微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化若干問題的思考

王慧嶺 劉敏勝（新奧科技發(fā)展有限公司，廊坊 065000）

微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化若干問題的思考

王慧嶺 劉敏勝（新奧科技發(fā)展有限公司，廊坊 065000）

王慧嶺，生物工藝工程師，主要研究方向為微藻戶外養(yǎng)殖、污染治理、回水利用、工藝控制等規(guī)?；B(yǎng)殖工藝研究，搭建了新奧首個微藻流動測試平臺，并在美國杜克電廠順利完成電廠煙氣、廢水微藻現(xiàn)場養(yǎng)殖測試實驗，完成內(nèi)蒙古鄂爾多斯達拉特旗微藻固碳中試項目，成功將煤化工產(chǎn)生的二氧化碳及廢水用于微藻養(yǎng)殖，在微藻養(yǎng)殖方面形成藻種保存、藻種快速擴培、微藻養(yǎng)殖、二氧化碳煙氣利用、污染防控、養(yǎng)殖工藝動態(tài)調(diào)控、回水利用、質(zhì)量控制等成套養(yǎng)殖工藝，連續(xù)穩(wěn)定運行5年。

E-mail:wanghuiling@enn.cn

CHISTI Y.Biodiesel from microalgae.Biotechnology Advances, 2007, 25(3): 294-306.

李元廣, 譚天偉, 黃英明.微藻生物產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的若干科學問題及其分析.中國基礎科學, 2009, 5: 64-70.

通過總結(jié)新奧在微藻生物能源規(guī)模化養(yǎng)殖過程中獲得的經(jīng)驗教訓，分別從規(guī)?；B(yǎng)殖藻種篩選、養(yǎng)殖反應器、敵害生物的防治、碳源、水等方面進行了思考。

微藻具有光利用效率高、可直接利用二氧化碳煙氣、油脂含量高等特性1，以微藻為原料的第三代生物燃料，吸引了全世界的目光。經(jīng)過多年的努力，我國微藻生物能源技術(shù)研發(fā)已處于國際前列。目前，我國已擁有一批微藻生物能源中試和產(chǎn)業(yè)化示范系統(tǒng)，但是未能建立完善的產(chǎn)業(yè)化需求和基礎科研技術(shù)支撐的關(guān)系，基礎研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化之間有一定脫節(jié)。在現(xiàn)今國際油價大幅下跌的環(huán)境下，微藻生物能源的產(chǎn)業(yè)化仍待時日，更需要基礎研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化緊密結(jié)合，快速推進產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。新奧集團在前期微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化推進過程中，獲得了不少經(jīng)驗教訓，在這里與大家討論分享。

1 面向能源產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化藻種性能需求

近年來，我國在微藻生物能源領域布局了多個基礎研究、應用研究和產(chǎn)業(yè)化示范研究的科研項目，每個項目都篩選了大量的能源微藻藻株，但實際情況是前期篩選的能源藻株并未真正應用于規(guī)?；哪茉次⒃迮囵B(yǎng)。微藻能源是否能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，藻種是關(guān)鍵，目前對產(chǎn)業(yè)化能源微藻藻種的性能需求，主要以抗敵害生物污染能力、生長速度快、胞內(nèi)油含量高為評價指標2。雖然普遍將“抗敵害生物污染能力”放在藻種性能的首位，但是對藻種的評價主要集中在生長速度和胞內(nèi)油含量這兩個方面，且?guī)缀跞垦芯考性趯嶒炇?，絕大部分藻株在室外的規(guī)模化養(yǎng)殖中難以表現(xiàn)出實驗室養(yǎng)殖的高性能。

面向能源產(chǎn)品的微藻性能，必須考慮以下幾個方面。

①目前對能源藻株測評最重要的是在實驗室批式養(yǎng)殖條件下，對比測量藻株干重濃度日增量。而生產(chǎn)微藻生物能源，微藻在不同光強下，尤其是室外光強下的光能利用效率最為重要，也就是生長的生物質(zhì)所含的能量與輸入的光能的比值。不同藻株、同一藻株不同養(yǎng)殖時期，其生物質(zhì)熱值差異很大（16～44kJ/g），生物質(zhì)干重的變化難以準確反映能源轉(zhuǎn)化效率。單一光強下的光利用效率，也很難反映藻株在室外養(yǎng)殖變光條件下的光能利用效率。因此，需要重點測評藻株在不同光強下對光能的利用效率。

②明暗循環(huán)尺度。毫秒級的明暗循環(huán)，有利于提高微藻的光利用效率。不同藻株的明暗循環(huán)尺度為10～1000ms，差異非常大。明暗循環(huán)尺度越大，相對來說耐受強光的能力越強。明暗循環(huán)尺度的大小也決定了反應器混合的強度，明暗循環(huán)尺度越大對攪拌混合的需求越小，規(guī)?；B(yǎng)殖成本越低。

