中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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加快推进微藻能源(固碳)产业化进程

——访华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室李元广教授

时间:2018-05-23来源:未知 点击:

李元广,“973”计划能源领域微藻能源项目首席科学家。 1994年博士毕业于清华大学化工系。现为华东理工大学生物反应 器工程国家重点实验室教授,二级教授,博导,海洋生化工程研 究室主任。

长期从事微藻生物技术和微生物农药等方面的研发工 作,在国内外独创了一项微藻培养领域崭新的平台技术—— “异养-稀释-光诱导串联培养”,解决了制约微藻产业发展的 低密度低品质培养这一瓶颈问题(2013年实现了产业化);创制了国内外第一个以类芽 孢杆菌属菌株为生防菌的多黏类芽孢杆菌系列微生物农药(2004年实现产业化)及国内 外第一个海洋微生物农药——海洋芽孢杆菌系列微生物农药(特别适合于盐渍化土壤, 2015年实现产业化)。

《生物产业技术》:目前,国内外 在竞相研发微藻生物技术,请您简单介 绍一下微藻具有哪些独特的优势?

李元广:微藻是一类介于微生物 与高等植物细胞之间的单细胞生物,通 过光合作用,可以有效利用太阳能,将 H2O、CO2和无机盐转化为有机物。微藻 的光合作用十分高效,固碳效率是植物 的10倍以上,具有能源储备与碳减排的 双重独特优势。此外,微藻生长过程需 要大量的N/P等营养元素,这正是解决 我国水体富营养化等问题的有效途径。 在大健康产业方面,微藻可以说全身是 宝。微藻富含色素、蛋白质、多糖、多 不饱和脂肪酸等多种生物活性物质,可 被开发为各种功能食品与保健品,市场 需求量大。因此,微藻是集“碳减排、 新能源、水处理、大健康”于一体的独 特生物资源。

《生物产业技术》:微藻能源 (固碳)产业化发展的主要瓶颈体现在 哪些方面?

李元广:微藻有着自身独特的优 势,但是我们必须客观地看待其产业化的 进程。在当前的大形势下,不论是对于微 藻固碳,还是对于生物能源而言,其产业 化的潜在竞争优势尚未完全体现出来。

首先,从能源角度来说,与石化 资源相比,微藻生物质的积累所耗时间 要短得多。植物凭借光合作用将CO2固 定,经过亿万年的积累形成石化资源; 油料作物的生长一般需要数月;而微藻 从藻种扩培到油脂的制备只需1~2周。

其次,与石化能源相比,微藻能源 原料的来源、成分与工艺相对复杂且原 料不具有即得性。能源微藻的细胞必须 自行利用阳光、碳源、氮源、磷源等生 长,而且,微藻的水含量很高,需要从 人物访谈 加快推进微藻能源︵固碳︶产业化进程 ——访华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室大体积的水相中采收,这些特点与能源作物等其他能 源原料完全不同。再者,利用高效的光合作用所获得 的微藻,其生物质的化学组分非常复杂(油脂只占不 到一半,其余为蛋白、多糖等生物活性物质),这也 是其备受人们青睐的另一重要原因,也为微藻作为能 源原料的炼制提出挑战,这样从工艺角度来说,微藻 生物质加工的过程工艺就会很复杂且很多技术尚不成 熟。因此,微藻的培养、分离提取加工,与以往技术 工业化的研究是不同的。

再者,从行业的沉淀角度来说,石油炼制可谓是 整个现代工业体系的基础与支柱,历史积累悠久,石 油资源已被开采与炼制多年,主要成本在于开采,而 微藻能源产业是一个新兴产业,整体的开发成本相对 较高,与生物柴油、纤维素乙醇等新能源一样,其开 发尚达不到经济可行的产业化水平。

此外,微藻产业化发展还会受到国际油价、全球经 济形势及国际政治因素的影响。可以说,微藻相较于其他 能源作物与能源原料的独特优势,也决定了其开发的难 度。但是,微藻的研究是具有十分重大的战略意义的。

《生物产业技术》:正如您所说,微藻能源(固 碳)产业化进程面临诸多挑战和发展瓶颈,如何理性地从 宏观角度看待微藻能源(固碳)这一新兴产业的发展?

