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yexuqing

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最强的生物燃料——“藻类”
最强的生物燃料——“藻类”（上）
2010/04/22 00:00
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　　作为不依赖于化石资源的燃料，生物燃料逐渐得到普遍认可。但在应用上，使用高等植物的现有手段还存在极限。其原因在于单位面积的收获量较小，并且还会浪费珍贵的水资源。作为解决之策，业界开始开发使用藻类的生物燃料。这样的话，不仅单位面积的收获量可达到现有手段的3～40倍，而且基本上不用水。不过，要想实用化，今后还必须要降低成本，不断摸索与吸收CO2相结合的方法。
　　日本经济产业省2010年3月5日就生物燃料提出方针，表示“按LCA（生命周期评估）计算，如果CO2减排量达不到50％以上的话，就不能获得碳中和（Carbon Neutral）认证”。这是一项非常严格的规定，目前只有利用巴西现有农田种植的玉米、日本国内的甜菜以及建筑废料制成的燃料能够获得碳中和认证。对于目前仅靠经济合理性尚无法成立、依赖于扶持及补助的生物燃料来说，能否获得碳中和认证，将关系到其盈利与否。这样一来，通过开辟森林来栽培燃料用植物的业务模式就变得不再可行。
　　而藻类则可解决这一问题。通过养殖藻类来制备燃料的技术从生物学阶段迈向工程学阶段。荷兰壳牌（Shell）、美国埃克森美孚（Exxon Mobil）等石头巨头，以及美国陶氏化学（Dow Chemical）等化学品厂商已开始着手开发。其中，埃克森美孚甚至投入了超过6亿美元的巨资，其力度之大可见一斑。美国拥有大约200家生物风险公司，大量风险投资纷纷涌向通过养殖藻类来制备燃料的领域。
　　在日本的汽车关联厂商中走在前列的是日本电装。该公司已开始在基础研究室内进行藻类培养（图1）。培养了两种目前最受关注的微细绿藻（Pseudochoricystis）*及葡萄藻(Botryococcus)*。在微细绿藻方面与庆应义塾大学、中央大学及京都大学合作，而在葡萄藻方面则与筑波大学合作，基本囊括了日本国内的主要参与者。
*准确的名称为Pseudochoricystis ellipsoidea。是一种绿色的单细胞植物。
*准确的名称为Botryococcus braunii。葡萄藻除了braunii之外，还有两种。

图1：电装的培养装置
各种藻类大量排列在一起培养。
　　微细绿藻是日本海洋生物技术研究所的藏野宪秀等从温泉中发现的，电装挖来藏野并以其为研究骨干开始研究。在该研究所关闭后，电装获得了该研究所转让的微细绿藻使用权。
可制造大量燃料
　　藻类的优势在于单位占地面积的收获量较大。目前开发的藻类，其目标值为每公顷土地每年可制造684GJ的燃料（图2）。

图2：各种生物燃料的单位面积收获量
（a）为生物柴油燃料，（b）为生物乙醇。藻类虽然远远高于高等植物，但不及太阳能电池。
　　如果用高等植物来制造生物柴油燃料（BDF）的话，大豆为17GJ，油菜籽为46GJ，油棕榈为230GJ，因此藻类可达到这些作物的3～40倍。另外，在生物乙醇的原料中，玉米为64GJ，甘蔗为141GJ，而改用藻类的话，则可达到5～10倍。
　　不过，在相同面积上设置太阳能电池的话，一年便可“收获”4800GJ。因此有争论认为，“如果是铺设太阳能电池，而不是制造生物燃料的话，或许可以驱动EV（电动汽车）”。但问题是太阳能电池的初期投资很大，而且车载充电电池的价格目前也较高，在经济上并不划算，因此从发动机车型仍将长期处于主流地位来看，最好还是进行综合判断。
　　虽说如此，如果在收获量的数字上处于绝对下风的话，“进行综合判断”的建议自然也无法站住脚。生物燃料要想与太阳能电池竞争，只有凭借藻类而非高等植物，才有取胜的希望。
　　通过澡类能够获取大量能源的原因在于其生物效率较高。微细绿藻的细胞大小为5μm，是一种小型、单细胞、无干无枝无根的藻类（图3）。而葡萄藻是一种以群簇（同类细胞聚集而成的群）形式存在、藻体大小为30～500μm的藻类。这两种藻类均浮游于水中，无需生成用于支撑自已的构造物，因此不耗费能源。通过光合作用生长繁殖，生存方式十分简单。

图3：微细绿藻的显微镜照片（a）该藻类是5μm左右的微生物。（b）染色后，油脂呈黄色。
　　藻类不仅节省土地，还不会浪费水资源。在农业用水原本就面临枯竭的当今时代，如果生物燃料的产量不断增加，就会危及到水资源的供应。高等植物将气孔蒸腾作为抽水泵来为各细胞供应水分。具体而言，就是进行超过光合作用所需水量的蒸发，凭借水分失去后形成的“负压”，通过根来汲取水分。而作为水生单细胞植物的藻类则是通过扩散由细胞膜吸入水分，因此只要水量能够完成光合作用即可。（未完待续，记者：浜田基彦）
■日文原文：最?姢违啸ぅ剂稀ⅰ冈濉�

