我國(guó)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題

我國(guó)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題

1微藻能源已成為研究的重點(diǎn)1.1生物柴油的發(fā)展歷程眾所周知，資源、能源和環(huán)境是人類社會(huì)發(fā)展必須解決的三個(gè)問(wèn)題。目前,我國(guó)能源短缺形勢(shì)嚴(yán)峻,石油等化石能源儲(chǔ)備嚴(yán)重不足,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)高速發(fā)展的需要,迫切需要從戰(zhàn)略角度發(fā)展新的可再生能源。受技術(shù)和資源等因素限制,核能、風(fēng)能、潮汐能以及太陽(yáng)能等替代能源,還無(wú)法替代石油等傳統(tǒng)化石能源,液體燃料仍具有不可替代性。近年來(lái),作為液體燃料之一的生物柴油,是國(guó)際上可再生能源的新生力量,因可直接利用現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)及加油站等設(shè)施,且對(duì)環(huán)境友好(N、S含量低),同時(shí)其熱值接近化石柴油,因而發(fā)展迅猛,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,在柴油市場(chǎng)所占比例穩(wěn)步上升,但原料不足是限制國(guó)內(nèi)外生物柴油大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。CO2減排已成為亟待解決的全球性問(wèn)題。2009年聯(lián)合國(guó)哥本哈根氣候大會(huì),標(biāo)志著一個(gè)以減少碳排放和提升碳吸儲(chǔ)能力為核心的低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來(lái)臨。目前,我國(guó)已經(jīng)將發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)納入國(guó)家總體發(fā)展戰(zhàn)略,并提出了到2020年,單位GDP排放CO2比2005年下降40~45%的自主行動(dòng)目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo),作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱的能源產(chǎn)業(yè),必須在CO2減排中發(fā)揮主導(dǎo)作用。目前,生產(chǎn)生物柴油所用原料均源于油料作物,由于油料作物的油脂面積產(chǎn)率不高,大力發(fā)展生物柴油必然要占用大量耕地,影響糧食生產(chǎn)。而微藻種類繁多、分布廣,是最簡(jiǎn)單、最古老的低等植物,可直接利用陽(yáng)光、CO2及N、P等簡(jiǎn)單營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速生長(zhǎng)并在胞內(nèi)合成大量油脂(主要是甘油三酯),為生物柴油生產(chǎn)提供新的油脂資源。目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為,作為一種新的生物能源,微藻能源發(fā)展?jié)摿薮蟆?.2微藻生物柴油的發(fā)展歷程微藻作為生物柴油原料的研究始于20世紀(jì)60年代。20世紀(jì)70年代中東戰(zhàn)爭(zhēng)等因素導(dǎo)致國(guó)際原油供應(yīng)緊張,美國(guó)、日本、澳大利亞等西方國(guó)家為了減少對(duì)進(jìn)口原油的依賴,大力資助微藻培養(yǎng)產(chǎn)油項(xiàng)目。其中,美國(guó)在1978-1996年由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)牽頭并聯(lián)合多個(gè)單位進(jìn)行的《水生物種計(jì)劃—藻類生物柴油》(Aquaticspeciesprogram—biodieselfromalgae,ASP)最為著名,該計(jì)劃開(kāi)展了包括產(chǎn)油微藻優(yōu)良藻種篩選、培養(yǎng)模式、油脂代謝調(diào)控與分子操作等方面的研究。雖然利用微藻產(chǎn)油在技術(shù)上可行,但其成本比當(dāng)時(shí)石油價(jià)格高出很多。所以,能源微藻的研發(fā)曾一度中斷。20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)石油需求增加,不僅導(dǎo)致價(jià)格上漲,而且石油基能源產(chǎn)品的大量消費(fèi)使溫室氣體排放增加,生態(tài)環(huán)境惡化,世界各國(guó)又開(kāi)始大力發(fā)展環(huán)境友好的微藻生物柴油。2006—2008年,石油價(jià)格的大幅上揚(yáng),進(jìn)一步推進(jìn)了微藻能源(主要是生物柴油)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的發(fā)展,美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和企業(yè)在該領(lǐng)域紛紛投入或計(jì)劃投入大量資金進(jìn)行微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā),在國(guó)際上掀起了一股勢(shì)不可擋的微藻能源開(kāi)發(fā)熱潮,如?？