中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

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加快推進微藻能源(固碳)產業化進程

——訪華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室李元廣教授

時間:2018-05-23來源:未知 點擊:

李元廣,“973”計劃能源領域微藻能源項目首席科學家。 1994年博士畢業于清華大學化工系。現為華東理工大學生物反應 器工程國家重點實驗室教授,二級教授,博導,海洋生化工程研 究室主任。

長期從事微藻生物技術和微生物農藥等方面的研發工 作,在國內外獨創了一項微藻培養領域嶄新的平臺技術—— “異養-稀釋-光誘導串聯培養”,解決了制約微藻產業發展的 低密度低品質培養這一瓶頸問題(2013年實現了產業化);創制了國內外第一個以類芽 孢桿菌屬菌株為生防菌的多黏類芽孢桿菌系列微生物農藥(2004年實現產業化)及國內 外第一個海洋微生物農藥——海洋芽孢桿菌系列微生物農藥(特別適合于鹽漬化土壤, 2015年實現產業化)。

《生物產業技術》:目前,國內外 在競相研發微藻生物技術,請您簡單介 紹一下微藻具有哪些獨特的優勢?

李元廣:微藻是一類介于微生物 與高等植物細胞之間的單細胞生物,通 過光合作用,可以有效利用太陽能,將 H2O、CO2和無機鹽轉化為有機物。微藻 的光合作用十分高效,固碳效率是植物 的10倍以上,具有能源儲備與碳減排的 雙重獨特優勢。此外,微藻生長過程需 要大量的N/P等營養元素,這正是解決 我國水體富營養化等問題的有效途徑。 在大健康產業方面,微藻可以說全身是 寶。微藻富含色素、蛋白質、多糖、多 不飽和脂肪酸等多種生物活性物質,可 被開發為各種功能食品與保健品,市場 需求量大。因此,微藻是集“碳減排、 新能源、水處理、大健康”于一體的獨 特生物資源。

《生物產業技術》:微藻能源 (固碳)產業化發展的主要瓶頸體現在 哪些方面?

李元廣:微藻有著自身獨特的優 勢,但是我們必須客觀地看待其產業化的 進程。在當前的大形勢下,不論是對于微 藻固碳,還是對于生物能源而言,其產業 化的潛在競爭優勢尚未完全體現出來。

首先,從能源角度來說,與石化 資源相比,微藻生物質的積累所耗時間 要短得多。植物憑借光合作用將CO2固 定,經過億萬年的積累形成石化資源; 油料作物的生長一般需要數月;而微藻 從藻種擴培到油脂的制備只需1~2周。

其次,與石化能源相比,微藻能源 原料的來源、成分與工藝相對復雜且原 料不具有即得性。能源微藻的細胞必須 自行利用陽光、碳源、氮源、磷源等生 長,而且,微藻的水含量很高,需要從 人物訪談 加快推進微藻能源︵固碳︶產業化進程 ——訪華東理工大學生物反應器工程國家重點實驗室大體積的水相中采收,這些特點與能源作物等其他能 源原料完全不同。再者,利用高效的光合作用所獲得 的微藻,其生物質的化學組分非常復雜(油脂只占不 到一半,其余為蛋白、多糖等生物活性物質),這也 是其備受人們青睞的另一重要原因,也為微藻作為能 源原料的煉制提出挑戰,這樣從工藝角度來說,微藻 生物質加工的過程工藝就會很復雜且很多技術尚不成 熟。因此,微藻的培養、分離提取加工,與以往技術 工業化的研究是不同的。

再者,從行業的沉淀角度來說,石油煉制可謂是 整個現代工業體系的基礎與支柱,歷史積累悠久,石 油資源已被開采與煉制多年,主要成本在于開采,而 微藻能源產業是一個新興產業,整體的開發成本相對 較高,與生物柴油、纖維素乙醇等新能源一樣,其開 發尚達不到經濟可行的產業化水平。

此外,微藻產業化發展還會受到國際油價、全球經 濟形勢及國際政治因素的影響。可以說,微藻相較于其他 能源作物與能源原料的獨特優勢,也決定了其開發的難 度。但是,微藻的研究是具有十分重大的戰略意義的。

《生物產業技術》:正如您所說,微藻能源(固 碳)產業化進程面臨諸多挑戰和發展瓶頸,如何理性地從 宏觀角度看待微藻能源(固碳)這一新興產業的發展?

