微藻资源合理利用技术展望

微藻资源合理利用技术展望中国海洋大学潘克厚主要内容一、何谓微藻？二、为何养微藻？三、如何养微藻？四、问题与建议一、何谓微藻？细胞尺寸小（1-25um），是地球上最早诞生的重要生命类群，是某些极端环境下的幸存者和适应者，不少种类有数千万年甚至十亿年发展的演化。约10万种，占植物界物种数量的50％，包括我们已知的微藻知之甚少、分布更广、个体更小的“Nano-”和“Pico-”类群；将是人类继发现微生物之后又一新的重要种质库、遗传信息库、生化物质库、再生药用资源库和特色产品博物馆。被观察、描述和记载过的微藻仅占1/3。在我国和美英德日等国微藻类种质库和实验室内，实现人工培养的海洋及淡水微藻藻株只有1/30。从生态、赤潮、养殖和微藻生物技术等角度较详细观察研究的微藻只有千分之一，已经开发的微藻种类更少。油脂、多糖、纤维素、生物活性物质等产物丰富且可人工调控。微藻是十分重要的水生生物资源！光能转化效率高、繁殖快，生物量的倍增时间一般是24h、甚至更短，据估计，微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。可在盐碱地、粘土地、滩涂、甚至海上养殖，可不消耗淡水，不与粮争地，不与人争粮。可用于工厂废气中CO2吸收、污水处理、环境保护等。二、为何养微藻？（一）规模化养殖的主要微藻及其产量

（PulzandGross,2004）目前，全球微藻粉的产量约２万吨／年（二）微藻产品类别及其市场现状

（PulzandGross,2004）全球变暖原因二氧化碳含量增多自然原因：人为原因：燃烧矿物燃料产生毁林氟氯烃化合物等其他温室气体太阳活动、大气环流、火山活动、地壳运动等日趋显著（三）减排CO2与新能源开发需求1、减排CO2需求2、CO2增多的危害海平面上升，威胁沿海低地国家、地区

引起各地降水和干湿状况变化导致各国经济社会结构变化3、应对措施提高能源利用率，采用新能源，绿化全球合作!减少二氧化碳等气体的排放量CO2增多大气保温作用加强气温升高大气中水份增多

科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升2－4摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。

「联合国环境规划署(UNEP)」与「世界气象组织(WMO)」1988年共同成立「政府间气候变化专家委员会(IPCC)」进行专题研究，根据1995年IPCC第二次评估报告指出，人类若不对温室气体排放采取控制措施，2100年全球平均地面气温将比1990年增加1.0-3.0℃，而海平面也将上升15至95cm。

若要在21世纪末将二氧化碳浓度保持为工业革命前的二倍，则全球二氧化碳之排放量即需削减一半以上。2009年12月4日，尼泊尔内阁在海拔5164米的珠穆朗玛峰一个营地召开了全世界最高的的内阁会议。2009年10月17日，印度洋岛国马尔代夫首次在水下召开内阁会议。2009年12月7日，联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根开幕全球气候变暖与二氧化碳减排！！！2009年11月26日，中国正式对外宣布控制温室气体排放的行动目标，决定到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%。目前人类所普遍使用的能源是化石能源，储量有限、不可再生。几十万年才能形成的石油资源，采一桶少一桶，储量日趋枯竭。化石能源使用过程中产生大量的污染，其所造成的环境危机已经更甚于能源本身短缺的危机。美国能源部和世界能源理事会预测，全球已探明的石油储量约为1.5×1012t，按现消费水平到2040年将枯竭；天然气储量约为1.2×1012t，仅能维持到2060年；煤炭储量约为5.5×1012t，也仅可用200年。且资源主要分布在美国、加拿大、俄罗斯和中东地区。4、新能源需求中国已是世界主要能源消耗大国,国际能源机构预测,从2002年至2030年，全球新增能源需求的21%将来自中国。我国煤炭剩余可开采储量仅为1390亿吨标准煤，按照2003年的开采速度，只能维持83年。据国土资源部预计，我国石油资源储量仅为全球2％，石油开采年限为15年，远远低于世界平均水平。中国的能源需求：