松梨诠居?009年7月宣布,將啟動(dòng)一項(xiàng)規(guī)模達(dá)6億美元的藻類生物燃料計(jì)劃。為了加快微藻能源的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和總體部署,2008年12月,美國(guó)能源部召開(kāi)了國(guó)家藻類生物燃料發(fā)展規(guī)劃研討會(huì),2009年發(fā)布了《藻類生物燃料技術(shù)路線圖》草案,并于2010年6月28日正式發(fā)布。英國(guó)、澳大利亞等一些發(fā)達(dá)國(guó)家也都紛紛啟動(dòng)了微藻生物柴油方面的科研項(xiàng)目,目前全球已有150多家專門(mén)從事微藻能源開(kāi)發(fā)的公司,但迄今國(guó)內(nèi)外尚無(wú)經(jīng)濟(jì)上可行的微藻能源生產(chǎn)系統(tǒng)。據(jù)英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》2010年6月10日?qǐng)?bào)道,空中客車公司“新一代鉆石DA42”飛機(jī),采用100%微藻生物燃料驅(qū)動(dòng),在6月8日開(kāi)幕的柏林國(guó)際航空航天展覽會(huì)上完成首飛,首次證明了微藻生物燃料完全可以獨(dú)立為飛機(jī)提供發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,并且使用微藻生物燃料后排放的尾氣中,碳?xì)浠衔?、氮氧化合物和硫氧化物分別是化石燃料的1/8、60%和1/60。我國(guó)近年來(lái)也加大了對(duì)微藻生物柴油的研發(fā)力度,政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)微藻生物柴油的開(kāi)發(fā)予以了高度重視。例如科技部于2009年開(kāi)始啟動(dòng)微藻能源方面的863重點(diǎn)項(xiàng)目;在“十二五”期間將在973計(jì)劃及863計(jì)劃中對(duì)微藻能源予以立項(xiàng)支持;中石化、中石油以及中海油等能源巨頭均對(duì)微藻能源予以高度的重視;華東理工大學(xué)與上海澤元海洋生物技術(shù)有限公司聯(lián)合在江蘇泰興市對(duì)高產(chǎn)油脂的小球藻在戶外敞開(kāi)池中的光自養(yǎng)培養(yǎng)進(jìn)行小規(guī)模中試研究,即將在國(guó)內(nèi)微藻生產(chǎn)龍頭企業(yè)——江西新大澤實(shí)業(yè)集團(tuán)的海南微藻養(yǎng)殖基地進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)試驗(yàn),同時(shí)以培養(yǎng)出的大量能源微藻為原料進(jìn)行生物柴油的規(guī)?；苽溲芯?新奧科技發(fā)展有限公司已開(kāi)始利用管道式及平板式光生物反應(yīng)器從事能源微藻的中試培養(yǎng)研究。2010年5月在北京召開(kāi)了“第二輪中美戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)對(duì)話”,期間中美簽訂了一系列關(guān)于航空生物燃料方面的合作項(xiàng)目,其中之一就是《推進(jìn)藻類可持續(xù)航空生物燃料合作》?？梢哉f(shuō)微藻生物柴油正成為世界各國(guó)重點(diǎn)研究的戰(zhàn)略方向。2中國(guó)微藻能源的必要性和優(yōu)勢(shì)2.1加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,大力發(fā)展新型能源產(chǎn)業(yè)我國(guó)現(xiàn)有的能源消耗以化石能源為主,能源結(jié)構(gòu)不合理。我國(guó)政府已明確提出要積極發(fā)展可再生能源和新型、安全、清潔的替代能源,并且提出2020年我國(guó)非化石能源消費(fèi)比重將由目前的不到9%提高到15%。此外,我國(guó)CO2減排任務(wù)非常繁重。因此,我國(guó)應(yīng)加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)。微藻與能源植物相比,具有光合作用效率高、含油量高、生長(zhǎng)周期短、油脂單位面積產(chǎn)率高,還可利用非可耕地和非淡水資源,富含色素、多糖和蛋白等高附加值產(chǎn)品等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是發(fā)展?jié)摿薮?、最有可能替代石油的生物能源大宗生產(chǎn)原料。目前,微藻能源作為生物能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略儲(chǔ)備,世界各國(guó)都在搶占技術(shù)制高點(diǎn),我國(guó)發(fā)展微藻能源的必要性主要表現(xiàn)在以下兩方面:1)微藻能源關(guān)系國(guó)家能源重大戰(zhàn)略儲(chǔ)備,國(guó)外一旦產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟,其核心技術(shù)不可能轉(zhuǎn)讓給我國(guó);2)能源微藻的藻種和培養(yǎng)技術(shù)等具有很強(qiáng)的地域及氣候差異性,不能從國(guó)外照搬,必須針對(duì)我國(guó)國(guó)情,走自主研發(fā)之路。