③溫度耐受性。藻株適應的溫度范圍越大，其地域和季節(jié)適應性越強，適宜養(yǎng)殖范圍潛力越大，這對室外不同季節(jié)、不同天氣養(yǎng)殖非常有利。

④pH值耐受性。能夠耐受極端pH值的藻株，是非常有利于產(chǎn)業(yè)化應用的。通常螺旋藻的養(yǎng)殖，隨著碳酸氫鈉中碳源的消耗，pH值很容易從7提升到10，既有利于養(yǎng)殖操作的簡便性，更有利于抑制敵害生物的滋長。因此，藻株能適宜較廣泛的pH值范圍，規(guī)?；B(yǎng)殖過程污染治理難度會相對降低。

⑤敵害生物去除。這里沒有表述為“耐受敵害生物”是因為任何藻株都會有敵害生物，不存在藻株天然可以抵抗所有敵害微生物，如螺旋藻是利用pH值的劇烈變化抑制敵害生物。而一般殺滅原生動物、細菌、霉菌的化學試劑，往往對藻的生長也有較強的抑制。因此，藻株對治理用敵害生物的化學生物試劑的耐受性強弱非常重要，耐受性越強，常規(guī)污染治理越容易。同樣，物理去除敵害生物的方法，也與藻株的生理生化特性息息相關(guān)。一般來說，細胞個體越大，原生動物敵害的影響相對會減少。這些對于微藻室外規(guī)?；B(yǎng)殖非常重要。

⑥最短倍增時間。最短倍增時間短，并不代表其在規(guī)?；B(yǎng)殖中生長速度快，更不代表光利用效率高。但是倍增時間越短的藻株，其養(yǎng)殖擴種速度會越快，有利于生產(chǎn)放大。

⑦鹽度耐受范圍。這一點對于海水藻和鹽藻尤為重要，藻株必須能應對鹽度短期內(nèi)較大范圍變化，否則在規(guī)?；瘧敉怵B(yǎng)殖很可能因為降雨或蒸發(fā)導致鹽度變化而影響生產(chǎn)養(yǎng)殖。

⑧剪切力的耐受性。規(guī)?；B(yǎng)殖中的接種、采收，均需要用到機械化設備，藻株不能耐受一定機械剪切力，輸送設備的選擇會受到制約，生產(chǎn)成本增加。對于管道式反應器等依賴于養(yǎng)殖液體輸送的系統(tǒng)，藻株對機械剪切力的耐受是核心因素。

⑨油脂積累時間。很多藻株，在綠色增殖階段生長迅速，但是后期缺氮積累油脂需要很長時間，這對于微藻能源生產(chǎn)非常不利。能同步積累或短期內(nèi)快速積累油脂的藻株，有利于降低養(yǎng)殖成本。

綜上所述，產(chǎn)業(yè)化藻種的性能需求和評價，不是單一因素決定的，一定是根據(jù)生產(chǎn)需求綜合考量的結(jié)果，任何一個因素的短板，都可能制約該藻株的產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖。

2 規(guī)模化養(yǎng)殖反應器

目前，微藻養(yǎng)殖的反應器主要為兩種。一種是開放式反應器，主要以傳統(tǒng)的跑道池為主及其衍生出的各種形式的反應器，混合形式主要以攪拌槳和曝氣為主。開放式反應器是目前規(guī)?；瘧米顝V的一種養(yǎng)殖體系，產(chǎn)量低、易發(fā)生污染、可控性差是其突出的問題，但是其成本低、可規(guī)?；瘡椭啤⒉僮骱唵?、容易維護等產(chǎn)業(yè)化應用價值是目前其他反應器望塵莫及的。另外一種為封閉式反應器，主要以高產(chǎn)、污染相對較小、工藝過程相對容易控制等優(yōu)勢受到很多研究機構(gòu)的大力追捧，但是生產(chǎn)成本高昂、操作復雜、運行維護難度大成為制約其產(chǎn)業(yè)化應用的關(guān)鍵瓶頸。產(chǎn)業(yè)化反應器的需求一定是和產(chǎn)品結(jié)合的，如果產(chǎn)品追求的是質(zhì)量，傳統(tǒng)的開放式系統(tǒng)將很難實現(xiàn)，如果產(chǎn)品追求的是低成本化，則封閉式系統(tǒng)亦無法實現(xiàn)。應該根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和成本將兩者有效結(jié)合。從目前的實際情況來看，在相當長時間，跑道池養(yǎng)殖仍然是最為經(jīng)濟的能源微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)。

