第一情报 ---能源与环境

第三代生物质能:藻类生物燃料

供稿人:陈晖  供稿时间:2009-11-4   关键字:藻类生物燃料  研发  进展  政策  
在众多的非粮食生物质中,藻类具有分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点,用藻类制备生物燃料的研究开发方兴未艾。美国能源部已进行了20 多年的研究,取得了很大进展,日本、德国、印度等国也都进行了研发。众多的科研机构、生物燃料公司、投资公司在该领域投入大量资金,比尔·盖茨和洛克菲勒家族是其中最著名的投资商,壳牌(Shell)、雪佛龙(Chevron)、埃克森美孚公司(Exxon Mobil)等大型石油公司也正在与有关机构或公司进行合作研究。相关研究人员认为,利用藻类生产生物燃料具有广阔的发展前景。藻类生物燃料很可能成为未来最重要的可再生能源之一。

1藻类生物燃料的基本生产方法及其经济效益

藻类是最原始的生物之一,通常呈单细胞、丝状体或片状体,结构简单,整个生物体都能进行光合作用,具有光合效率高、生长周期短、速度快的特点。藻类按大小通常分为大藻(海带、紫菜、裙带菜等)和微藻(单细胞或丝状体,直径小于1mm)。其中用于制备生物燃料(乙醇、生物柴油、燃料油或者氢等)的是微藻。微藻种类繁多,分布极其广泛,其生长几乎不需要特别养分,只要有阳光、水和二氧化碳,无论在海洋、淡水湖泊等水域,或在潮湿的土壤、树干等处都能生存,也可在不适合种植庄稼的土地上种植,甚至可生长在咸水里。
 
目前用于生产藻类生物燃料的方法主要有光合反应器法、封闭环路系统法和开放池法。这三种方法要么是近似纯粹的自然放养(开放池塘法),要么是由人工控制某些因素的封闭式培养(固化反应器法和封闭环路法),三者各有利弊(见下表1)。目前,养殖微藻的研究主要集中在封闭式光生物反应器。大规模养殖的微藻种类主要有螺旋藻、小球藻、盐藻、栅藻等。
 
表1 藻类生物燃料的主要生产方法
名称
基本工作原理
利弊
开放池塘法
在池塘、湖面等封闭水域养殖藻类
简便易行、成本较低的特点,但存在易污染、占地面积大、难以对水体和温度进行调节从而生产不稳定等缺点,发展受到很大限制
封闭环路系统法
在闭合的人造水渠中进行,含有藻类的液体在其中循环,循环过程中将藻类进行新陈代谢所需的二氧化碳和养分引入到水渠的液体中
操作简单,培养条件、参数易控制,条件稳定,成品质量高,可实现全年无菌纯种培养,能较大幅度地提高微藻细胞密度,其生长速率和生物量大幅度提高, 近些年已应用于微藻的商业性、高密度大规模培养生产。但封闭式光生物反应器在规模培养过程中的生产成本相对较高,成本为开放式池塘培养法的10 倍以上
固化反应器法
用一些透明管道装满工厂排出的废水和废气,管道内的藻类吸收废气中所含的二氧化碳,用于光合作用。同时,藻类排出氧气,生成用于提炼燃料的物质。
资料来源:根据相关资料整理、编制(上海科学技术情报研究所)
 
从燃料的生产效率来看,藻类较之于粮食类生物质具有明显的优势(表2)。海藻的高产率在于海藻有高的生长率,其生长率常常以小时计而不是以天计,它仅需土地、阳光、水、二氧化碳(成为潜在的碳捕集物)和营养成分。海藻生长循环实际上可看作是一种碳封存机制,因为二氧化碳是海藻生长需要的主要供入物。据称,如果从海藻生产美国所有需用的柴油(600亿加仑/年),则海藻生长可望吸收美国电厂排放二氧化碳总量的56%。
 
表2 各种原料及其产油潜力
作物
产油量,加仑/英亩
谷物
18
棉花
35
大豆
48
芥末籽
61
向日葵
102
油菜籽
127
麻疯树
202
棕榈油
635
海藻(在15%TAG 下,收获率10g/m2/d)
1200
海藻(在50%TAG 下,收获率50g/m2/d)
10000
注:g/m2/d 为海藻的收获率,TAG%为三甘油酯百分数
资料来源:松文,“海藻生产生物柴油的潜力和前景”,精细化工原料及中间体,2008,(12)20-23
 