2.2光自養(yǎng)生長(zhǎng)將成為企業(yè)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)我國(guó)耕地有限,但擁有廣闊的鹽堿地、灘涂和荒漠土地資源,可規(guī)?；?。與其他油料作物相比,利用微藻培養(yǎng)積累的油脂生產(chǎn)生物柴油不僅用地面積最少,而且不占用耕地。因此,只有發(fā)展微藻培養(yǎng)生產(chǎn)生物柴油才最有可能滿足我國(guó)未來(lái)運(yùn)輸燃料的供應(yīng)。同時(shí)微藻,特別是海水微藻培養(yǎng)還可以利用灘涂地和海水資源,有效規(guī)避發(fā)展生物能源存在“與人爭(zhēng)糧、爭(zhēng)地和爭(zhēng)水”的矛盾。我國(guó)CO2排放點(diǎn)多、量大、面廣,適合微藻培養(yǎng)的資源化利用,可大幅度降低微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)所需碳源成本,如培養(yǎng)1t螺旋藻所需的碳源(常規(guī)為NaHCO3)成本約為人民幣1萬(wàn)元。因此,利用微藻光自養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程,大規(guī)模吸收工業(yè)廢氣中的CO2,在實(shí)現(xiàn)CO2減排的同時(shí),生產(chǎn)生物柴油所需的油脂原料(每噸藻約可固定2tCO2),既可大幅度降低能源微藻培養(yǎng)成本,又可從清潔能源發(fā)展機(jī)制(Cleandevelopmentmechanism,CDM)中獲得收益。由于生物柴油的市場(chǎng)需求量極大(我國(guó)每年需求的柴油量約1億t,如全部通過(guò)光自養(yǎng)培養(yǎng)的能源微藻來(lái)生產(chǎn),約需要3億t干藻粉,可吸收約6億tCO2),因此微藻能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為緩解我國(guó)CO2減排的壓力帶來(lái)了新的希望。此外,植物生長(zhǎng)僅能吸收空氣中的CO2,而能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)可解決CO2的點(diǎn)源排放問(wèn)題,這對(duì)于解決我國(guó)熱電廠、鋼鐵廠、化工廠等CO2排放大戶的減排問(wèn)題,具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)還可利用我國(guó)量大面廣的富含N/P廢水資源。我國(guó)廢水中N/P含量高,處理成本高,導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化并誘發(fā)藍(lán)藻爆發(fā)。微藻需要吸收N/P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行光自養(yǎng)生長(zhǎng),例如在培養(yǎng)小球藻的Walne培養(yǎng)基中N和P含量分別為47mg/L和5.2mg/L,與我國(guó)城市生活污水中N、P含量基本相當(dāng)。如果充分利用富含N/P廢水培養(yǎng)能源微藻,不僅降低了所需的N源成本(0.3~0.4萬(wàn)元/t螺旋藻)和P源成本(約0.3萬(wàn)元/t螺旋藻),而且可省去廢水處理中脫N和除P環(huán)節(jié),節(jié)約廢水處理成本(脫N和除P成本約為0.3元/t城市生活廢水),達(dá)到富含N/P廢水資源化利用和去除污染物的雙重目的。我國(guó)在微藻生物技術(shù)領(lǐng)域如種質(zhì)資源和大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)等方面具有較好的研究工作基礎(chǔ),且微藻產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模,如螺旋藻產(chǎn)量居世界第一。3微藻能源產(chǎn)業(yè)化的物質(zhì)基礎(chǔ)低成本是發(fā)展微藻能源的最基本要求,缺乏基礎(chǔ)研究支撐和技術(shù)優(yōu)化與系統(tǒng)集成,導(dǎo)致微藻能源成本高、生產(chǎn)效率低,是制約其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。究其原因,主要是由于微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小,而人們真正認(rèn)識(shí)到微藻生物能源重要性也是近幾年的事,過(guò)去人們對(duì)該領(lǐng)域的研究重視不夠,很多關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面的研究少有涉足,產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)缺乏堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐。筆者認(rèn)為,微藻能源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程主要存在以下關(guān)鍵問(wèn)題:1)可規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻優(yōu)良種(株)的選育技術(shù)和綜合評(píng)價(jià)體系。2)對(duì)能源微藻光合固碳、油脂合成與積累的機(jī)制及其調(diào)控原理的認(rèn)識(shí)。3)高效低成本的光生物反應(yīng)器優(yōu)化方法以及其放大技術(shù)。4)能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)工藝優(yōu)化與放大技術(shù)。5)經(jīng)濟(jì)上可行的能源微藻細(xì)胞采收、油脂提取及生物能源產(chǎn)品加工技術(shù)。6)非油脂組分資源化利用技術(shù)及系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)。7)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的評(píng)價(jià)。8)低成本高效率微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線及相應(yīng)的研究平臺(tái)。4發(fā)展微藻能源的概念和策略4.1建立微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng)能源微藻產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)首先以現(xiàn)有微藻產(chǎn)業(yè)中已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化培養(yǎng)的優(yōu)良藻種(如小球藻、三角褐指藻等)為出發(fā)藻種,利用現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)開(kāi)展規(guī)模化培養(yǎng)、藻體采收、油脂提取、生物能源產(chǎn)品加工及性能評(píng)價(jià)等各環(huán)節(jié)的初步研究,初步建立微藻能源規(guī)模化制備的集成系統(tǒng),打通微藻能源產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)路線,通過(guò)實(shí)際運(yùn)行獲得微藻能源的實(shí)際生產(chǎn)成本及其成本分布情況,發(fā)現(xiàn)各單元(尤其是規(guī)?；囵B(yǎng))存在的具體問(wèn)題,同時(shí)可小規(guī)模制備微藻能源產(chǎn)品(如生物柴油等)。通過(guò)整個(gè)微藻能源產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的試運(yùn)行,針對(duì)亟待解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié),開(kāi)展工程技術(shù)研發(fā)及相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究,及時(shí)在集成系統(tǒng)中對(duì)研究成果進(jìn)行檢驗(yàn)和應(yīng)用,有針對(duì)性地解決微藻能源產(chǎn)業(yè)化中所存在的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題,不斷優(yōu)化微藻能源規(guī)?；苽涞募上到y(tǒng),一旦經(jīng)濟(jì)上可行,便及時(shí)進(jìn)行工業(yè)化放大試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。筆者認(rèn)為,采用上述的過(guò)程集成與工程技術(shù)研發(fā)及基礎(chǔ)研究并舉的策略,可大大縮短微藻能源產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)所需時(shí)間。4.2藻種株的選擇和性能微藻能源產(chǎn)業(yè)化的首要條件是要有性能優(yōu)良的藻種(株),它應(yīng)具有生長(zhǎng)快、油脂含量高、抗逆性強(qiáng)及適合于戶外規(guī)模化培養(yǎng)等特點(diǎn),其篩選與誘變(如物理和化學(xué)誘變等)不應(yīng)單純追求高生長(zhǎng)速率或高油脂含量,而應(yīng)以高油脂產(chǎn)率和易規(guī)?；统杀九囵B(yǎng)為目標(biāo)。微藻能源產(chǎn)業(yè)化要求在我國(guó)不同地區(qū)不同季節(jié)均能做到連續(xù)生產(chǎn),因此藻種(株)的選育具有區(qū)域性,不僅要在實(shí)驗(yàn)室特定條件下進(jìn)行,而且還須模擬戶外規(guī)?；囵B(yǎng)的實(shí)際條件(如晝夜溫差、夜晚無(wú)光照等)來(lái)考察藻種的性能,最終還需通過(guò)戶外培養(yǎng)確定藻種的性能。對(duì)于適合規(guī)模化培養(yǎng)的藻種(株),還可以通過(guò)基因工程方法對(duì)其進(jìn)行改造,尤其對(duì)于遺傳背景較為清楚的藻種(株),可在對(duì)其代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地進(jìn)行分子生物學(xué)改造,以獲得性能優(yōu)良的工程藻株。