最强的生物燃料——“藻类”（中）
2010/04/23 00:00
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上接本站报道：【绿色器件】最强的生物燃料——“藻类”（上）
无需后处理即可直接用作燃料
　　另外，通过藻类获得的燃料，其质量还有望超过由高等植物获得的燃料。通过高等植物制造出的燃料为淀粉、油脂及纤维素等多种物质。但是，除了油脂之外，其他物质都不能直接形成燃料，需要进行发酵等处理制成乙醇，工序颇为复杂（图4）。这一过程不仅会使获得的能源有所减少，而且还要投入设备成本。

图4：制造生物燃料的工序利用高等植物时需要进行复杂的工序。
　　而藻类可直接生成油脂。准确的说，在能够生成油脂的藻类中，可供选择的就是微细绿藻及葡萄藻。由于本身已经是油脂，因此通过最小限度的工序即可制成燃料，省去了发酵等麻烦。
　　在微细绿藻和葡萄藻中，构成油脂的分子不含氧元素（O）或含量极少。高等植物形成的油脂准确地说并不是油脂，而是统称为生物柴油燃料的物质，在碳元素（C）排列中含有氧元素。这些氧元素可在长期内引起发动机受损，以及在固化温度高的实用区域出现凝固等问题。这就是现在轻油只能按几个百分点混合生物柴油燃料的原因。
　　目前被看好的微细绿藻和葡萄藻各具特点。微细绿藻可生成相当于轻油的油脂，而葡萄藻可生成相当于重油的油脂。要说缺点的话，只是微细绿藻的外壳坚硬，油脂难以提取，而葡萄藻则需要花时间进行培养。
　　微细绿藻具有在氮元素（N）不足的环境中会大量形成油脂的特点。可形成约为干燥重量30％的油脂。估计这是藻类在氮元素这一重要营养不足，生存受到威胁时，“作为一种防卫反应进入了休眠状态，并在其间存储油脂作为苏醒时使用的能量的结果”（庆应义塾大学尖端生命科学研究所研究员伊藤卓朗）。由于生成油脂时微细绿藻的生长、繁殖也会停止，因此实际上要分为充分供给氮元素使其生长、繁殖的阶段，以及停止氮元素的供给使其生成油脂的阶段。
　　微细绿藻增殖迅速。8～9小时内细胞数量即可达到2倍。但葡萄藻只有其几分之一。由于是几何倍增，因此两者差距巨大。
　　而葡萄藻则具有可在自已细胞的外侧生成油脂的特点（图5）。在“收获”油脂时可将油脂与细胞分离，只提取油脂。可获得为干燥重量20～75％的油脂。而且，分离后的细胞还可复原，循环使用，继续生成油脂。
　　无论是普通藻类，还是高等植物，在收获时一般都要杀死其个体。这样的话，此前在繁殖、生长过程中用掉的能源就会被浪费。而且在处理藻类“尸体”时，还要投入能源和劳力。而如果能够循环再利用的话，就不会出现这种浪费。这就是将藻类当“肉牛”饲养与当“奶牛”饲养的不同。

图5：葡萄藻的显微镜照片（a）可形成群簇。（b）染色后，油脂呈黄色。油脂在细胞外面。
成本仍然较高

图6：人工费明细油脂提取所占的比例较大。　　筑波大学对两种藻类的能源收支进行了推算，估计能源投入的回收时间（能源回收期，Energy Payback Time）为0.19年。而风力发电为0.2～2.0年，住宅用太阳能发电为20年以上，因此利用藻类的手段十分实用。
　　但问题并不在于能源，而在于金钱收支。利用日本国内的30万公顷弃耕地培育葡萄藻，制造生物柴油燃料时，售价为155日元/L。而油菜籽为500日元/L，油棕榈为714日元/L，因此藻类在生物燃料方面已具备竞争力。不过，以废食用油为原料的生物柴油燃料为72～87日元/L，更具优势。但这一数值是以志愿者提供废食用油，不花费回收费用为前提计算成本而来的。
　　所以，如果不与化石燃料对比的话，藻类生物燃料就不能充分体现其存在价值。通过化石燃料制造的柴油燃料，其售价只有110日元/L多一些，因此藻类生物燃料还需要降低这只差一步之遥的成本。据电装推算，生物燃料的具体成本从大到小依次为折旧、人工费、提取、收获、培养。人工费具体而言依次为油脂提取、收获、培养（图6）。
　　藻类生物燃料虽说单独来看的话价格竞争力略显不足，但是还可考虑以副产品等其他手段来平衡收支的方法。
　　其中一个方法是使其兼具CO2吸收装置的用途。也就是用其对发电站及炼铁厂商等排放的CO2进行光合处理。这样，便可通过排放权交易获得收入，从而降低燃料成本。
　　电装认为倒不如将重点放在这一方面，“决定在将藻类制成燃料之前，先以吸收、固定CO2为目的”（电装基本研究所第8研究室室长渥美欣也）。而对于汽车用燃料，该公司则定位于“可作为长期目标”这一次要位置。