2006年中国石油表观消费量达到34655万吨，同比增长9.3%；石油产品进口量达1.6亿吨，对外依存度已达47%，较2005年提高4.1个百分点。

二00九年中国能源蓝皮书预测：2010年和2015年中国原油产量将分别达到1.77亿-1.98亿吨和1.82亿-2.0吨，呈缓慢上升趋势。2020年，中国原油产量预计为1.81亿-2.01亿吨，石油对外依存度将达64.5%；然后将呈逐年下降的趋势。中国的能源需求：

世界进入了一个能源不安全时期！寻找清洁、安全、廉价、可再生的替代能源迫在眉睫！

新能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢能。从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业前景最好。世界各国纷纷把发展生物质能源提高到战略高度！

生物质能源优点：绿色环保。如生物柴油可降低90%的排放毒性。可再生。其基本原料是农业产出物，可以周而复始地生产，成本低。节能。生产生物柴油的能耗仅为生产矿物柴油的1/4，而且使用柴油机可以节油15%-30%。安全。生物柴油可完全降解，其闪点高于矿物柴油因而更安全。5、生物能源发展趋势乙醇或柴油；能源植物或微藻？近年来，全球的生物柴油产量增加了80%,远远超过燃料乙醇等替代燃料的增长速度。美国把生物柴油列为“可再生能源发展战略”的主要发展目标之一。提出到2020年生物燃油取代全国燃油消费量的10％；能源署计划到2010年，生物柴油的产量超过1200万吨。到2025年，用生物质能源替代75%的中东石油进口。生物柴油的研究最早是从20世纪70代开始。国外生物质能源发展趋势

巴西美国加拿大爱尔兰欧盟日本东南亚乙醇柴油乙醇柴油柴油柴油柴油柴油不同来源生物柴油的生产能力玉米微藻棕榈油菜籽向日葵大豆14-286200-4000微藻与部分植物的产油效率比较

玉米大豆油菜籽麻疯树棕榈树微藻升/公顷.年17244611901892595095,000部分微藻细胞内的油脂含量微藻microalgae含油量oilcontent（%干重dryweight）Botryococcusbraunii(葡萄藻)

Chlorellasp.(小球藻)Crypthecodiniumcohnii(宼氏隐甲藻)Cylindrothecasp.(细柱藻)Dunaliellaprimolecta(杜氏盐藻)Isochrysissp.(等边金藻)MonallantussalinaNannochlorissp.(微绿球藻)Nannochloropsissp.

(微拟球藻)Neochlorisoleoabundans

(新绿藻)Nitzschiasp.

(菱形藻)Phaeodactylumtricornutum

(三角褐指藻)Tetraselmissueica

(四片藻)25-7528-32

2016-37

2325-33>2020-3531-6835-5445-4720-3015-23引自ChistiY.,2007,Biodieselfrommicroalgae,BiotechnologyAdvances,25,294-306微藻热解所得生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg，是木材或农作物秸秆的1.6倍培养产油微藻的耕地占有率中国盐碱地达1.5亿亩（即10Mha）,仅需14%的盐碱地！趋势：柴油+乙醇；微藻+能源植物6、利用微藻资源的各种方式太阳能废水处理优良藻种养殖设施碳源、营养盐自然海域营养盐规模化培养增殖有用物质生产饵料生产太空应用收获分离、精制处理水分离残渣食品生产生物质能源活性物质食品添加剂加工环境净化蛋白质脂肪酸功能食品油脂石油烃氢甲烷供给氧气去除CO2废物处理去除CO2有益物浓缩有害物回收污染防治医药试剂化妆品生物毒素色素香料糖类化工原料碳氢化合物糖类CO2三、如何养微藻？（一）异养培养某些微藻能利用简单的有机物进行异养生长。异养培养可控性好，生长速率高，并有可能获得高含量油脂的微藻藻体，如清华大学吴庆余等通过异养转化细胞工程技术获得了脂类含量高达细胞干重55％的异养藻细胞。但微藻异养培养设备要求高，产物生化组分变化大，运营成本昂贵。（二）自养培养微藻大规模培养目前主要有3种形式：光生物反应器（Photobioreactors，PBR）跑道池（RacewayPond）开放大池（OpenPond)