4.3光生物反應(yīng)器n-fm和氣-藻-環(huán)微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)(即光生物反應(yīng)器)有二大類:一是敞開(kāi)池,二是封閉式光生物反應(yīng)器。目前微藻大規(guī)模光自養(yǎng)培養(yǎng)所用光生物反應(yīng)器主要為敞開(kāi)式跑道池與圓池,具有成本低的優(yōu)點(diǎn),但其效率也低,自上世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)出來(lái)后,迄今很少有人對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究,工程設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行缺乏理論和技術(shù)指導(dǎo)。封閉式光生物反應(yīng)器(管道式、平板式、柱式等)雖然具有細(xì)胞密度高、生長(zhǎng)快等許多優(yōu)點(diǎn),由于其制造和運(yùn)行成本高、放大技術(shù)不成熟等,目前尚無(wú)法應(yīng)用于能源微藻的大規(guī)模培養(yǎng),但這類反應(yīng)器可用于能源微藻藻種的培養(yǎng)。能源微藻在規(guī)?；囵B(yǎng)時(shí)需要大量藻種,而目前的藻種擴(kuò)培系統(tǒng)存在培養(yǎng)密度低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),難以滿足能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)對(duì)藻種的需求,封閉式光生物反應(yīng)器所具備的優(yōu)點(diǎn)恰恰可以滿足能源微藻藻種快速擴(kuò)培的需要。目前國(guó)內(nèi)外所開(kāi)發(fā)的各種戶外培養(yǎng)用封閉式光生物反應(yīng)器是在不同自然光條件下分別進(jìn)行微藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)其性能的優(yōu)劣,由于光照對(duì)微藻生長(zhǎng)影響極大,因此其結(jié)果可比性不強(qiáng),亟需在相同的自然光照條件下對(duì)各種封閉式光生物反應(yīng)器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外,由于光在微藻培養(yǎng)液中衰減嚴(yán)重,封閉式光生物反應(yīng)器放大后的效率均明顯下降。迄今,封閉式光生物反應(yīng)器的放大在國(guó)內(nèi)外均憑經(jīng)驗(yàn)或在定性的方法指導(dǎo)下進(jìn)行,缺乏系統(tǒng)的理論和定量的方法。筆者在長(zhǎng)期的研究中認(rèn)識(shí)到,光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大必須以促進(jìn)光照方向的混合為基本原則,不論是敞開(kāi)式培養(yǎng)池或封閉式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大都應(yīng)遵循這一原則。近年來(lái)計(jì)算流體力學(xué)(Computationalfluiddynamics,CFD)已被廣泛用于各類反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)。針對(duì)光生物反應(yīng)器中必須強(qiáng)化光照方向的混合程度這一特殊要求,在了解能源微藻光衰減特性的前提下,可以通過(guò)CFD模擬并結(jié)合冷模及熱模試驗(yàn),建立敞開(kāi)式培養(yǎng)池及封閉式光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大方法,從而為能源微藻的規(guī)模化培養(yǎng)提供高效的裝置。4.4能源中的微藻規(guī)模4.4.1異養(yǎng)培養(yǎng)能源微藻微藻的培養(yǎng)模式主要包括光自養(yǎng)、異養(yǎng)和混養(yǎng)(兼養(yǎng))3種形式。微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也是目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的微藻(螺旋藻、小球藻、鹽藻、雨生紅球藻等)及餌料微藻的大規(guī)模培養(yǎng)中普遍采用的模式。對(duì)于能源微藻的培養(yǎng),1998年美國(guó)的ASP計(jì)劃工作總結(jié)報(bào)告指出:相對(duì)低成本的敞開(kāi)池光自養(yǎng)培養(yǎng)是最有前景的培養(yǎng)模式,但敞開(kāi)池光自養(yǎng)培養(yǎng)存在的培養(yǎng)密度低、易被污染、水分蒸發(fā)、CO2供給不足、受環(huán)境因素影響大等問(wèn)題,使其難以滿足能源產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。