作为可再生的生物质能源以及减排二氧化碳的有效途径，微藻近年来受到广泛关注。图为反应器里的微藻。（CFP 供图）
微藻，这个自然界中肉眼看不见的微米级生物体，近年来受到了越来越广泛的关注。人们对于它的热情在于这个“小东西”为解决人类所面临的两个最为棘手的重大问题带来无限遐想——化石能源危机和二氧化碳排放。
有人曾推算，在技术成熟的条件下，如果能利用国内14%的盐碱地培养种植微藻，生产的柴油量就可满足全国50%的需求；而它对二氧化碳的减排作用也为解决煤化工高碳排放问题带来了希望。
那么，微藻真的能担当起如此重任吗？微藻能源产业化的进程还有多远？其中还有哪些难关要攻克？带着这些疑问，记者对有关企业和研究单位进行了采访。
在新奥集团位于内蒙古达拉特旗的微藻生物固碳示范项目现场，工作人员正在向记者介绍微藻养殖情况。 （本报记者 李闻芝 摄）
微藻生物能源优势多
进入21世纪，小小的微藻成为石化产业界广受关注的一颗新星。一方面，能源的大量消耗，给人们带来对化石能源终将枯竭的担忧；另一方面，伴随化石能源的大量消耗，二氧化碳过度排放，造成了对大气环境的破坏。于是，世界各国纷纷开始寻找替代石油的可再生生物质能源以及减排二氧化碳的有效途径。在这样的背景下，微藻进入了人们的视野。
作为地球上最古老的初级生产者之一，微藻可以通过光合作用，吸收二氧化碳，释放氧气，而且光合速率高、繁殖快、适应环境性强。研究结果表明，微藻的一大特点就是生物质产量非常高，可达到陆地植物的300倍。微藻的产油效率相当高，其脂类含量在20%～70%，这是陆地植物所不能比拟的。在1年的生长期内，1公顷玉米能产172升生物质燃油，大豆能产446升，油菜籽能产1190升，棕榈树能产5950升，而微藻所产生物质燃油量高达95000升。高产油量，为微藻生物柴油的商业化奠定了物质基础。
北京化工大学生命科学与技术学院教授傅鹏程介绍说，通过微藻合成的生物柴油主要成分是脂肪酸甲酯，因具有较高的运动黏度，运输、储存安全，无毒性，健康环保性能良好而被广泛关注。与普通的石油基柴油相比，微藻生物柴油的含氧量达到10%以上，在燃烧过程中所需的氧气量比石油基柴油少，其燃烧、点火性能也优于石油基柴油。
微藻生物柴油之所以受到关注，还有一个重要原因就是它拥有优良的环保特性。天津大学环境科学与工程学院副教授齐云表示：“与石油基柴油相比，微藻生物柴油可降低90%的空气毒性。由于生物柴油含氧量高，燃烧排烟少，一氧化碳的排放量可减少约10%，有催化剂时减排量可达到95%。同时，微藻生物柴油的生物降解性高。微藻是一种自养植物，它的生长过程就是固碳过程，不会产出其他污染物质，也不会滋生其他环境问题。”
记者在采访中还了解到，微藻的另一大特质是光合效率高、固碳效果明显，它吸收转化二氧化碳的能力相当于同面积森林的10～50倍。根据计算，每生产1吨微藻，可以消耗掉1.8吨二氧化碳；而每消耗1吨煤，会释放3吨二氧化碳。按照微藻每天产率90克/平方米计算，每年1000平方米土地（约1.5亩）可产藻31.5吨，吸收二氧化碳56.7吨，即每亩地每年产藻21吨，消化吸收二氧化碳42吨。
微藻的这一特性对高碳排放的煤化工行业来说，减排意义重大。傅鹏程给记者算了这样一笔账：按照美国人通用的计算比例，每吨二氧化碳养藻利润为163美元（折合人民币978元），以百万吨煤制油项目年排放300万吨二氧化碳计算，如果将其全部用来进行微藻养殖，不但可以减排300万吨二氧化碳，还可获得30亿元的收益，平均每亩土地每年收入42000元。
正是鉴于其具有的独特优势，微藻被人们寄予了无限厚望。