3 規(guī)?；B(yǎng)殖中敵害生物的防治

決定微藻規(guī)模化養(yǎng)殖的成敗最核心的問題是敵害生物的污染防治，目前已有的防治措施基本上是靠藻種自身的特性來進行污染控制，如螺旋藻通過高pH值、杜氏鹽藻通過較高鹽度、小球藻通過快速生長控制污染。但是對于自身不具有較強的抗污染性能的藻種在規(guī)?；B(yǎng)殖中要以防為主，防治結(jié)合。首先可以通過控制養(yǎng)殖系統(tǒng)中的有機質(zhì)濃度，保持藻種活性，減少污染發(fā)生的頻率。另外，發(fā)生污染后，根據(jù)藻種和污染物種的特性可以有選擇地運用物理、化學及生物學方法進行治理，并盡可能減少對微藻本身的損傷。同時，結(jié)合實際養(yǎng)殖中的可操作性及對目標產(chǎn)品的質(zhì)量影響，綜合考慮，選擇適合的污染治理方法。

4 碳 源

可用于微藻養(yǎng)殖的碳源主要分兩類。一類為有機碳源，以糖類、油脂、有機酸為主要來源，如利用葡萄糖進行小球藻的異養(yǎng)培養(yǎng)，但是利用有機碳源生產(chǎn)能源產(chǎn)品，從經(jīng)濟和能耗上并不合適，因此在能源微藻培養(yǎng)過程中，利用有機碳源的可能性較小，有機碳源可作為微藻生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的碳源使用。第二類為無機碳源，其中一種是碳酸鹽（主要以碳酸鈉和碳酸氫鈉為主），廣泛用于螺旋藻養(yǎng)殖，碳酸鹽在養(yǎng)殖體系中往往容易出現(xiàn)pH值高，導致生長緩慢或產(chǎn)品灰分超標等一系列問題，且成本較高。因此，在能源微藻的培養(yǎng)過程中，只能利用工廠排放的CO2氣體作為碳源降低微藻生產(chǎn)成本的同時與CO2固定相結(jié)合。目前可供微藻使用的CO2氣源主要有3種，一種是以電廠廢氣為代表的低CO2含量氣體，該類氣體一般可直接通入養(yǎng)殖體系，在提供碳源的同時可提供部分混合動力，對這類氣體的利用必須要求附近有較大面積的土地可供養(yǎng)殖微藻；一種是以煤化工為代表的高純CO2氣源，該類氣體需以一定流量、一定比例或間歇通氣的形式通入養(yǎng)殖系統(tǒng)，受地域的影響相對較小，必要情況下可壓縮進行短距離運輸或管路輸送；一種是發(fā)酵工廠尾氣中的CO2，該氣源清潔，一般無需處理可以直接用于微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)。

5 養(yǎng)殖用水

規(guī)?；B(yǎng)殖用水主要分兩個部分，一次用水（即培養(yǎng)初期需加入養(yǎng)殖體系中的水）和蒸發(fā)補水（即養(yǎng)殖系統(tǒng)每天蒸發(fā)損失的水）。如果每次采收后就更換新鮮培養(yǎng)基，一次用水的需求量將非常大，因此在微藻規(guī)?；B(yǎng)殖過程中必須考慮養(yǎng)殖回水利用，采收后的清液可以通過氧化、過濾、吸附等手段，將其中對微藻生長有明顯抑制作用的物質(zhì)去除，再輸回到養(yǎng)殖系統(tǒng)重新利用。微藻養(yǎng)殖過程中真正大量消耗水資源的是蒸發(fā)，新奧內(nèi)蒙古養(yǎng)殖基地實測數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古全年平均日蒸發(fā)量是0.7cm，假設開放式養(yǎng)殖系統(tǒng)目前最高產(chǎn)量為20g/ （m2·d），則意味著生產(chǎn)1噸藻粉要消耗至少350噸的水，這對于西部地區(qū)來說是相當嚴峻的問題，因此在水資源缺乏的西部地區(qū)養(yǎng)殖系統(tǒng)需考慮節(jié)水措施，減少蒸發(fā)，同時要權(quán)衡與溫度控制之間的平衡關(guān)系。總之，在微藻養(yǎng)殖中，水是至關(guān)重要的，要盡可能減少蒸發(fā)、加強水循環(huán)利用，并結(jié)合廢水利用相互補充，解決微藻養(yǎng)殖過程中的用水需求。

微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化需要關(guān)注的環(huán)節(jié)，遠不止上述幾方面，畢竟全球還沒有微藻生物能源產(chǎn)業(yè)化實踐的經(jīng)驗。希望我國微藻生物能源領域相關(guān)的科研院所、企業(yè)聯(lián)合起來，建立實實在在的產(chǎn)學研聯(lián)盟，共同推進我國微藻生物能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.03.002