封閉式光生物反應(yīng)器雖然可克服敞開(kāi)池的許多缺點(diǎn),但由于成本高、放大技術(shù)不成熟等原因,迄今尚未應(yīng)用于微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。異養(yǎng)培養(yǎng)不能直接利用太陽(yáng)能和CO2,難以直接用于能源微藻的規(guī)?；囵B(yǎng);對(duì)于可異養(yǎng)生長(zhǎng)的能源微藻,可采用異養(yǎng)方式對(duì)其藻種進(jìn)行快速擴(kuò)培。此外,如若微藻異養(yǎng)培養(yǎng)積累油脂的效率和成本優(yōu)于產(chǎn)油微生物,則將具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。微藻的混養(yǎng)培養(yǎng)雖可獲得較高的細(xì)胞密度和細(xì)胞產(chǎn)率,但大規(guī)模混合培養(yǎng)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)微藻無(wú)菌培養(yǎng),易滋生雜菌(尤其是以易被微生物利用的糖類為碳源時(shí))。在微藻油脂生產(chǎn)生物柴油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物甘油,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,一旦微藻能源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,副產(chǎn)的甘油量將非常可觀,但甘油可以作為部分能源微藻混合培養(yǎng)時(shí)的碳源,如何利用甘油開(kāi)展能源微藻的大規(guī)?；祓B(yǎng)培養(yǎng)也是未來(lái)值得研究的方向。近年來(lái)研究者通過(guò)將不同的培養(yǎng)方式進(jìn)行組合,產(chǎn)生了一些新的培養(yǎng)模式:1)先自養(yǎng)后異養(yǎng)模式:先利用密閉式光生物反應(yīng)器自養(yǎng)培養(yǎng)以固定CO2,然后利用發(fā)酵法進(jìn)行異養(yǎng)以提高含脂量。該模式存在的最大問(wèn)題是光自養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程放大后無(wú)法做到無(wú)菌培養(yǎng),由于微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)要求藻種必須不帶任何雜菌,因此該模式無(wú)法放大,在能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)方面不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2)封閉式光生物反應(yīng)器與開(kāi)放池相結(jié)合的培養(yǎng)模式:先利用密閉式光生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)微藻的高密度培養(yǎng),然后再和敞開(kāi)池串聯(lián),使藻液在封閉式光生物反應(yīng)器和敞開(kāi)池中循環(huán)流動(dòng)。該模式不僅基本具備高密度、有效固定CO2、低成本的特點(diǎn),同時(shí)還可部分克服高溫季節(jié)封閉式光生物反應(yīng)器降溫成本高、敞開(kāi)式反應(yīng)器水蒸發(fā)量大的缺點(diǎn),但如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化,非常值得深入研究。4.4.2微藻細(xì)胞的生物利用:環(huán)境條件三因素低成本大規(guī)模的能源微藻培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)微藻能源產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。能源微藻培養(yǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,面臨著多變的外部環(huán)境條件、污染生物的競(jìng)爭(zhēng)以及細(xì)胞之間的相互作用,因此能源微藻規(guī)?；庾责B(yǎng)培養(yǎng)工藝的優(yōu)化必須綜合考慮各個(gè)因素,使能源微藻的潛能得到最大程度的發(fā)揮。能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)工藝優(yōu)化應(yīng)重點(diǎn)考慮以下內(nèi)容:1)以CO2為碳源:通入CO2有兩方面的作用,一是為微藻生長(zhǎng)提供所需的碳源,二是調(diào)節(jié)培養(yǎng)液的pH值。微藻光自養(yǎng)過(guò)程中,培養(yǎng)液的pH值呈上升趨勢(shì),過(guò)高的pH不利于微藻的生長(zhǎng),通入CO2可將pH值控制在其最適范圍內(nèi)。2)優(yōu)化培養(yǎng)基:培養(yǎng)基是能源微藻細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂合成的物質(zhì)基礎(chǔ),其組成對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)及油脂積累影響顯著。因此,在能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)研究中,培養(yǎng)基的優(yōu)化非常重要。