海藻种类多样、光合作用效率高、生长周期短、生物产量高、自身合成油脂能力强，同时还能大量吸收C02，是制备生物柴油最佳的生物质原料之一。国内外对海藻生物燃料技术的研发均取得一定成果。海藻生物柴油的生产过程主要包括海藻大规模培养、海藻油萃取、酯交换反应、生物柴油后处理4个步骤，而最重要的是海藻的大规模培养。光生物反应器已成为高效、快速、大量培养藻类的关键设备，其一般分为开放式和封闭式两种。AlgaeLink NV公司的海藻光生物反应器是目前世界上唯一已商业化的小型装置。我国企业采用自主研发的反应器装置，通过对环境条件因素进行控制，在技术上已达到海藻含油率40%，日产量1-1.4kg／m3。当海藻含油率达到60%，日产量平均达到3kg／m3以上时，海藻生物柴油的生产成本将接近石油柴油的批发价，海藻生物柴油产业将成为一个新兴的替代能源产业。
1 前言
生物质能源是清洁的可再生能源，是优质的石油能源替代品。大力发展生物质能源对经济可持续发展，推进能源替代，舒缓环境压力，控制大气污染具有极为重要的战略意义。
海藻是海洋植物的主体，是生长在海洋中的低等光合营养植物，且种类繁多。藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的物质，而且还含有各种氨基酸、维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其他多种生物活性物质。随着全球性资源短缺压力的日益增大，开发和利用海洋藻类将是长远解决人类食品资源和能源的重要途径。
2 海藻是制备生物柴油最佳的生物质原料之一
海藻种类多样、光合作用效率高、生长繁殖快、生长周期短、生物产量高、自身合成油脂能力强，是制备生物柴油最佳的生物质原料之一。海藻与油料作物相比，其细胞生长是指数式的生长繁殖方式，而且很多海藻含油率都在20%-50%，某些海藻(干质量)的含油率甚至可以达到77%。
海藻不但油脂含量高，而且直接从海藻中提取得到的油脂成分与植物油相似，可以作为生物柴油原料替代石油直接应用于工业。油料植物具有占用耕地面积大、生长周期长、受气候影响等问题，不能成为生物柴油原料油脂供应的长久之策。而海藻以简单分裂方式进行繁殖，生长周期短，易于大规模培养，不受气候限制，只要阳光充足就可以进行大量繁殖，同时还能大量吸收C02。以海藻为原料既可以生产可再生的生物燃料，也可以吸收化石燃料所释放的C02。通过建立生物能源工厂，用海藻生长系统大规模繁殖海藻可不受场地、气候等变化的影响，除设备维修外可以连续生产，这将是解决今后能源问题和C02减排的一个重要途径。
美国能源部已经制定目标，希望到2030年美国运输燃料的30%可用生物燃料代替。乙醇是生物燃料研发的一个近期目标，但使用玉米生产乙醇已导致粮食价格上涨。在替代石油的燃料来源中，海藻处于领导地位。1978-1996年，美国能源部在从海藻开发可再生燃油的项目中投资2500多万美元，项目技术路线分为两步——第一步，收集和鉴定油脂含量高的海藻品种，确定其生产条件；第二步，设计和运行大规模的示范性海藻生长系统，引用第一步实验室开发的海藻品种生产生物燃油。通过研究发现，一些含油藻类是潜在的油脂生产原料，筛选出的一些富含油的藻类光合作用转化效率可达到10%以上，含油率达50%。
当前对海藻进行高密度培养的技术难题非常明显，而且成本太高(是石油柴油的2倍多)，10多年前美国就暂停了对海藻的研究。该项目虽然没有达到预期目标，但在科学研究方面的确取得了重大进展。确切证实海藻具有极强的生长能力，在单位面积及单位时间上比陆生作物能提供更多的能量，更重要的是，单位面积海藻所生产的油脂量要高于陆生油料作物30倍；其次，与需要灌溉的农作物相比，生产海藻所需要的淡水会大量减少；第三是水产养殖系统的肥料利用效率要高于土壤。海藻产量很高而所需资源较少，因此海藻生长系统的生产成本比陆生植物低。另外，海藻细胞结构简单，转化太阳能的效率更高。海藻细胞在水中悬浮生长，能够高效利用水、C02及其他溶解性营养物质。全球石油俱乐部(The Global Petroleum Club)评估结果显示，1hm2海藻1年能生产96000L生物柴油；与之相比，1hm2油椰子1年生产5950L生物柴油，而1hm2大豆1年只能生产446L生物柴油。
由于石油价格上涨，美国政府和各个大型石油公司又对从事海藻再生能源研究的机构进行了大规模资助。近年来，科学家在实验室中利用海藻生产生物柴油取得了突破性进展，应用现代生物工程技术，已经开发出含油率超过60%的工程海藻，实现了海藻油脂的提取和生物柴油的制造，正由实验室转向小规模工业化生产。
3 海藻生物燃料技术研发最新动态
3.1 国外海藻生物燃料研发成果