李元廣:剛才我談到了諸多復雜的因素會影響微藻能源的開發利用,但對于我們國家而言,這項研究一定要做,并且要作為“大產業”來做,原因就 在于開發微藻能源和碳減排的戰略意義。

我們必須以能源的價值與固碳的成本角度,以參與 物質大循環的工程化角度考慮這個問題。比如,從碳減 排角度來說,把廢棄的秸稈燃燒時不僅會造成嚴重的霧 霾現象,而且燃燒后放出的大量CO2也需要固定,這會 造成我國很大的環保支出。隨著碳減排的迫切需要,我 相信微藻固碳技術必將得到各界的紛紛關注。

提及微藻,人們更多會聯想到營養品和化妝品。 微藻可以被直接食用,比如小球藻和螺旋藻可以直接作 為營養品,現在其養殖成本也很低;雨生紅球藻可以產 蝦青素——抗氧化之王;葡萄藻細胞中的烴含量較高, 可以被用作化妝品生產的原料。但是相對于微藻能源, 這只是一方面。其實,開發微藻能源涉及大健康產業發 展、能源安全保障、碳減排、水處理等多方面的意義。

人類不能為石油資源再等待億萬年。回顧生物化 工學科發展的歷史,它起始于第二次世界大戰時期, 以抗生素的大規模生產為標志。1928年,弗萊明意 外發現青霉素,在普及之前,青霉素價格是十分昂貴 的。但是,通過科學家不懈地努力,推動了技術的進 步,隨著研究不斷地深入與積累,青霉素的價格也逐 步下降,最終使全人類從中受惠。這說明科學研究是 需要過程與時間的,特別是新生事物,更應該耐心對 待,不能急于求成。

微藻能源和固碳技術的產業化開發是一個典型的 生物產品工程開發過程,涉及生物、化學、材料、化 工、能源、資源、環境和農業等多個學科領域,不僅 可帶動現有微藻生物技術產業的整體升級,而且可極 大地促進微藻生物技術學科的發展。因此,微藻能源 和固碳這一戰略性新興產業的發展必將促進微藻生物 技術產業鏈的形成,使豐富但尚未被充分利用的微藻 資源寶庫在解決人類面臨的“資源、能源和環境”等 問題中發揮更大作用。

《生物產業技術》:我國微藻能源的研發及產業 化發展在世界上處于什么樣的水平?

李元廣:從技術層面來說,在微藻生物技術領域, 我國與國際上其他國家沒有明顯的差距。我國在微藻 種質資源和大規模培養等方面有著良好的研究基礎, 特別是在微藻養殖方面還很有優勢,比如螺旋藻的養 殖,目前中國處于領先水平,螺旋藻Spirulina產量居 世界第一。
目前,全球尚沒有微藻能源(固碳)規模化生產的 成功案例,大多處于原創技術開發、中試階段,僅少數進 入示范階段。縱觀國際,現階段“微藻能源、碳減排、廢 水資源化利用、高附加值產品開發”的一體化技術成為多 數微藻能源公司和研究機構的發展方向。美國最大的微藻 能源公司——藍寶石能源公司(Sapphire Energy)主要從 事利用微藻生產高純度輕質原油的開發,取得了很大的成 功,但目前公司的運轉并不是很順利,企業的運營必須要 結合化妝品、保健品等高值化產品的生產。美國Solazyme 公司以前只專注于藻類生產油脂,目前也在從事藻類高附 加值產品的相關研發。
國際上的微藻相關產業與研究正在起伏中前進。 其實,這是技術工業化正常的進程。通常,很多實驗 室都能制備小規模的微藻能源產品,但是想做到規模 化的水平,成本自然會居高不下。也就是說,現階段 微藻能源與微藻固碳的產業化一定要與高附加值產品 的開發相結合,這是產業化發展的必經之路。
目前,我國涉足微藻能源領域的大型企業主要有 新奧科技發展有限公司、中國石油化工集團公司、嘉 興澤元生物制品有限責任公司等。新奧科技發展有限 公司在內蒙古建立了大型的微藻生物柴油中試基地, 并聯手歐洲宇航防務集團開發微藻生物航空煤油。華 東理工大學微藻課題組利用在國內外獨創的“異養-稀 釋光誘導”串聯培養(SHDP)技術和“異養細胞-光 自養種子”培養(HC-PC)新模式在浙江、云南等地 與有關單位合作,建立了相應的微藻能源與微藻固碳 中試研究基地,為推進我國微藻能源技術的產業化發 展全力以赴。小球藻異養培養及SHDP培養技術已在浙 江實現了小規模生產;雨生紅球藻的SHDP培養模式, 已在云南實現小規模生產。上述培養新模式,使微藻培 養從常規的設施農業模式逐步轉向工業化模式,不僅使 得微藻培養效率大幅度提高,而且成本明顯降低且質量 可靠,易于大規模產業化,是微藻培養領域的嶄新的平 臺技術,適合于可異養生長的微藻培養。

《生物產業技術》:您領導的科研團隊在開發集 “高附加值微藻產品、微藻能源與微藻固碳”一體化 的技術上,目前取得了哪些重要進展?