在经济效益方面,相关学者[1]根据以前开放型池塘微藻生产的研究,预测微藻生物燃油生产成本为39~127美元/桶,按照2006年美元计价则相当于50~265美元/桶。他们分别运行商业规模的2公顷面积的生物反应器和开放型池塘微藻生产系统,评估生物燃油生产成本分别为84美元/桶和93美元/桶(2006年)。另外,根据美国能源部可再生能源国家实验室(NREL)的数据,每公顷海藻的生物柴油生产系统的营运成本为12000美元,其中包括了固定资产折旧、人工、电力、化工原料、维护保养及投资回报等所有经营成本。据此可测算出,从工程海藻中提取生物柴油在美国的成本为134.4美元/桶。这在30~40美元/桶的低油价时代是没有竞争力的。如果美国政府现在对所有生物燃油补贴42美元/桶,微藻生物燃油在国际原油价格高企的今天,已经比矿物燃油具有价格竞争力。10~20年后,当世界能提供的石油快要耗尽时,微藻生物燃油作为高价石油的替代燃料(如页岩油和沥青砂油)具有更大的价格竞争力。如果考虑到全球变暖加剧,微藻生物燃油的价格竞争力更强。
 

2.国内外藻类生物燃料的研发进展

1)国外藻类生物燃料的研发进展
国外对微藻的研究起步较早。早在20世纪50年代,美国麻省理工学院就在校园内建筑物的屋顶开始进行养殖藻类生产生物燃料的试验,并在研究报告中第一次提到了藻类生物燃料。1978年,美国能源部可再生能源国家实验室开始养殖微藻生产生物燃料项目(Aquatic Spices Program,简称ASP 项目)的研究,研究内容从微藻筛选、微藻生化机理分析、工程微藻制备到中试。该项目持续到1996年,在实验室研究的基础上,研究人员在美国加利福尼亚州、夏威夷州、新墨西哥州等地进行了中试放大。中试装置运行了一年,可获得高达0.05kg/(m2*d) 的工程微藻,微藻含油量达到40%~60%。1978~1996年累计投入科研经费2505万美元。该研究室是迄今对微藻研究最全面和权威的机构。由于油价上涨,2007年底美国能源部又将这个中断了11年之久的项目重新启动。
美、日等国的其他一些研究机构也开展了相关的工作,如1978 年美国科罗拉多州戈尔登太阳能研究所在一个直径20m的池塘中培植微藻,一年收获海藻4吨,从中提炼出300L以上的燃油。1988年日本一家公司发现绿藻能吸收大量二氧化碳生成油脂,提出了利用绿藻将二氧化碳转化为石油的设想。1993年,以色列耶鲁撒冷希伯里大学Ben-Zion Ginzberg教授成功地用高蛋白质含量的盐藻获得了低硫、低氮的优质石油。
 
进入21世纪后,研究工作出现了新的进展,逐步从实验室走向中型规模验证和生产放大阶段。2002年,美国圣地亚国家实验室在LiveFuels公司资助下,利用分子生物学反应工程技术进行增加微藻细胞含油量和产量方面的研究,经过5年的工作,制取出了性能类似大豆油的海藻油,油脂含量丰富,可生产生物燃料。其研究表明,仅需美国土地面积的0.3%就可生产出满足全美国需要的运输燃料。该项目的目标是到2010年研究获得经济可行的生物柴油。2005年12月,第一辆采用海藻燃料和大豆油(调合比例为1∶9)的示范轿车在印度进行了1500km的实车实验。
 