AlgaeOilOutput：Approx.8L./week；Approx.420L./yearAlgaePondCosttoduplicateunit：$1500AgitatedAlgaeTroughAlgaeOilOutput：Approx.25L./week；Approx.1300L./yearCosttoduplicateunit：$2500AlgaecirculatingpondAlgaeOilOutput：Approx.20L./week；Approx.1000L./yearCosttoduplicateunit：$3000OpenTopAlgaeTowerAlgaeOilOutput：Approx.30L./week；Approx.1500L./yearCosttoduplicateunit：$8000EnclosedAlgaeTubeTowerAlgaeOilOutput：Approx.5L./week；Approx.260L./yearCosttoduplicateunit：$200foot(height)CircularmixingpondsAlgaeOilOutput：Approx.50L./week；Approx.2500L./yearCosttoduplicateunit：$5000LargeOpenAlgaePondAlgaeOilOutput：75metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit：$40,000/hectareLargeRacewayPondLargeRacewayPondAlgaeOilOutput：120metrictons/hectare/yearCosttoduplicateunit：$80,000/hectare光生物反应器与跑道池生产效率的比较2006年11月，美国GreenFuelTechnologyCorp和ArizonaPublicServiceCompany报道了以微藻为生物质原料制备生物柴油研发所取得的进展。两公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功地利用烟道气的CO2，大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”，其产率可达到每年每英亩提供5000-10000加仑（3784-7567L/亩）生物柴油和相当量生物乙醇的水平。（三）国内外研发现状

2007年，美国Solix

Biofuels、PetroSun等多家公司相继公布了本公司在微藻能源研发中的进展和未来的计划。

2007年3月，IsraelFirmSembioticLtd展示了利用海藻（seeweed）吸收CO2，转化太阳能为生物质能的技术，在离电厂烟囱几百米处的跑道池中规模培养海藻，并将其转化为燃料，每5公斤藻可产1升燃料。

2007由美国著名实验室和科学家组成的Nationalalliance《LiveFuels》宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”，计划在2010年实现微藻制备生物柴油的工业化。随后，日本、韩国、英国、以色列、中国等国家展开微藻制备生物柴油技术研究。2007年12月荷兰Shell公司宣布与美国从事生物燃料业务的HRBiopetroleum公司组建Cellena合资公司，投资70亿美元在夏威夷开展海洋微藻生物柴油技术研究。2007年底，美国Chevron公司宣布与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。2008年1月，中国石油化工集团公司与中国科学院签订的《全面战略合作协议书》，双方经过协商，决定在新能源领域合作研发“微藻生物柴油成套技术”。

2009年7月14日，美国ExxonMobil公司宣布将投资给SyntheticGenomics公司6亿美元发展藻类生物燃料。美国制定藻类生物燃料技术路线图（2009）AlgalBiologyFeedstockCultivationHarvestandDewateringExtractionandFractionofMicroalgaeAlgalBiofuelConversionTechnologyCo-ProductsDistributionandUtilizationofAlgalBased-FuelsResourcesandSitingCorrespondingStandards,RegulationandPolicySystemsandTechno-EconomicAnalysisofBiofuelDeploymentPublic-PrivatePartnerships四、问题与建议管板柱池（一）用什么反应器：池－管－板－柱？光衰减细管／薄板式设计内光源加强光周期循环，转光连续采收—低密度培养开放式表层水体有效密闭式浅池运行强制混合光照通量不足措施

项目单耗(t/t)小计(元/t)NaHCO3(7-10)88960营养盐3.25970耗水10001000耗电3300度1850耗油14600折旧

12500人员

3000总计37880

（二）如何提高效率、降低成本？高物耗高能耗高折旧1、成本分析——螺旋藻开放池CO2优良微藻藻种自然筛选、诱变育种或基因工程手段改造光合反应器或培养池微藻采收或(膜过滤)(离心)湿藻泥油提炼离心分离油和藻渣规模化培养提炼后的藻渣综合利用酒精饲料添加微藻能源生产技术路线图（产油）生物柴油烟气减排2、问题与限制因素微藻现有产油成本比较