李元广:刚才我谈到了诸多复杂的因素会影响微藻能源的开发利用,但对于我们国家而言,这项研究一定要做,并且要作为“大产业”来做,原因就 在于开发微藻能源和碳减排的战略意义。

我们必须以能源的价值与固碳的成本角度,以参与 物质大循环的工程化角度考虑这个问题。比如,从碳减 排角度来说,把废弃的秸秆燃烧时不仅会造成严重的雾 霾现象,而且燃烧后放出的大量CO2也需要固定,这会 造成我国很大的环保支出。随着碳减排的迫切需要,我 相信微藻固碳技术必将得到各界的纷纷关注。

提及微藻,人们更多会联想到营养品和化妆品。 微藻可以被直接食用,比如小球藻和螺旋藻可以直接作 为营养品,现在其养殖成本也很低;雨生红球藻可以产 虾青素——抗氧化之王;葡萄藻细胞中的烃含量较高, 可以被用作化妆品生产的原料。但是相对于微藻能源, 这只是一方面。其实,开发微藻能源涉及大健康产业发 展、能源安全保障、碳减排、水处理等多方面的意义。

人类不能为石油资源再等待亿万年。回顾生物化 工学科发展的历史,它起始于第二次世界大战时期, 以抗生素的大规模生产为标志。1928年,弗莱明意 外发现青霉素,在普及之前,青霉素价格是十分昂贵 的。但是,通过科学家不懈地努力,推动了技术的进 步,随着研究不断地深入与积累,青霉素的价格也逐 步下降,最终使全人类从中受惠。这说明科学研究是 需要过程与时间的,特别是新生事物,更应该耐心对 待,不能急于求成。

微藻能源和固碳技术的产业化开发是一个典型的 生物产品工程开发过程,涉及生物、化学、材料、化 工、能源、资源、环境和农业等多个学科领域,不仅 可带动现有微藻生物技术产业的整体升级,而且可极 大地促进微藻生物技术学科的发展。因此,微藻能源 和固碳这一战略性新兴产业的发展必将促进微藻生物 技术产业链的形成,使丰富但尚未被充分利用的微藻 资源宝库在解决人类面临的“资源、能源和环境”等 问题中发挥更大作用。

《生物产业技术》:我国微藻能源的研发及产业 化发展在世界上处于什么样的水平?

李元广:从技术层面来说,在微藻生物技术领域, 我国与国际上其他国家没有明显的差距。我国在微藻 种质资源和大规模培养等方面有着良好的研究基础, 特别是在微藻养殖方面还很有优势,比如螺旋藻的养 殖,目前中国处于领先水平,螺旋藻Spirulina产量居 世界第一。
目前,全球尚没有微藻能源(固碳)规模化生产的 成功案例,大多处于原创技术开发、中试阶段,仅少数进 入示范阶段。纵观国际,现阶段“微藻能源、碳减排、废 水资源化利用、高附加值产品开发”的一体化技术成为多 数微藻能源公司和研究机构的发展方向。美国最大的微藻 能源公司——蓝宝石能源公司(Sapphire Energy)主要从 事利用微藻生产高纯度轻质原油的开发,取得了很大的成 功,但目前公司的运转并不是很顺利,企业的运营必须要 结合化妆品、保健品等高值化产品的生产。美国Solazyme 公司以前只专注于藻类生产油脂,目前也在从事藻类高附 加值产品的相关研发。
国际上的微藻相关产业与研究正在起伏中前进。 其实,这是技术工业化正常的进程。通常,很多实验 室都能制备小规模的微藻能源产品,但是想做到规模 化的水平,成本自然会居高不下。也就是说,现阶段 微藻能源与微藻固碳的产业化一定要与高附加值产品 的开发相结合,这是产业化发展的必经之路。
目前,我国涉足微藻能源领域的大型企业主要有 新奥科技发展有限公司、中国石油化工集团公司、嘉 兴泽元生物制品有限责任公司等。新奥科技发展有限 公司在内蒙古建立了大型的微藻生物柴油中试基地, 并联手欧洲宇航防务集团开发微藻生物航空煤油。华 东理工大学微藻课题组利用在国内外独创的“异养-稀 释光诱导”串联培养(SHDP)技术和“异养细胞-光 自养种子”培养(HC-PC)新模式在浙江、云南等地 与有关单位合作,建立了相应的微藻能源与微藻固碳 中试研究基地,为推进我国微藻能源技术的产业化发 展全力以赴。小球藻异养培养及SHDP培养技术已在浙 江实现了小规模生产;雨生红球藻的SHDP培养模式, 已在云南实现小规模生产。上述培养新模式,使微藻培 养从常规的设施农业模式逐步转向工业化模式,不仅使 得微藻培养效率大幅度提高,而且成本明显降低且质量 可靠,易于大规模产业化,是微藻培养领域的崭新的平 台技术,适合于可异养生长的微藻培养。

《生物产业技术》:您领导的科研团队在开发集 “高附加值微藻产品、微藻能源与微藻固碳”一体化 的技术上,目前取得了哪些重要进展?