此外,適合于已有能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的N/P廢水資源的篩選也是一個(gè)非常值得研究的方向。3)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂積累與環(huán)境條件的相互作用:深入了解微藻光合作用和油脂積累與外界環(huán)境條件的響應(yīng)機(jī)制,找出環(huán)境條件對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂積累的影響規(guī)律,從而通過(guò)調(diào)控環(huán)境因子促進(jìn)藻細(xì)胞生長(zhǎng)及油脂的積累。4)培養(yǎng)液的循環(huán)利用:能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)的藻細(xì)胞密度一般較低,細(xì)胞采收后的大量培養(yǎng)液必須實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用,否則不僅需要大量的水資源,而且會(huì)增加生產(chǎn)成本。4.5微藻生物能源加工與微藻細(xì)胞能源微藻規(guī)?；囵B(yǎng)時(shí)細(xì)胞密度一般較低(一般為每升幾克干細(xì)胞),傳統(tǒng)的液固分離技術(shù)(如離心等)因其成本高無(wú)法直接用于能源微藻的大規(guī)模采收。因此,微藻細(xì)胞采收也是能源微藻產(chǎn)業(yè)化中亟待解決的瓶頸問(wèn)題之一。微藻種類繁多,形態(tài)、細(xì)胞壁等的組成結(jié)構(gòu)與表面特性、包括油脂在內(nèi)的胞內(nèi)組成呈現(xiàn)多樣性特征,這些特征不僅因藻種而異,即使對(duì)于同一藻種,也隨培養(yǎng)工藝的差異而變化。因此關(guān)于能源微藻的采收、油脂提取及生物能源加工也應(yīng)根據(jù)能源微藻細(xì)胞的多元特性開(kāi)展有針對(duì)性的研究。傳統(tǒng)生物能源加工原料大多為干物質(zhì),根據(jù)全生命周期分析(Lifecycleanalysis,LCA),利用干燥后的微藻生產(chǎn)能源產(chǎn)品過(guò)程的能量“入不敷出”。由于微藻細(xì)胞中水含量高達(dá)80%以上,為避免干燥的高能耗,開(kāi)發(fā)以濕藻為原料的低能耗微藻能源綠色制備方法將成為一個(gè)重要的研究方向。4.6非脂肪藻的回收和用作4.6.1開(kāi)發(fā)深加工物質(zhì)微藻提油后的非油脂組分中含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖和色素等生物活性物質(zhì),可被開(kāi)發(fā)成為醫(yī)藥、食品及飼料添加劑等高附加值產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)藻渣的高值化利用,不僅可以實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞的綜合利用,還能夠提高微藻能源生產(chǎn)過(guò)程的綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益,降低微藻能源的生產(chǎn)成本。4.6.2進(jìn)行能源化利用在藻體非油脂組分高值化利用市場(chǎng)飽和的情況下,大量非油脂組分必須全部進(jìn)行能源化利用。美國(guó)能源部2010年6月正式發(fā)布的《藻類生物燃料技術(shù)路線圖》,指出了微藻非油脂組分能源化利用的多個(gè)方向,如厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、熱解、與煤共氣化等,但相關(guān)技術(shù)均不成熟,有待深入研究。4.7集成系統(tǒng)研究平臺(tái)微藻能源產(chǎn)業(yè)化過(guò)程涉及的環(huán)節(jié)多、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),其本身非常復(fù)雜,系統(tǒng)效率不但取決于各個(gè)單元的效率,也取決于各單元的相互影響和耦合。由于微藻能源興起的時(shí)間很短,迄今尚無(wú)微藻能源生產(chǎn)全過(guò)程中試的報(bào)道,因此對(duì)微藻能源規(guī)?；到y(tǒng)的集成了解甚少,亟待開(kāi)展研究。微藻能源的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)必須建立一個(gè)集成系統(tǒng)的研究平臺(tái),以便及時(shí)對(duì)各個(gè)單元的研究成果進(jìn)行評(píng)價(jià)與集成,同時(shí)也便于各個(gè)單元之間研究工作相互銜接(如規(guī)?；囵B(yǎng)可為能源產(chǎn)品加工提供原料,油脂的提取方法對(duì)非油脂組分的高値化利用具有重要影響,且濕的藻細(xì)胞及提取油脂后的藻渣難以長(zhǎng)時(shí)間保存,只能就地加工)。LCA作為一種對(duì)工業(yè)過(guò)程整個(gè)生命周期中能耗和物耗以及對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行量化評(píng)