图为科技工作者正在参观甘肃省威武市高洁净小球藻实验室。（刘明 摄）
诸多难题仍待攻克
已有的关于微藻的研究成果给我们勾画出了一幅诱人的化石能源替代和二氧化碳减排的路线图。但仅就目前的技术水平而言，在我国，微藻生物柴油要真正为人类所用，微藻要真正担起固碳减排的重任，要走的路还十分漫长。
提到微藻能源项目的产业化，多数微藻研究领域的专家都认为，我国面临的挑战还很多。
与所有新技术的推广过程相似，成本高是阻碍微藻能源进入市场最为现实的困难。据齐云介绍，从目前的条件看，含油量为55％的微藻生物柴油需要低于340美元/吨的生产成本才能与100美元/桶的石油经济效益相当。而目前的微藻生产成本约为3000美元/吨(不包括微藻蛋白等其他产物的利用)，这样的成本是现有柴油成本的5～10倍，没有实质性的经济效益。
投入大也是制约因素之一。“尽管微藻生物能源的潜在产业规模很大, 在全球可高达数千亿美元，但即使是一个最小型的微藻生物柴油项目，其只有达到200万平方米的生产面积和数亿美元的产值规模，才能具有商业化的经济可行性。目前，微藻生物技术全球总产业规模不超过3亿美元, 最大的生产设施占地面积只有几十万平方米。期望该产业在短期内实现跳跃式的发展不现实。”齐云表示，“再有就是规模化放大涉及到的技术问题。微藻生物柴油的生产主要包括微藻细胞培养、微藻采收、油脂的提取与加工等流程，涉及微藻生物学基础研究、微藻工业规模培养平台技术、规模化采收和产物提取平台技术等，同时还涉及低造价、标准化、工业化规模的微藻培养设备的研发和制造。这些都是长期束缚微藻生物能源技术产业化发展的问题。只有攻克了这些难题，微藻产业化才能取得突破性进展。”
刘天中也认为，目前微藻能源商业化的主要障碍还是效率和成本，核心技术瓶颈在于藻种和规模培养技术。现有微藻在大规模培养时，培养效率、含油量等均远远达不到实验室那样的小规模结果。目前，主要产油藻种在室外培养效率特别是抗污染和低成本采收方面，离大规模工业化应用的要求还有很大差距。选育获得高效、环境影响小、抗污染能力强的工业藻株，对降低规模培养过程维护成本，提高培养效率和培养成功率至关重要。同时，要突破效率与成本瓶颈，还需要创新微藻培养技术，从培养装备的结构、光分布、混合与传质等入手，结合微藻的生长特性，建立新型高效的微藻培养方法和装备结构。而发展富氮磷生活废水、工业废水、二氧化碳废气的微藻培养技术和水循环利用技术，重点解决培养效率、物能消耗和水耗问题，将是解决微藻能源规模化生产的关键。
产业化探索持续推进
“微藻能源及生物炼制的研究可以追溯至上世纪五六十年代，但真正的规模性研究始于上世纪90年代。近10年来，该领域受到的关注度持续提高，特别是近几年发展速度进一步加快。目前，微藻能源已成为生物能源研究的热点。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源藻类资源团队负责人刘天中告诉记者，“目前，全球关于微藻能源及生物炼制的研究涉及70多个国家和地区，美国在这方面开展的研究工作最多。近5年来，中国、以色列、德国、西班牙、印度、英国、澳大利亚、法国、日本和韩国等国家也开始重视微藻能源研究。”
