第24卷　第4期2009年4月地球科学进展ADVANCES I N E ART H SC I ENCEVol.24　No.4Ap r.,2009文章编号:100128166(2009)0420403208海洋生物质能研究进展及其发展战略思考①任小波1,吴园涛2,向文洲2,秦　松3(1.中国科学院资源环境科学与技术局,北京　100864;2.中国科学院南海海洋研究所,广东　广州　510301;3.中国科学院海洋研究所,山东　青岛　266071)摘　要:生物质能的研究与开发的目的是解决化石资源短缺和温室气体排放等全球性问题。

利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前生物质能产业化开发的重要内容,其原料来源主要依赖农作物,从而导致了生物质能开发与粮食、耕地和水资源竞争的局面。

海洋生物质能的开发和利用为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。

介绍了海洋生物质能的国内外研究进展,分析了有关国家战略需求和关键科学问题,提出了我国发展海洋生物质能的战略思考和下一步的研究重点。

关　键　词:海洋生物质能;微藻;大型海藻;生物燃油;燃料乙醇中图分类号:S216;P745 文献标志码:A1　前　言化石资源短缺和环境污染是当今经济和社会发展所面临和必须解决的两大问题。

一方面,有限的化石资源日趋耗尽,石油短缺和价格上涨已经成为制约全球经济发展的重要因素之一;另一方面,化石资源利用造成严重的环境污染,并可能导致全球变暖和灾害性气候频发等系列问题,由此造成每年数千亿美元的损失。

上述危机已经引起全球有识之士的关注和思考:人类如何减少和摆脱对化石资源的依赖,如何改变目前高消耗、高污染的经济发展模式?作为上述问题的答案,寻求可再生能源替代化石资源、建立可再生能源支撑下的经济社会可持续发展的新模式,顺利渡过“后化石经济时代”并最终进入“无化石经济时代”,已经成为全球的共识。

许多国家纷纷投入巨资积极开展相关研发工作,生物质能的开发就是其中一项重要的组成部分。

利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前全球生物质能产业化开发的重要内容。

一方面,由于目前的生物质能开发主要以农作物为原料,导致了与粮食、耕地、水等资源竞争的局面;另一方面,上述原料的发展空间有限,难以满足未来市场的需求。

海洋生物质能的开发为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。

本文将全面阐述国内外海洋生物质能研究开发的现状和未来发展战略的思考,为我国海洋生物质能研究和开发提供参考。

2　国内外海洋生物质能研究现状生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,它以生物质为载体,直接或间接地来源于植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,替代煤炭、石油和天然气等化石燃料,可永续利用,具有环境友好和可再生双重属性。

生物质能产业发展潜力巨大、前景广阔,但是目前产业化的主要瓶颈是原料来源、生产成本等问题,海洋生物质能的研究和开发,可能为生物质能产业提供充足和廉价的原料供应,成为当前全球生物质能研究开①　收稿日期:2009202205;修回日期:2009203204.3基金项目:国家自然科学基金项目“生物产氮(N2)新途径———绿藻MC21光合氨氧化作用的代谢机制探索”(编号:40776087)资助.　作者简介:任小波(19712),男,四川合江人,副研究员,主要从事大气科学和海洋科学的科研管理工作.E2ma il:xbren@发的新方向。

2.1　海洋生物质能开发的特点和优势海洋生物质能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,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。

海洋藻类是石油、天然气等现代化石能源的古老贡献者,可以利用海洋、盐碱地等不适合粮食作物生产与林木种植的空间进行规模生产,成为当前生物质能研究领域的热点,已经引起了全球各界的广泛关注。

2.1.1　海洋微藻生物质能开发的特点和优势海洋微藻生物质能的研究一直是国际生物质能研究的重点,甚至有一些学者认为微藻是解决能源与环境问题的终极出路。

海洋微藻生物质能开发具有以下特点和优势:(1)生长速度快,光合效率高:微藻是光合效率最高的光合生物之一,可能提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。

(2)适应能力强,不争地,不争水:一些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;利用封闭式光生物反应器培养微藻,生产相同量的生物质,其耗水量仅为农作物的1%。

(3)大量积累脂质,因而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。

(4)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(CO2、NO2)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,一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制(Carbon Concentrating Mechanis m, CC M)直接吸收CO2并转化为碳酸氢(盐),具有显著减排效应,有望进行商业化减排。

(5)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。

2.1.2　大型海藻生物质能开发的特点和优势大型海藻含有丰富的碳水化合物(海藻胶、纤维素、海藻淀粉等)和甘露醇,可以转化为燃料乙醇等,有关研究已有多年的积累,大型海藻生物质能开发具有以下特点和优势:(1)产量高,可大规模栽培。