李元廣:要想做能源聯產,需要秉持的基本思 路是,先進行產品分類,然后將高附加值的、低附加 值的聯合生產。具體到微藻能源來看,主要有兩條路 線:一是將微藻中的油脂、非油脂等各種成分提取出 來,即進行生物煉制。這是十分理想的路線,但是限 于目前分離技術的水平,分離手段對蛋白質的破壞或 溶劑的殘留等問題一直制約著該路線的發展;二是培 養工藝的一體化,即耦合工藝。這是我們團隊正在做 的事情。由于工科專業的背景,我認為應該盡可能地 在追求“高產”的同時,進行“多級聯產”,以緩解 “成本”壓力。
我們課題組首先開發了有別于常規的光自養培養方 法——SHDP。這種方法在培養初期,對微藻的品質要 求并不高,先讓其生長,后期通過稀釋、光誘導來串聯 培養微藻。課題組認為SHDP和HC-PC是很好的平臺技 術,可以推廣到一系列可以進行異養生長微藻的培養, 我們課題組早在2003年就在小球藻中發現了這一有趣的 現象并申請了相關專利,并于2012年發表了第一篇相關 文章。
以此為基礎,我們開發的一個應用技術是以小球 藻為代表的“微藻能源、微藻固碳、高附加值微藻產 品”一體化技術,建立了生物柴油高效制備與非油脂 成分綜合利用的路線。另一個技術是培養雨生紅球藻 高產蝦青素的產業化技術。

《生物產業技術》:微藻的培養方式因地域與氣 候差異而存在差異,目前,微藻在我國鹽堿地、灘涂 與荒漠的土地資源應用研究現狀如何?

李元廣:微藻的適應能力非常強,在各種水質都 能生長。比如,它可以克服淡水資源的限制,利用富 含N/P廢水資源和海水。但是,在此我想強調的是,微 藻的應用一定要結合不同地域氣候的特點,匹配不同 的微藻品種。第一,要給予適宜的溫度,不同季節下 培養微藻,要使用不同的品種;第二,要保證藻類生 長所需的陽光,雨水太多不利于藻類的生長;第三, 要供給充足的碳源和水資源。事實上,這并不容易。 我國擁有廣闊的鹽堿地、灘涂和荒漠,正滿足上 述的要求,可以規模化地加以利用,充分發揮地域優 勢。比如,云南的氣候條件很好,土地資源充足,利 于微藻產業的發展。要擅于利用自身不同地域獨特的 地理優勢,將資源的優勢轉化為現實生產力。

《生物產業技術》:微藻能源未來的發展方向是什 么?您對我國微藻能源和固碳的研發與產業化發展有哪 些建議?

李元廣:“十二五”期間,我國政府對微藻能 源和微藻固碳及廢物資源化利用等方面給予了高度重 視。科學技術部在“973”計劃、“863”計劃和科技 支撐計劃中從不同角度對微藻能源和微藻固碳及富含 N/P廢水資源化利用予以大力支持,資助總額超過1.6 億元,這足已看出我國對微藻能源和固碳技術等領域 發展的重視程度。微藻生物技術的發展必將與大健康 產業發展、糧食安全保障、能源安全保障、生態環境保 護結合。簡而言之,未來,微藻能源的研究還是要緊密 圍繞降低產業化成本這一大目標,有針對性地開展基礎 理論、應用基礎及集成示范研發。
2014年以來,習近平總書記和美國總統奧巴馬的兩 次會談后,在簽署的《中美氣候變化聯合聲明》均 提到:中國正在大力推進生態文明建設,推動綠色低 碳、氣候適應型和可持續發展,加快制度創新,強化政 策行動;中國到2030年單位國內生產總值二氧化碳排放將 比2005年下降60%~65%,且盡早達到峰值。2015年12月 巴黎世界氣候大會的重要成果《氣候變化框架公約》中明 確指出:每年將最低籌資1000億美元用于CO2減排。這些 目標無疑將推動微藻固碳技術的快速發展和應用。
我國要通過多學科的交叉與集成創新,通過加快 推進平臺的構建,通過有實力的企業之間的合作,加 速微藻商業化進程。微藻能源和固碳產業屬于戰略性 新興產業,發展的難度大,必須靠執著的科研人員、 有魄力的公司扛起這份責任。我也想借此機會,希望 媒體呼吁國家繼續大力支持整個微藻生物技術產業的 發展,支持微藻相關學科更深入地交流,加快微藻能 源和固碳技術進入產業化階段的進程。


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