美国Valcent公司2007年12月发布的试验报告表明，该公司利用高密度垂直式生物反应器持续90天，每天平均获得1g／L海藻干物质，根据试验结果推算，相当于每年每英亩(1acre=4046.86m2，下同)海藻干物质产量可以达到276t，干物质油脂含量达到50%，因此每年每英亩可以生产：138t生物柴油。美国Algae Bio Fuels公司于2007年4月宣布，向澳大利亚转让由海藻炼制生物柴油技术，生产装置包括设计产量2000X104gal／a(1gal=3.785L，下同)生物柴油的生物燃料炼油厂。西班牙生物燃料系统公司利用绿藻研制出能不断循环吸收CO2的可再生“生态石油”，目前每天能够从2m3的水中生产6kg的“生态石油”，比种植大豆等生物燃料作物的效率要高数千倍，而且使用土地面积少，侵害性也不大。荷兰AlgaeLink NV公司2007年10月开发的海藻光生物反应器系统是目前世界上唯一商业化的小型试验装置，可以生产海藻干物质1—1.4kg／(m3.d)。美国Green Fuel Technology公司建立了一个用塑料袋作反应器装置的试验厂，试验结果表明，生产的海藻干物质平均近100gl(m3.d)，有几天产量甚至达到170gl(m3.d)。美国Green Fuel公司2008年10月宣布，将在亚利桑那州建立规模为100hm2的藻类温室，生产藻类生物量25000t／am。以色列Seambiotc公司将建一个10.8X104t／a的生物燃料生产厂，该项目将于2009年启动，发电厂产生的CO2将被送入新建装置，与海藻一起制备生物燃料。
2008年7月，美国能源部资助燃料委员会的高效加工藻类生物油脂生产生物柴油项目，燃料委员会预计此项研究将会实现大规模利用海藻为原料生产生物柴油。
3.2 国内海藻生物燃料研发动态
中科院海洋研究所获得了多株系油脂含量在30%-40%的高产能藻株，海藻产油研究取得多项重要成果，如细胞密度达到20g／L，产油量7g／m2(是目前农业种子产量的2倍)；海藻每天能在1m2光照面积内生产35.3gAFDW(去灰分干重)，该生物量相当于46.4g植物种子量，是目前高产农田产量的11倍。中国海洋大学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。
2008年10月，海南绿地微藻生物科技有限公司利用C02养殖微藻并转换成生物柴油获得成功，在其养殖试验基地收获的干藻粉含油率达到28%-32%。该公司计划投资2980万美元在海南建设干海藻项目，投产后将形成年产生物柴油30x104t的生产能力。2008年12月，河北新奥集团称，已经在光生物反应器、生物柴油制备等藻类生物质能源技术领域取得了10余项具有自主知识产权的技术成果，以海藻为原料，成功进行了生物柴油和生物燃气的中试，预计在3—5年内逐步实现藻类生物能源的产业化。2009年2月，中国科学院与中国石化在联合召开的“海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海藻制油项目已取得小试阶段性成果。
4 海藻光生物反应器的工业化开发
海藻生物柴油的生产过程主要包括海藻大规模培养、海藻油萃取、酯交换反应、生物柴油后处理4个步骤，而最重要的是海藻的大规模培养。海藻光生物反应器已成为高效、快速、大量培养藻类的关键设备，多个国家在开发研制新型高效光生物反应器及海藻高密度培养的应用研究方面都取得了突破性进展，采用工业生物技术对海藻进行物质转化，大规模工业化生产海藻生物柴油已成为可能。
4.1 海藻光生物反应器分类
海藻光生物反应器一般分为开放式和封闭式两种类型。
开放式光生物反应器即开放式养殖池培养系统，其结构简单、容易放大、成本低、比表面积小、光能利用率低。培养特点是对生长参数难以控制，培养环境不稳定，容易污染，不能实现无菌培养，产率较低，C02利用率低。
封闭式光生物反应器是用透明材料组建的一类生物反应器，除了能采集光能外，其他诸多方面与传统的微生物发酵用生物反应器相似。封闭式光生物反应器培养条件稳定、可无菌操作、容易进行高密度培养。封闭式反应器有多种形式，如发酵罐式、管式、平板式和柱状气升式等。封闭式光生物反应器结构复杂、放大较难、成本较高、比表面积大、光能利用率高。培养特点是生长参数容易控制，培养环境非常稳定，容易控制污染，能够实现无菌培养，产率较高，C02利用率较高。
目前，全球真正商业化的光生物反应器装置仅Algae Link公司一家，其他公司实际上都还在小试阶段，虽有称进行了中试，但实际并不是一个从生产海藻到生物柴油全过程的真正的中试。
4.2 开放式光生物反应器
