海洋微藻生物质能源技术、产业分析及发展建议

海洋微藻生物质能源技术、产业分析及发展建议

一、海洋微藻生物质能源开发的特点和优势

海洋生物质能源是海洋植物利用光合作用将太阳能以化学能的形式贮存的能量形式，此类海洋生物质的主要来源为海洋藻类，包括海洋微藻和大型海藻等，目前较为热门的是对海洋微藻的研究，主要原因是海洋微藻具有以下特点和优势:

生长周期短，光合效率高:微藻是光合效率最高的光合生物之一，可大量提供非粮食可再生的生物质能。

适应能力强，不争地，不争水:微藻具有盐碱适应能力，可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养，无需占用农业用地，也不消耗淡水资源；而且利用封闭式光生物反应器培养微藻，其养殖过程可以实现自动化控制 。

大量积累脂质，可高效生产生物燃油:一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50% ～90% ，有望成为最有前景的生物燃油来源。

具有减排效应，可以直接处理工业废气:微藻可以通过光合作用利用废气和废水，不仅能缓解温室气体的排放，而且可以通过利用废水、废气降低生产成本，具有显著减排效应，有望进行商业化减排。

可高值化综合利用:微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料和饵料等。

二、海洋微藻生物质能源产业的技术构成及开发流程

海洋微藻生物质能源的产业开发主要包括海洋微藻藻种的筛选、大规模培养、采收，以及生物燃料制备工艺等方面。

（一）主要技术构成

主要技术构成见图1。

图1　海洋微藻能源产业技术

（二）主要开发流程

1.藻种的选育

藻种的选育主要是筛选生长快速、适应性强的适宜生物质能开发的优良藻种，采用传统选育与分子生物学相结合的方法改良藻种。

国内外的科学家利用各种方法已选育出了几种含油量较高的藻种，包括小球藻、异养小球藻、盐藻、角毛藻等，为低成本的生物燃料生产提供了原料支持。

2.微藻的大规模培养

微藻培养系统的选择需考虑几个方面:微藻的生理学特性、地产投资、劳工、能源、水、营养、天气（室外培养）以及最终产品的形式。

目前，微藻的大规模培养主要有三种方式:传统的敞开式跑道式培养、封闭式的光生物反应器培养和封闭式的发酵罐生产。

3.微藻的采收

微藻生长到指数生长期末期，微藻密度达到最高，即可采用一定的方法，将其从培养液中分离出来。

微藻生物量的采收过程是生产过程的一个限制因素，需根据微藻的特性及经济因素选择不同的方法和试剂，一般采用化学絮凝、离心和气浮三种方法。

4.以微藻为原料提取生物燃料

到目前为止，从微藻里提取生物燃料所使用的方法主要有直接液化技术、热解技术等。

高温高压液化技术或超临界流体萃取技术:可获得细胞中的油脂，再通过酯交换技术将其转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。

HTU技术（Hydro Thermal Upgrading Process）:另一种将生物质转化为液体燃料的工艺，将生物质材料置于装水的高压容器中软化成糊状，然后液化，经脱羧处理和去氧后获得生物原油。

利用微藻直接热解制备生物燃料:即在隔绝空气条件下加热使微藻生物质降解成气体、液体和固体等多种产物，包括快速热解（主要产物是焦炭，副产物为生物油）和慢速热解（主要产物是生物油和可燃气体）。

三、全球创新资源地图及国内外主要研发机构及技术

（一）全球创新资源地图

图2　海洋微藻能源全球创新资源地图

目前有关微藻能源技术的研究，无论是发明机构还是发明人均较为分散，但主要分布在美国、中国、澳大利亚、日本、韩国以及欧洲国家（图2）。数据显示美国在海洋微藻能源的研究应用方面占据了绝对的优势地位。

我国有关能源微藻的研究主要分布在北京、青岛、大连、上海的高校及科研机构中，仍属于实验室阶段的探索性研究，距离产业化还有非常大的距离。

（二）国内外主要研发机构及技术

该领域的研究机构大多同时涉及藻种选育、培养、采集、燃料制备等产业环节的技术研发，设计采用的集成系统，可完成微藻培养、采集、燃料制备等生产环节。国内外研发机构及相关技术见图3、图4。