除了科研机构外,众多的生物燃料公司、投资公司也涌入了该研究领域。美国Sapphire 公司2008年9月宣布投资1 亿美元开展养殖海藻生产生物燃料的研究,Sapphire公司有两个引人注目的投资商:比尔·盖茨私人名下的一家投资公司(Cascade investments)和为洛克菲勒家族服务的投资合作商(Venrock Partner)。Sapphire公司宣称通过一种用太阳光、二氧化碳和光合海藻的工艺研制出了辛烷值达91的“绿色”汽油,而且生产的“绿色”燃料与现有的从炼油厂到加油站的销售网络设施完全兼容,显示了微藻汽油与第一代生物乙醇相比的优势所在。美国生物技术公司Solazyme于2008年7月9日生产出第一批海藻基可再生生物柴油,并已通过美国材料试验协会(ASTM)D-975 规格的认证。美国国际能源公司(International Energy)于2007年11月初宣布启动“海藻变油”研发计划,将从基于海藻的光合成来生产可再生柴油和喷气燃料。美国GreenFuel技术公司开发的海藻技术于2005年在Arizona的APS电厂完成了中试。选用高生长率的海藻,置于装有水的大型试管内,并曝置于直接的阳光照射下。这项技术计划2008 年开始商业化生产。美国Algenol公司2008年7月宣布在美国Maryland投运了世界上最大的海藻库场,目标是在美国沿海地区建设海藻制乙醇工厂。该公司估算可从1英亩(约为4046.9m2)土地生产6000gal(1gal=3.785L)乙醇。按照估计,如果美国所需乙醇全部从海藻制取,则仅需使用谷物制取乙醇需用土地的3%。
 
美国可再生能源集团(REG)于2008年8月21日宣布,该公司已拥有规模化的商业化技术,可炼制和生产大量高质量的海藻生物柴油,柴油质量超过ASTM D6751 和EN 14214M 标准。REG 公司计划采用专有预处理技术对粗海藻油进行净化和精制。然后采用与目前商业规模生物柴油生产过程相似的系统,使之转化为生物柴油。美国Valencent产品公司和全球绿色解决方案公司合作开发的Vertigro工艺正处于工业应用准备阶段,包括海藻生长、海藻收集和萃取海藻油用于生物柴油3个步骤。工艺的核心是连续闭环生物反应器。在25~30天之后就可收集海藻,海藻的含油量约为50%。Vertigro工艺的生物柴油产量要比用常规农作物生产的生物柴油增加20倍,用水量只有5%。
 
石油公司也加入了养殖海藻生产生物柴油的研究开发。壳牌公司(Shell)与美国从事海藻生物燃料业务的HR 生物石油公司(HR Biopetroleum)于2007年12月组建合资企业Cellena公司,在夏威夷用面积2.5hm2 的实验基地作为海藻养殖场,建设利用海藻生产植物油再转化为生物燃料的中试装置,进行为期2 年的生物柴油生产实验。雪佛龙公司(Chevron)也与美国可再生能源国家实验室、Solazyme公司签署了协议,共同开展研究工作。2009年7月14日,石油巨头埃克森美孚公司(Exxon Mobil)宣布将与Synthetic Genomics Incorporated(合成基因公司)合作进行一项6亿美元的项目,开发下一代藻类生物燃料。
 
2)我国藻类生物燃料的研发进展
虽然我国微藻养殖的历史不长,技术上与先进国家存在一定差距,但近10 多年来发展很快。尤其是螺旋藻的养殖发展十分迅速,1996 年产量曾达到世界总产量的40%以上。除螺旋藻外,盐藻、小球藻等微藻的养殖也开始受到重视。微藻生产生物燃料的研究取得了很大进展。
 
清华大学生物技术研究所缪晓玲教授等通过异养转化细胞工程技术获得高脂含量的异养小球藻细胞,其脂含量高达细胞干重的55%(质量分数),是自养藻细胞的4倍。将制备的微藻离心分离获得微藻细胞,经蒸馏水洗和冷冻干燥成为粉状物后,用正己烷萃取细胞中的油脂,分离除去萃取剂后得到皂化值和酸值分别为189.3mgKOH/g和8.97mgKOH/g的油脂,其相对分子质量为933,相当于菜籽油的相对分子质量。鉴于获得的油脂酸值较高,研究人员利用酸催化酯交换技术一步得到生物柴油和副产甘油,得到的生物柴油符合ASTM 相关标准。缪晓玲教授等还开发了微藻异养发酵生产生物柴油技术。通过细胞控制技术获得异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大量增加,蛋白质含量下降。利用独创的淀粉酶解和两步法半无菌培养基技术,以淀粉为原料发酵生产富油脂,实验室研究结果表明与常规制备技术相比,成本下降5~8倍,油脂质量分数达99%以上。
山东海洋工程研究院与有关机构合作开展了海藻的能源化利用研究,目前已在实验室取得了初步成果,培育出了富油微藻,最高含油量已达到68%,并在此基础上制取生物柴油。
 