李元广:要想做能源联产,需要秉持的基本思 路是,先进行产品分类,然后将高附加值的、低附加 值的联合生产。具体到微藻能源来看,主要有两条路 线:一是将微藻中的油脂、非油脂等各种成分提取出 来,即进行生物炼制。这是十分理想的路线,但是限 于目前分离技术的水平,分离手段对蛋白质的破坏或 溶剂的残留等问题一直制约着该路线的发展;二是培 养工艺的一体化,即耦合工艺。这是我们团队正在做 的事情。由于工科专业的背景,我认为应该尽可能地 在追求“高产”的同时,进行“多级联产”,以缓解 “成本”压力。
我们课题组首先开发了有别于常规的光自养培养方 法——SHDP。这种方法在培养初期,对微藻的品质要 求并不高,先让其生长,后期通过稀释、光诱导来串联 培养微藻。课题组认为SHDP和HC-PC是很好的平台技 术,可以推广到一系列可以进行异养生长微藻的培养, 我们课题组早在2003年就在小球藻中发现了这一有趣的 现象并申请了相关专利,并于2012年发表了第一篇相关 文章。
以此为基础,我们开发的一个应用技术是以小球 藻为代表的“微藻能源、微藻固碳、高附加值微藻产 品”一体化技术,建立了生物柴油高效制备与非油脂 成分综合利用的路线。另一个技术是培养雨生红球藻 高产虾青素的产业化技术。

《生物产业技术》:微藻的培养方式因地域与气 候差异而存在差异,目前,微藻在我国盐碱地、滩涂 与荒漠的土地资源应用研究现状如何?

李元广:微藻的适应能力非常强,在各种水质都 能生长。比如,它可以克服淡水资源的限制,利用富 含N/P废水资源和海水。但是,在此我想强调的是,微 藻的应用一定要结合不同地域气候的特点,匹配不同 的微藻品种。第一,要给予适宜的温度,不同季节下 培养微藻,要使用不同的品种;第二,要保证藻类生 长所需的阳光,雨水太多不利于藻类的生长;第三, 要供给充足的碳源和水资源。事实上,这并不容易。 我国拥有广阔的盐碱地、滩涂和荒漠,正满足上 述的要求,可以规模化地加以利用,充分发挥地域优 势。比如,云南的气候条件很好,土地资源充足,利 于微藻产业的发展。要擅于利用自身不同地域独特的 地理优势,将资源的优势转化为现实生产力。

《生物产业技术》:微藻能源未来的发展方向是什 么?您对我国微藻能源和固碳的研发与产业化发展有哪 些建议?

李元广:“十二五”期间,我国政府对微藻能 源和微藻固碳及废物资源化利用等方面给予了高度重 视。科学技术部在“973”计划、“863”计划和科技 支撑计划中从不同角度对微藻能源和微藻固碳及富含 N/P废水资源化利用予以大力支持,资助总额超过1.6 亿元,这足已看出我国对微藻能源和固碳技术等领域 发展的重视程度。微藻生物技术的发展必将与大健康 产业发展、粮食安全保障、能源安全保障、生态环境保 护结合。简而言之,未来,微藻能源的研究还是要紧密 围绕降低产业化成本这一大目标,有针对性地开展基础 理论、应用基础及集成示范研发。
2014年以来,习近平总书记和美国总统奥巴马的两 次会谈后,在签署的《中美气候变化联合声明》均 提到:中国正在大力推进生态文明建设,推动绿色低 碳、气候适应型和可持续发展,加快制度创新,强化政 策行动;中国到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将 比2005年下降60%~65%,且尽早达到峰值。2015年12月 巴黎世界气候大会的重要成果《气候变化框架公约》中明 确指出:每年将最低筹资1000亿美元用于CO2减排。这些 目标无疑将推动微藻固碳技术的快速发展和应用。
我国要通过多学科的交叉与集成创新,通过加快 推进平台的构建,通过有实力的企业之间的合作,加 速微藻商业化进程。微藻能源和固碳产业属于战略性 新兴产业,发展的难度大,必须靠执着的科研人员、 有魄力的公司扛起这份责任。我也想借此机会,希望 媒体呼吁国家继续大力支持整个微藻生物技术产业的 发展,支持微藻相关学科更深入地交流,加快微藻能 源和固碳技术进入产业化阶段的进程。