图3　国外海洋微藻能源研发机构及技术

图4　国内海洋微藻能源研发机构及技术

四、海洋微藻生物质能源技术与产业发展现状

（一）专利技术分析

涉及海洋微藻养殖技术、富油藻种选育、微藻燃料制备技术等海洋微藻生物质能源技术的国际专利数量变化趋势见图5，其中横轴为时间，纵轴为专利数量。

图5　世界海洋微藻生物质能源专利数量发展趋势

通过对专利文献的检索分析可以发现:

1.发展进程

针对微藻的研究起步较早，前期主要涉及微藻大规模养殖技术和其他领域的应用，而微藻能源真正成为热点是在2005年以后。有关利用藻类生产生物燃料的专利，在20世纪90年代以前数量极少，到2000年后开始大幅度增长，尤其是2005年后数量激增，增长趋势十分明显，表明该领域的技术正处于快速发展期。专利的数量发展趋势及内容的相关程度，印证了海洋微藻生物质能源的发展进程。

2.国际布局

美国、中国、澳大利亚、日本、韩国以及欧洲国家的海洋微藻生物质能源技术的专利数量远高于其他国家的专利申请数量（图6）。数据显示美国在海洋微藻能源的研究应用方面占据了绝对的优势地位。藻类生物燃料市场主要由北美和欧洲的公司主导，同时印度、以色列和中国的一些企业也在逐渐加大在该领域的研发投入。

3.我国的技术分布

我国的大部分微藻专利权人为高校、科研单位（表1），反映出我国的微藻能源科研力量大多集中在大专院校及科研机构中，这类专利虽然有些处于比较前沿的地位，但是要想将这些技术成果转化为生产力，还需要与企业的合作，而国内企业在海洋微藻能源上的研发能力仍急需提高。

图6　以申请数量统计的海洋微藻能源国际专利区域分布

表1　我国主要研发机构及专利族数量

（二）国内外产业发展现状

进入21世纪后，藻类生物燃料的研究工作出现了新的进展。美国、日本、德国、印度等国政府都已投入大量的资金及启动相关的计划进行海洋微藻生物质能源的研究开发，如2007年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头、美国国内十几家实验室和上百位科学家组成的联盟宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”，计划近年内实现微藻制备生物柴油的工业化。国际上众多的科研机构、生物燃料公司、投资公司纷纷宣布开发微藻产油技术，在该领域投入大量资金，其中包括比尔·盖茨和洛克菲勒家族、国际石油巨头壳牌（SHELL）石油公司与雪佛龙（CHEVRON）石油公司、美国国防部、国家可再生能源实验室（NREL）、麻省理工学院（MIT）等，部分企业宣称已完成了中试，生产出了符合标准的生物柴油， 拥有规模化的商业化生产技术，微藻能源研究正从试验阶段逐步进入工业应用准备阶段。

我国拥有较长的海岸线和丰富的滩涂与湿地资源，非常适合微藻的大规模养殖。与此同时，我国的海洋生物质能研究也已取得了一定进展，在海藻种质资源和低成本生产技术上具备良好积累，发展海藻生物质能源具有明显优势。清华大学、中国科学院等高校和科研机构以及少数企业已在开展微藻能源研究工作。如2009年2月，中国科学院与中国石油化工股份有限公司在联合召开的“微藻生物柴油成套技术”项目启动会上宣布，近期要完成小试研究，2015年前后实现户外中试装置研发，远期将建设万吨级工业示范装置； 2009年4月，上海交通大学生命科学技术学院称，由上海市科委立项的微藻制油项目已取得小试阶段性成果。

总体而言，全球海洋微藻生物质能源基本上处于研究开发阶段，虽然部分企业宣称已完成了中试，生产出了符合标准的生物柴油， 拥有规模化的商业化生产技术，但仍没有一个国家正式推出工业化产品，目前正从试验阶段逐步进入工业应用准备阶段。我国目前的研究大多属于实验室的探索性研究，虽在微藻养殖上具有一定的资源和成本优势，但微藻油脂的提取、转化等技术仍然属于实验室的小试阶段性成果，极少见中试规模以上的实施案例报道，距离产业化还有非常大的距离。