中国水产科学研究院、中科院海洋研究所等单位也正在开展以海洋藻类为原料生产生物柴油的研究。目前已建立了化学法和脂肪酶法生产生物柴油的关键技术与工艺路线,生物柴油的收率达到98%以上,收集获得了含油量超过28%的藻类,并对海藻油脂的提取进行了研究。该项目技术已完成了小试、中试,并已向北京、上海、湖北武汉、湖南长沙、河北廊坊和山东几家公司转让。
抚顺石化研究院也已开展微藻利用的探索性研究,对能够利用二氧化碳并富集油脂的藻类进行筛选和培养,掌握了葡萄藻、小球藻、小环藻等典型藻种的培养条件和生长特性。正在对藻种改良、光反应器,以及油脂、糖类、纤维素等目标产物分离进行深入研究。
 
海南绿地微藻生物科技公司利用二氧化碳废气养殖微藻生产生物柴油的试验近日在海南省乐东黎族自治县获得成功,微藻含油量达到28%~32%,该公司计划投资2980万美元在海南筹建干微藻项目,项目建成投产后可形成年产生物柴油30万吨的生产能力。
 

3.国外藻类生物燃料发展的政策简介

藻类生物燃料作为有别于以粮食为基础的生物质能源,很多国家对其较为重视,具体体现在生物质能发展的鼓励政策当中。基于不同国情,各国为促进生物燃料发展和鼓励消费,政府采取了多种支持政策:
 
(1)补贴支持
由于当前生物燃料的生产成本普遍高于普通燃油。为了保证该产业有利可图,各国政府纷纷向生物燃料产业提供大量补贴。发达国家每年在这方面的支持力度约为130亿~150亿美元。除了直接对燃料作物的种植和加工等生产环节进行补贴。一些国家还对购买可通用普通和生物燃料的交通工具进行补贴,以期鼓励生物燃料的使用。
 
(2)税收支持
税收减免政策也是各国广泛采用的支持措施之一。例如,虽然巴西的生物燃料产业的竞争力很强。无需直接补贴,但为了推动该产业的进一步发展,巴西政府在税收上给予了一系列优惠政策,如免征生物燃料消费税、降低加工商的收入税等。2006年这方面免征税款共计10多亿美元。
 
(3)金融支持
各国还采取非经常补助金、贷款保证、贴息贷款等金融措施,在政策上向生物燃料产业倾斜。2007年5月,美国国会共批准20亿美元,以贷款保证金的形式,指定援建其国内的生物炼油项目。加拿大政府于2007年初划拨了1.9亿美元贷款,支持可再生能源的项目建设。
 
(4)边境措施
一些国家对进口的生物燃料实施关税、进口配额等限制性措施,以保护国内相关产业。例如,欧盟对进口生物乙醇征收0.192欧元/L的关税,以保护国内产业免受国际市场的竞争压力。另一方面,阿根廷等主要出口国对生物燃料的原料农产品,如大豆、菜籽油的出口征收出口税,却对生物燃料出口免征出口税,以期推动国内产业发展,扩大国际市场份额。
 
(5)技术标准
为了鼓励生物燃料的应用,许多国家纷纷引入强制性混合比例,要求出售的燃油中必须掺入一定比例的生物燃料。例如,哥伦比亚2006年初规定,在城市地区出售的所有汽油中必须添加10%的生物乙醇。欧盟更是在2003年就出台的“生物燃料条例”中规定,生物燃料在燃油总消费量中所占的比例应从2005年的3%提高到2010年的5.75%。
 
主要参考文献
任小波等,“海洋生物质能研究进展及其发展战略思考”,地球科学进展,2009,24(4):403~410
松文,“海藻生产生物柴油的潜力和前景”,精细化工原料及中间体,2008,(12)20-23
王蒙等,“以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势”,南方水产,2009,5(1):74~80
HUNTLEYM E, REDAHE D G. CO2 mitigation and renewable oil from photosynthetic microbes: a new appraisal. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2007, 12 ( 4 ) :573 - 608.
埃克森美孚公司网站:http://www.exxonmobil.com/corporate/
美国能源部可再生能源国家实验室(NREL)网站:http://www.nrel.gov/


[1] HUNTLEYM E, REDAHE D G. CO2 mitigation and renewable oil from photosynthetic microbes: a new appraisal. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2007, 12 ( 4 ) :573 - 608.

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