“目前，微藻能源研究起步较早的国家已经从实验室阶段走向中试和工业生产阶段。”齐云向记者具体介绍了美国在微藻能源研究中取得的成就。美国1976年就启动了微藻能源研究，以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划因为研究经费精减、藻类制油成本过高，于1996年中止。虽然研究中止，但是美国科学家已经培育出富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下脂质含量可达60%以上，比自然状态下微藻的脂质含量提高3～12倍。2006年11月，美国绿色能源科技公司和亚利桑那公众服务公司在亚利桑那州建立了与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功利用烟道气的二氧化碳，大规模培养微藻，并将微藻转化为生物能源，其产率为每年每英亩提供5000～10000加仑生物柴油和相当量的生物乙醇。
近几年来，国际上一些大型的石油公司也纷纷涉足微藻能源的研究，其中包括英国石油公司、壳牌、雪佛龙石油、通用电气公司，而波音公司、欧洲宇航防务集团（空客的母公司）、新西兰航空公司、日本航空公司等下游用户的介入，进一步推动了微藻能源商业化的进程。
在全球微藻研发热潮持续高涨的形势下，我国对微藻生物能源技术也给予了高度重视。近年来，国家依托“973”、“863”等项目，相继投入上亿元资金用于支持我国微藻固碳与生物能源全套技术的基础研究、应用技术研究及工程示范。据记者粗略统计，目前国内从事微藻能源和微藻减排课题研究的大学和科研单位多达30家，其中包括：中科院青岛生物能源与过程研究所、中科院烟台海洋所、清华大学、天津大学、北京化工大学、浙江大学、中国海洋大学等。
与此同时，国内一些大型石化企业和煤化工企业也十分看好微藻能源和微藻减排项目，新奥集团、中石化和新疆庆华集团等也相继建设了中试装置或示范项目，期望于“十二五”末在产业化方面有所突破。
记者从新奥集团了解到，早在2007年，该公司就成立了生物质能源研究所，开启了微藻产业化的大门。2010年，新奥在位于内蒙古的60万吨/年煤制甲醇生产基地建设了微藻生物固碳示范项目。
记者在位于内蒙古达拉特旗的示范工程现场看到，在养殖大棚里一排排封闭的养殖器中，绿色的微藻在无声无息地发育生长。现场工作人员告诉记者：“项目采用煤制甲醇装置产生的废气二氧化碳、高盐废水以及蒸汽余热来养殖微藻，微藻则通过光合作用将二氧化碳转化成生物柴油、β-胡萝卜素和蛋白质等多种高附加值产品。目前，这个项目年利用二氧化碳2万吨。”
据了解，国家发改委工业司和国家能源局的相关领导十分看好新奥集团的微藻项目。他们希望新奥的微藻固碳项目能尽快实现产业化，为解决煤化工发展与环境保护的矛盾作出贡献。而新奥集团的微藻研发成果在国际上也产生了很大的影响，2009年7月，时任美国能源部长朱棣文访华时特意来到新奥集团考察；今年9月23日，美国能源部助理部长克里斯·史密斯再次到访新奥集团，对微藻项目给予了关注。
在科研单位与企业的共同努力下，中国的微藻能源项目正在朝着产业化的方向稳步迈进。特别是产学研合作，使得微藻产业化的进程加快，而合作伙伴不仅限于国内，也包括国际上的大公司。比如，中科院青岛生物能源与过程研究所就与波音公司、壳牌公司、道达尔公司等开展了联合研究，共建了中科院青能所—波音公司可持续航空生物燃料联合研究实验室。
“尽管中国在微藻能源方面的研究起步较晚，但由于相关各方的重视，近些年我国在微藻能源技术涉及的全工艺链技术方面取得了很多重要进展，在高产油藻种、创新培养工艺与反应器技术、采收提油技术、生物柴油转化技术以及多联产综合利用技术方面，均形成了较强的特色和优势。与国外相比，我国技术基本处于同步发展状态，在某些方面甚至处于领先地位。”刘天中表示。
图为中科院青岛生物能源与过程研究所与新疆庆华集团合作开发的微藻减排煤化工二氧化碳试验中试基地的微藻养殖装置。左为封闭式反应器系统，下为开放式跑道池系统。 （企业供图）