（三）青岛市海洋微藻生物质能源产业的研发现状

青岛市从事海洋微藻能源技术研究的单位主要有中科院青岛生物能源与过程研究所、中科院海洋研究所、中国海洋大学等研究机构。

1.中科院青岛生物能源与过程研究所

中国科学院青岛生物能源与过程研究所建立了国内布局最完整的微藻生物能源关键技术研发体系，形成研究重点不同的研发团队，如:生物代谢工程团队对基因工程蓝藻合成乙醇、脂肪醇、脂肪烃开展了系列研究；能源藻类资源团队在微藻规模培养技术研究取得重要进展，提出了基于半干贴壁式的微藻培养新方法，该团队正在此项技术基础上进行能源微藻和经济微藻的规模化培养技术中试示范系统设计和建设。目前研究所取得了一批具有国内领先水平的研究成果，譬如:筛选获得高产含油微藻藻株10余株，其中2株具有良好的产业化前景；开发了高效、低成本、可规模化的微藻高密度培养工艺，微藻产率和培养密度较传统培养工艺系统分别提高了1.5倍和2.5倍；开发了微藻细胞经济高效连续气浮采收和湿藻泥油脂提取技术，大大降低了下游加工成本。

与此同时，该所加强了对外合作。2010年，与美国波音公司签署协议，共同投资建立“可持续航空生物燃料联合研究实验室”，致力于建立国际一流的航空生物燃料技术评价、微藻航空生物燃料技术、航空生物燃料加工炼制技术等研发平台，建成微藻航空生物燃料中试系统，提供高品质航空生物燃料产品，推动可持续航空生物燃料的技术研发与产业示范。

另外，由该所牵头，华东理工大学、中国海洋大学、中国石化石油化工科学研究院、新奥科技发展有限公司、青岛明月海藻集团等单位共同设立了“藻类生物技术与过程工程协同创新联盟”。

在产业化方面，该所平度中试与产业化示范基地落户平度高新技术产业区，多个项目已进驻中试基地开始试验及运行。在建成2000平方米微藻规模培养中试系统的基础上，计划到2015年建设一座产量为5000吨/年的微藻生物柴油产业化示范系统。

2.中科院海洋研究所

该所从具有完全自主知识产权的海洋微藻种质中分离筛选出十几株生长快、产油高、抗逆能力强的微藻株系，其中包括油脂含量在30%～40% 的高产能藻株；研制出适宜于微藻规模化培养的大型管道式光生物反应器，基本保持光生物反应器放大过程中比表面积不下降，解决了氧解析和二氧化碳补偿问题，并可通过计算机程序有效控制主要培养参数，同时实现自动化清洗。

3.中国海洋大学

该校拥有海洋藻类种质资源库，已收集600余株海洋藻类种质资源，目前保有油脂含量接近70%的海藻品种。申请相关专利6件，最早的专利出现在1985年，但仅有2008年后申请的2件专利涉及富油能源微藻的选育种技术及能源微藻的培养、燃料制备技术及设备。

（四）海洋微藻生物质能源技术研究热点和发展趋势分析

国内外的核心技术及研发热点基本趋于一致，主要集中在优良藻种选育（加快微藻的生长速度、提高微藻的光合效率、增加微藻的含油量）、高效低成本培养模式（提高产量、缩短周期、选择最佳环境条件和培养基组成的大规模养殖系统）、生物质能高效转化技术（生物发酵制备生物丁醇技术和发酵制氢技术，生产生物柴油的酯化反应技术、超临界萃取液化技术、高压液化技术，其他用于制取生物燃料的热解、气化技术）以及高值化综合利用模式等方面的研究。这些共性关键技术是海洋微藻生物质能源产业化的技术瓶颈。

尽管藻类生物能源的研究取得了很大进展，但目前所有藻类燃料公司所面临的最大挑战都是成本控制问题，微藻生物能源成本居高不下制约了产业的发展。在未来几年之内，藻种的筛选、技术的改善、产业规模化及设备制造成本下降，都将是直接影响微藻生物柴油成本下降的重要因素。目前在全部流程环节中，并没有哪一项技术占的成本比重最大，因此最终要在产油微藻产业化和商业化开发方面取得突破，必须在各个环节都着力降低成本。而进行以微藻油脂为主线，蛋白质、多糖、脂肪酸等的联产与综合利用，既是现代化工业技术对资源综合利用的必然要求，也是在目前技术条件下有效降低藻油生产成本、早日实现产业化的必由之路。