采用开放式光生物反应器生产海藻的公司主要包括：新西兰的Aquaflow Bionomic公司；美国的Aurora BioFuels公司、PetroAlgae公司、PetroSun公司；英国的AlgaeVS公司；墨西哥的BioFields公司和以色列的Seambiotc公司等。
采用开放式光生物反应器生产海藻的原理与螺旋藻养殖池基本一样，将养殖池直接暴露在空气中。海藻养殖池通常为跑道式椭圆形水泥池，一个弯道较好，多弯道会损耗能量，减缓池水流动速度，从而降低产量。藻种池由几个从小到大逐步扩大的池子组成，为了操作方便，藻种池一般建在大池的旁边。多数培养池设计成可循环式，培养液的深度为15—25cm，池高约40—50cm，用搅拌机搅动，以日光为光源和热源。开放式养殖池存在以下问题：
①培养效率和单位面积产率低，海藻的光能利用率最大可达18%，而采用这种养殖模式，海藻的光合效率仅为1%；
②生产过程的培养条件，如光照、温度、pH值等难以控制，不能达到最优化；
③容易受污染，由于养殖池是开放的，外界的异物、害虫及杂藻会进入池内造成污染，严重时使养殖失败；
④海藻生长的最适宜温度在25-35t范围内，利用自然条件养殖海藻受地区和季节影响较大，在低温季节生产处于停滞状态，延长了生产周期，降低了生产效率。
开放式养殖池的优点：建设投资较低；海藻可以自由吸收空气中的C02，不需要再投资建设昂贵的捕集和储存C02的装置，可以节省C02作为海藻生长最主要原料所需的大量费用，生产成本低。
开放式养殖池的缺点：随着海藻生长繁殖密度的增加，光线对海藻培养系统中液体的穿透能力随之降低，最低时光线只能穿透液面以下7.610cm，使得培养池海藻产量较低；想要获得满足工厂生产规模所需的海藻干物质，需要占用上千亩的土地建设大批的养殖池，这对于我国人多地少的情况是不现实的。
使用开放式养殖池生产海藻来满足大规模工业化生产生物燃料的应用，目前尚未见报道。
4.3 封闭式光生物反应器
目前，各国海藻生物柴油公司研发的封闭式反应器主要有软管式、罐式和管道式3类。
4.3.1 软管式反应器
采用软管式反应器生产海藻的主要有：美国的Solix Biofuels公司、Vertigro Process公司、GreenFuel Technology公司、A2BECarbon Capture公司和德国的Phytolutions公司等。
美国Solix公司研发了多种反应器系统，其中Alpha系统与A2BE公司的反应器系统原理相似(见图1)，都是由两个巨大透明的扁平特种塑料软管组成，上面支架上各有一个可以移动挤压软管的辊筒，辊筒沿着软管两边的轨道来回运动，迫使软管中的藻液发生运动，这样不但使12in(lin=25.4mm)深软管内最上层的海藻接受阳光，也可使反应器液体底部的海藻运动到管的上面接受阳光，克服了通常光合作用只是在液体表层进行的障碍，使海藻生长效率得到提高。Solix公司预计，采用该技术每年每英亩可以生产1500gal燃料。
美国Vertigro公司的光生物反应器是一种垂直悬挂的、由封闭塑料袋组成的海藻生长系统，(见图2)，水泵将地下一个恒温储罐中含有海藻和营养液的混合培养液输送到3m高的塑料袋顶端，在重力作用下液体自动进入塑料袋中间多个相互水平连接的透明软管中，海藻在阳光下进行光合作用。当海藻生长达到一定密度(1.5g／L)，开始从袋的底部收集海藻液。在24h内提取1／2的藻液，将海藻分离出来，分离后的藻液回流到储罐。通过设置提取比例与海藻重新生长到预定浓度的速度相适应，形成一个可以持续循环的生长系统。Vertigro公司认为，按照这种系统设计，Iacre悬挂2x104袋组成1个模块，每年可生产10x104gal的生物柴油。
德国Phytolutions公司则是由透明塑料软管组装成V字形的反应器(见图3)，从电厂烟道引来的废气被注入到温室外一个由海藻和盐水组成悬浮液的泡沫反应器中，废气与悬浮液混合，将C02吸收到饱和。去除CO2的废气离开悬浮液，通过烟囱排放到空气中。
富含CO2的海藻悬浮液被引入温室注入光反应器，反应器被置于温室之中，温室需要的热量山附近电厂冷却塔的余热提供。在温室中，温度相对恒定且有充足的营养和光照，能够加快海藻的增长速度。光反应器占地600m2，可容纳约52m3的海藻悬浮液。悬浮液通过细软管从反应器顶端注入，然后从软管底端排出。同时，在反应器底部泵入空气对悬浮液进行搅拌。塑料软管受光表面积大，可以获得更多的光照，海藻在反应器中接触阳光快速生长，并从悬浮液中吸收光合作用所需要的CO2。悬浮液的酸碱度值显示出C02的含量，反应器装有传感器，根据测量数据控制反应器富含C02的悬浮液的注入量，排出的悬浮液被重新送入泡沫反应器。(来源：《中外能源》2009年第9期 作者：刘永平)