原油菜籽油棕榈油微藻生物原油$/kg 0.3～0.60.250.3～0.43～10微藻产油成本的主要相关技术：微藻的高生长速率、低成本培养基及培养工艺的优化；废弃CO2的捕获、净化和利用；低成本的光生物培养系统；微藻生物量的低成本收集。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下，将微藻产油的成本于2015年降至2-3美元/加仑，从而对该领域的研究提出了明确挑战。Alongwaytorun!3、总体思路

新型反应器降低投资成本碳源替代降低物耗、能耗反应工程大规模培养与调控分离工程脂肪酸/蛋白/多糖/色素筛选、改造平台采收/破壁/干燥/循环过程优化与放大平台种质工程藻种选育与改造藻种评价平台深加工与多联产以高值化弥补成本过程优化控制提高产率降成本4、使微藻生物柴油生产过程与CO2减排的高度耦合自2005年开始，欧盟、日本等发达国家均已开始对CO2排放进行定量控制；对于中国等发展中国家，将于2012年开始对CO2排放进行定量控制。目前，欧盟的每吨CO2指标售价约为20欧元，我国每减排１吨CO2的指标售价约为100元人民币。据2007年统计，我国的CO2年排放量为27亿吨，位居世界第二，因此CO2减排形势十分严峻。

CO2减排（CDM）的国际市场已初步形成，随着2012年的逐步接近，我国的CO2减排压力越来越大，CDM市场将会非常巨大。自2005年开始，欧盟、日本等发达国家均已开始对CO2排放进行定量控制；对于中国等发展中国家，将于2012年开始对CO2排放进行定量控制。目前，欧盟的每吨CO2指标售价约为20欧元，我国每减排１吨CO2的指标售价约为100元人民币。据2007年统计，我国的CO2年排放量为27亿吨，位居世界第二，因此CO2减排形势十分严峻。

CO2减排（CDM）的国际市场已初步形成，随着2012年的逐步接近，我国的CO2减排压力越来越大，CDM市场将会非常巨大。每培养１吨微藻粉约消耗1.83吨CO2，通过微藻大规模培养，目前每年可固定约4万吨CO2。第一代：开放池，50元/m2第二代：封闭式，100元/m25、发展新型光生物反应器推荐的养殖方式光生物反应器，跑道池和开放大池的联合逐级放大培养，兼顾成本与效率。PBRRacewaysOpenpond

项目开放池密闭板式(100元/平米)密闭板式(100元/平米)折旧期(年)10103CO2115011501150营养盐110011101110耗水3131010耗电210210210耗油000折旧78121093825498人员225022502250总计128351566830228能源藻成本测算(元/t生物量)南方（长江、珠江、华东、华南沿海、西南）：人多、地少、经济发达、水资源相对丰富；北方（松、辽、黄、淮、海）：人多、地多、经济相当发达、水资源严重短缺；西北：地广人稀、气候干旱、生态环境脆弱。

盐碱地、荒漠、减排需求！！！（三）在哪里生产：东－南－西－北？废水总量：约2400亿方/年，环保需求 （工业：1200亿方/年，生活：600亿方/年）

——废水资源分散，城市附近缺少场地。海水：资源无限、可防空气杂菌污染（盐湖）

——沿海养藻效益低淡水：总供水5500亿方/年（2002年）（地表水4400亿方/年，地下水1100亿方/年）

——与人争水？要发展水循环技术！（四）用什么水：废水－海水－淡水？（四）用什么藻种？

不易贴壁（表面特性？）不产胞外多糖最适pH8.5～11.5，最好在9.0以上

光合效率高，面积产率>8g/m2d

温度范围宽，4～50℃

光饱和点高，>5mW/cm2

光抑制点高，>10mW/cm2

个体密度1.02-1.05g/cm3

个体大，易收获，>300目产物含量适中，～30％优良微藻藻种自然筛选、诱变育种或基因工程手段改造1、优良藻种的标准和遗传基础？生长快、适应性强、油脂含量高、高效固定CO2、易采收……，如何考虑遗传稳定性？2、实现藻种高通量、准确化筛选的理论依