五、青岛市海洋微藻生物质能源产业发展建议

通过对海洋微藻生物质能源专利的分析，结合全球海洋微藻生物质能源的研究发展现状，针对我国及青岛市的专利情况、技术研发及产业发展趋势，提出以下建议。

1.加强顶层设计规划，科学制定产业发展战略

发展海洋微藻生物质能源已成为世界各国的重大国家战略需求。目前，美、英、德、澳、意和以色列等国已先后实施了有关产油微藻的开发项目。我国也应当根据当前国际海洋生物质能研究的特点和发展趋势，以微藻能源为重点突破领域，研究世界各国的发展战略，分析我国在该领域的战略需求、关键技术、发展节点目标与技术风险等，加强政府层面的顶层设计和规划，引导和组织相关高校、科研机构与企业联合实施国家级重大科学研究计划。青岛市作为海洋微藻生物质能源领域具有领先优势的地区，应当率先制定发展战略，对整个产业发展起到引领和带动作用。

2.加强核心技术研究，突破产业化技术瓶颈

目前国内外的技术研发热点基本一致，围绕微藻能源技术展开的竞争将越来越激烈。与此同时，各国的技术研发已呈现全面提速的态势，明显加快了产业化的步伐。青岛市海洋微藻基础研究力量较强，在海藻种质资源和低成本生产技术上具有良好积累，在微藻养殖的某些方面已达到国际领先水平，发展海藻生物质能具有明显优势。应加强富油藻种选育、高效低成本培养模式建立、生物质能高效转化技术以及高值化综合利用等核心技术的研发，突破产业化的技术瓶颈。

3.制定产品技术标准，加强技术评估与政策激励

在发展海藻产能技术的同时，应尽早制定海藻能源产品的技术标准，并加强能源海藻的环境评估，建立类似清洁发展机制（CDM）的产业模式，制定符合我国国情的环保激励机制或政策，从而保证海洋生物质能产业的健康可持续发展。

4.重视国际专利的申请，完善专利布局

目前全球的海洋微藻生物质能源技术尚未成熟，专利中涉及优良藻种选育、高效低成本培养模式、生物质能高效转化等核心技术方面的专利数量较少。我国在国内申请海洋微藻能源相关专利的较多，但国际化程度不高，在境外申请的专利远远低于美、日等国的申请量。在经济全球化的背景下，以专利为主要内容的知识产权越来越成为市场竞争的有力工具，应以战略的眼光，重视专利的全球性保护，青岛市也应充分把握这一有利时机，在技术上有所突破，并将研发过程中出现的阶段性成果及时申请国内外专利，尽快完善专利布局。

5.加强产学研合作，促进成果转化

我国的大部分海洋微藻生物质能源技术专利权人为高校、科研单位及个人，企业专利权人特别是生物燃料公司占比极小，没有形成以企业为主体的技术创新和产业化体系。专利数据显示近年来我国微藻能源的专利技术研发比较活跃，但专利技术产业化的能力明显不足。建议国家和青岛市政府选择拥有较强技术和人才优势的科研院所，建立微藻能源研发基地，提升自主研发和工业化配套技术研发能力；选择有雄厚技术积累和资金实力的企业，建立微藻能源产业化基地，不断增强规模化生产能力；以国家重大科技项目为纽带，促进微藻能源研发基地和产业化基地的紧密结合，促进青岛市海洋微藻生物质能源产业快速发展。

参考文献

[1] 李乃胜、 关于发展海藻生物能源的认识与建议[J].科学时报， 2009-02-09.

[2] 任小波等.海洋生物质能研究进展及其发展战略思考[J].地球科学进展，2009，4（24）:403-410.

[3] 刘永平.海藻生物燃料产业化开发的进展[J].中外能源，2009（14）:31-38.

[4] 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[J].南方水产，2009，2（5）:74-80.

[5] 钱伯章.微藻生产生物燃料及其技术进展（下）[J].太阳能，2009，11:33-35.

[6] 李雪静等.藻类生物燃料研究开发进展[J].中外能源，2009，4（14）:23-26

[7] 孟琳达.微藻变身成航空燃料 10年后将实现产业化，半岛网-半岛都市报，2010-05-28.

[8] 李乃胜.立足自主创新，发展新型海藻能源产业[J].红旗文稿，2009，16:28-30.

[9] 郑洪立等.产生物柴油微藻培养研究进展[J].中国生物工程杂志，2009，29（3）:110-11.

编写:朱延雄　赵　霞

编审:谭思明　李汉清