃取海藻油。其原理是，藻液首先通过具有电磁场的管道，先用低频率的微波进行处理，然后突然调高微波频率，在超声波状态下对细胞壁破壁，同时向藻液中注入二氧化碳并调节pH值，将海藻油、水和海藻渣进行分离。不过该技术尚处于早期研究阶段，OriginOil公司用其所拥有的专利生产出可商业化的破壁和萃取装置尚需时日。

　　中国海藻生物燃料产业化发展的机遇

　　我国海藻基础研究力量较强，拥有一大批淡水和海水海藻种质资源，在海藻大规模养殖方面走在世界前列。目前，各国对海藻制造生物柴油工业化的研究基本上都处于科研开发阶段，虽然一些研究已进入小试阶段，但还没有一个国家正式推出工业化装置。因此，我国在海藻能源研究方面与国际{zxj}的技术差距不大，国家现在已把生物能源列入新能源的发展战略规划。把工业化生产海藻生物柴油作为一项战略性项目并加以实施，将有利于我国海藻能源产业的形成和发展。

　　目前，全球性的金融危机已对世界各国实体经济造成严重影响。在这种情况下，有利于我们与在海藻生物柴油制造领域取得重大进展的国外企图和研究单位进行技术合作，有利于我们引进国外先进设备和技术，在此基础上可以快速发展我国的海藻生物柴油产业。

　　我国企业采用自主研发的工业化生产海藻的反应器装置，通过对适宜海藻生长的环境条件因素进行控制，在技术上目前已可以达到海藻含油率40%，日产量每立方米1 ~ 1.4 Kg。随着对海藻生物柴油研究工作的推进，我国大规模生产海藻并制造海藻生物柴油的技术近几年内将取得重大突破，当海藻含油率达到60%，日产量平均达到每立方米3kg以上时，海藻生物柴油的生产接近石油柴油的批发价，海藻生物柴油产业将成为一个新兴的替代能源产业。

　　结语

　　石油是不可再生能源，利用海藻和二氧化碳生产生物柴油，是xxx类对能源不断增长的需要和对大规模二氧化碳减排具有战略意义的一项研究。除了光生物反应器系统以外，工业化生产海藻生物柴油的所有技术，包括二氧化碳制取、生物柴油制造、甘油提纯、藻渣干燥装置、废水处理等，国内外均有先进的成熟技术和成套设备可供选用，而光生物反应器系统的核心技术在现有条件下也可以得到解决。因此，我们应抓住机遇，通过国际合作和引进技术，组织实施工业化生产海藻生物柴油的小试或中试工业装置的研究开发，从而达到快速建立我国海藻生物柴油产业的目标。