(2)不占用土地与淡水资源,可以避免海洋生物质能开发对粮食安全的影响。

(3)有利于保护海洋环境,预防海洋灾害:大型海藻的栽培可以有效吸收富营养化元素,抑制赤潮发生;还可通过光合作用吸收利用CO2,产生显著的减排效益。

(4)大型海藻木质素含量比陆地植物少得多、藻体柔软、机械强度不高,因此容易被破碎和消化,从而可以降低燃料乙醇等的生产成本。

(5)整个藻体均可用于生物质能开发,剩余的原料可以通过综合利用,做到“吃干榨尽”。

2.2　海洋生物质能研究的历史和现状在面临能源危机和环境污染的国际背景下,早在20世纪70年代美国、日本、西欧等国家就开始了海洋生物质能的前期探索和研究工作,如美国的海洋生物质能源计划(1974)、水生物种计划(1978);日本的新能源开发计划(阳光计划,1974)、节能技术开发计划(月光计划,1978)、环境保护技术开发计划(1989)、能源与环境领域综合技术开发推进计划(新阳光计划,1993);印度的乙醇利用计划(1975)、巴西的乙醇能源计划———普洛阿尔库尔计划(1976)等。

经过多年的研究和开发,很多国家以粮油作物为资源的生物质能开发已实现了规模化生产。

但是逐渐引发了粮食、耕地和水资源危机,以及土壤结构和植被生物多样性破坏等生态问题。

联合国近期公布的分析报告指出,生物质能的开发对粮食涨价的贡献达到了75%。

由于上述原因,2008年,美国与欧盟相继修正甚至中止了利用农作物开发生物质能的项目。

美国、欧盟、澳大利亚、日本、印度等国政府和企业都投入了大量资金来进行海洋生物质能的开发,力图改变当前以粮食作物为主要原料的局面,试图提出一种全新的解决思路。

2.2.1　海洋微藻生物质能的研究:美国的“水生物种计划”(ASP)和微藻产油产业化研究热点20世纪70年代末,由于当时的能源危机,美国政府针对能源微藻启动了“水生物种计划”(Aquatic Species Pr ogra m,ASP,1978—1996)。

ASP计划由美国可再生能源国家实验室主导,开展包括产油微藻优良藻种的筛选、产油微藻的培养模式、油脂代谢的调控与分子操作、产油微藻的减排效应等方面的研究,重点方向为产油微藻藻种的分离筛选和产油微藻的培养。

该计划获得了以单细胞绿藻和硅藻为主的数百种具有产油潜力的微藻,在加州沙漠与夏威夷海滩分别进行了2个工厂化中间试验,并且建立404 地球科学进展 第24卷了一些有效提高微藻油脂含量的方法,还带动了80～90年代全球性产油微藻的研发热潮,推动了海洋微藻产油技术的基础理论和产业化实践的发展。

ASP计划的研究结果表明:筛选生长快、含油量高、适应能力强的优良藻种是产油微藻开发的核心问题,建立低成本的培养模式是产油微藻的应用技术难题,而相对低成本的开放式培养是最有前景的培养模式。

经推算,微藻产油可望有效解决能源危机,利用20万hm2沙漠培养微藻,每年可生产75亿gal 生物柴油,而利用15%的Sonora沙漠(位于美国中西部)面积即可生产出足够的生物柴油完全替代美国运输业的需求。

从20世纪80年代初期开始,以保健食品、饲料、功能性活性成分为开发目标,微藻大规模养殖技术取得了重要进展,螺旋藻、盐藻及小球藻均建立了低成本的产业化培养技术,为产油微藻的开发提供了良好的借鉴体系。

微藻产业化培养设施包括开放式光生物反应器、封闭式光生物反应器以及封闭/半封闭式光生物反应器等多种方式。

其中开放式光生物反应器的培养方式出现最早,但是其培养方式要求微藻能够适应极端盐碱条件,因此大多数微藻不能采用这种方式。

封闭式光生物反应器可以避免敌害生物的污染并能提高生产效率,但是由于成本过高,以及反应器设计方面的技术难题,目前还难以应用于产油微藻的产业化生产。

实践表明:简易、低成本的封闭/半封闭式光生物反应器,并与开放式反应器耦合,可在不显著增加成本的基础上大幅度提高微藻的生产效率,并减少雨水、蒸发等因素对开放式培养效率的不利影响,降低开放式培养对水源供应的依赖,可能为产油微藻的产业化生产提供借鉴。

2007年初,当布什总统宣布在今后10年内,用生物质燃油取代10%的全美石油消耗量的计划后,国际上已有数十家公司和机构纷纷宣布开发微藻产油技术,其中包括国际石油巨头壳牌(SHE LL)石油公司与雪佛龙(CHE VRON)石油公司、美国国防部、国家可再生能源实验室(NRE L)、麻省理工学院(M I T)以及美国最大的生物柴油公司L I V EF UEL 等,最大规模的产油微藻试验面积已达数十万平方米。

同时,英国、德国、澳大利亚、意大利、以色列等国先后实施了有关产油微藻的开发项目。

海洋微藻生物质能的研究,成为当前国际生物质能研究的热点和重点领域,陆续有一批重大的研究计划准备开展实施。

2.2.2　大型海藻生物质能的研究:美国的“海洋生物质能源计划”(Marine B i omass Pr ogra m,MBP)和日本“海洋日升项目”(Ocean Sun2rise Pr oject,OSP)在人类开发海洋藻类资源的历史进程中,大型海藻主要被用作重要的食物与化工原料来源,其栽培技术已经得到长足发展。