　　另外，在吸收CO2的使用方法上也可充分发挥本身为藻类这一优点。如果利用高等植物来吸收CO2的话，如何使CO2到达叶绿素是一个大问题。为了将CO2输送到叶子附近而铺设管道是几乎不可能的事情。虽然也可进行温室栽培，在温室中充满CO2，但是利用温室栽培甘蔗和玉米的情况并不多，在这种情况下投入CO2吸收专用设备的话并不划算。而藻类不同，利用向水中吹送的方式，CO2便可到达细胞。
　　除了排放权以外，还有其他收入途径。比如，使用排污水中的有机物来培育藻类，收取污水处理费。
　　而反过来说，还可考虑出售在藻类培育过程中产生的物质。如果能够从藻类中提取部分成分，获得医药及保健食品等高附加值产品的话，即使降低燃料价格也可确保盈利。电装将MicroAlgae吸引到了共同开发成员中，该公司原本就是营养补充剂的产销公司，拥有这方面的技术经验。（未完待续，记者：浜田基彦）
■日文原文：最?姢违啸ぅ剂稀ⅰ冈濉�
最强的生物燃料——“藻类”（下）
2010/04/26 00:00
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上接本站报道：【绿色器件】最强的生物燃料——“藻类”（上）、（中）
开放式跑道型养殖设施最为看好
　　另外，在养殖设施方面也有多种方案被提出。目前共有三种，包括建造环形跑道式水池，通过桨片使水循环的“跑道型”、将含有藻类的水注入透明管道中的“管道型”，以及排列薄水槽的“面板型”（表）。
　　电装比较各种方式进行了开发（图7）。从产量来看，面板型最多。但面板型在运转时所需要的能源也最多。由于要通过从下方通气进行搅拌来防止细胞下沉，因此搅拌动力必须要很大。而管道型则存在清洗麻烦的问题。目前，电装看好的是跑道型（图8）。

图7：电装的面板型培养装置
从薄水槽的两侧照射光。

图8：电装模拟跑道型养殖设施的实验装置利用白色桨片使水循环。
　　跑道型为开放式，其余两种为封装式。开放式近似“农业”，初期成本较低，但无法避免杂草生长及虫害。而封闭式与“工厂”接近，初期成本较高，但却能够与外界隔绝。
　　与CO2吸收相结合时，开放式存在水面释放出的CO2会直接逃逸到大气中的问题。可通过光合作用处理掉的CO2“只占水下吹送量的2成左右”（电装基础研究所8研究室主管藏野宪秀）。而封闭式可通过使水面释放出的CO2进行再循环来提高这一比例。但问题是进行反复次循环后，性价比就会下降。其承受程度是需要研究的课题。
微细绿藻、葡萄藻能否成为最终选择？
　　目前业界正以微细绿藻及葡萄藻为轴心进行开发，而其他藻类尚未提上议事日程。相关开发方似乎已认定“这两种藻类最为看好”。筑波大学在比较上百种藻类后最终锁定了葡萄藻，所以其中自有理由。
　　不过，也有观点看好其他藻类。美国在很多时候甚至连水藻的种类都予以保密，看来很可能已经有了其他选项。
　　微细绿藻及葡萄藻令人不满意的一个点是碳数。微细绿藻的油脂与轻油相当，葡萄藻的油脂与重油相当。从汽车的角度来看，目前需要的是相当于汽油的燃料。“汽车厂商要求藻类生物燃料与现在的燃料一样，不仅要碳数少，具有直链，而且还要无双键存在”（筑波大学研究生院生命环境科学研究系生命共存科学专业教授渡边信）。
　　不过，庆应大学伊藤研究员指出了目前的严峻性：“生物生成油脂大多是为了用其构成细胞膜。很少有藻类生成的油脂具备在常温下可变成液相的碳数”。
　　为了在适用藻类很少的情况也可制造出高质量的油脂，庆应大学正在利用相位谱分析技术对藻类进行改良（图9）。采用的是研究生物代谢途径的方法。在掌握生物代谢途径之后，便可对微细绿藻“在氮元素不足时就会生成油脂”的现象进行系统性预测。因此，庆应大学准备了30多台毛细管电泳-质谱联用仪，在收集大量藻类后在不懈地进行分析（图10）。这样一来，不仅有助于寻找适用的藻类，而且还可在掌握养殖规律时不依靠主观经验，客观地了解培养水体中的氮浓度、最佳的CO2浓度，以及温度改变后的变化。（记者：浜田基彦）