杨明德，清华大学化工研究院工程化学研究所副所长；核能与新能源技术研究院教授，研究室主任。主要从事过程工业中有关资源充分利用和废物处理的工程技术研究。研究内容包括微藻制备液体生物燃料、从微藻提取生物活性物质等。
近几年，西方发达国家在微藻能源上投巨资进行研发及产业化的消息不断传来，美国甚至把这一工程称为“微型曼哈顿计划”，为何？因为微藻能源有着广阔的前景：在众多的生物质中，微藻具有生物量大、生长周期短、易培养、含有较多的脂类物质等优点，可直接产生氢气或利用快速热解和直接液化技术生产油品，还附有碳减排的功效，基于此，我们也应该树立这样的战略眼光和意识，对微藻能源予以充分重视。
富油微藻出油率让油菜、麻风树等油料作物相形见绌
辽宁日报：在有关报道中，微藻能源被作为未来新能源的一种重要类型，它究竟是一种什么样的能源呢？
杨明德：微藻是指一些个体较小的单细胞或群体的藻类。它是低等植物，种类繁多，分布在各种水域内的一个种群，目前有约2万余种吧，像我们知道的绿藻、螺旋藻、小球藻都是其中的一种。多数微藻都是自养性的，利用光合作用的效率非常高，产生的代谢物种类也很多。比如有些种类的微藻在光合作用过程中，会水解产生氢气，有些在生长繁殖过程中体内能够积累大量的油脂、脂肪酸，有些微藻在次生代谢过程中产生烃类物质，这些产物通过热解、酯交换反应等现代技术手段，就可分别转变为甲烷气、甲醇、烃或燃料油等。
辽宁日报：就是说，它可以成为一种目前经常提到的生物质能源？
杨明德：对，我们传统用的木材烧火就是生物质能的利用。工业革命以来，煤炭、石油等化石能源的大规模开采利用取代了木材，但是到了今天，随着化石能源的不断减少及所造成的环境污染的加剧，各国将注意力再次转移到可再生生物能源的开发利用上，希望能替代化石能源。生物质能源因此受到普遍关注，即利用生物本身的有机物质直接转化为能源物质。大家熟悉的乙醇燃料、各种油料作物制成的生物柴油，就是这种能源形式。
辽宁日报：看来微藻可以“产能”，但是很多植物也可以产油产能，比如您刚才提到油料植物，为什么小小的藻类被单独提起，它可以承担起“替代能源”的重任吗？
杨明德：微藻确实很小，通常为单细胞，但可不要小瞧它，地球上的生物每年通过光合作用产生的生物质，其中40%应归功于藻类的光合作用，它直接将太阳能转化为化学能，能量只需一次转化；它繁殖快，培养周期短，可获得大量生物量，单位面积产量是高等植物的数倍；脂类含量比其他油料作物如玉米、油菜、麻风树等要高很多，如葡萄藻、杜氏藻和小球藻等，大多含有30%~50%左右脂类，有的甚至高达80%。也就是说，把它转化为生物质燃料比如燃料油的效率是最高的，进行化学利用是最有价值的。另外，它生长和繁殖在水域中，不会引起与农业、牧业用地竞争的矛盾。由于以上多方面的优势，微藻被认为是当今最有开发前途的能源之一。
辽宁日报：如果我们想利用微藻产能应该怎么做，能从海洋里湖泊里“捞”出来直接用吗？
杨明德：想要有规模、有目的地利用微藻制造能源，必须有针对性地大规模培养，因为微藻的种类很多，各种微藻的含油脂量不同，如果直接从自然水域里获取并利用，各种藻类分离工作很难完成，而混合在一起“炼”油，出油率是很低的。所以，用微藻制取能源物质，必须进行富油微藻的培养。不仅如此，我们说培养只是一个大的概念，并不是单单指其生长，要想制取能源、获得油品，就要经过选育，筛选、养殖、采收、干燥等一系列过程，就像我们利用木材一样，种树只是其中的重要一步，当然也是关键的一步。
辽宁日报：您刚才说选育，就是说要选择出油脂率高的微藻？
杨明德：是的，含油率高的优良藻种是生产微藻生物柴油的基础。多数产油微藻的油脂产率约为细胞干重的20%左右，通过营养胁迫等手段，会变得更高；有几种微藻本身的油脂产率就很高，但是油脂产率高的微藻往往生长周期较长，经常到一定时期就停止细胞分裂，影响生物产量。
辽宁日报：就是说含油率和生物量存在矛盾？
杨明德：是的，一般来说，油脂产量等于含油率乘以生物量。但含油率高的生长就相对慢一些，就像树木，粗大的树木出材多，但生长周期往往较长。这就是微藻生物能源化面临的最大技术瓶颈之一。目前科学家正在努力解决这一矛盾，比如利用现代分子
遗传技术对藻株进行基因改良，选育优良品种，使其光合效率、生长速度等达到更理想的效果。
如果进行微藻的综合开发利用，微藻油就能“拼得过”汽油、柴油
辽宁日报：那么微藻有没有可能大规模地人工养殖，类似于大面积种树一样？
杨明德：微藻的大规模养殖可以采取开放的池式生产系统，类似于池塘养鱼，要添加培养液，使微藻不断分裂、增殖，操作还是很简便的。但也存在不足，比如，易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光照，易受污染；如果在海边，容易受到台风的严重侵袭等，所以需要有针对性的具体优化和完善。近些年来，开发出许多种专门适于藻类生长的反应器，如管道式光生物反应器，一般由玻璃制成，串联成管道，可通过调节适当的角度朝向太阳以便获得最大照射，这种反应器成本较高，还不适合工业化、能源化利用微藻的养殖。可以说，池式和反应器式的养殖都在不断地改进，要么在更加高效和高密度上下功夫，要么运用高科技制造新型、低成本的反应系统。就微藻的生长来说，调控并优化藻类细胞所处的微环境非常重要。
辽宁日报：就目前我国来看，大规模的微藻养殖以进行能源化生产有无可能？
杨明德：许多微藻可以在极端的环境如咸水中生长，这是微藻的一大特征和优势，因此，在咸水湖周边、临海盐碱地、滩涂，都可大规模养殖微藻。想一想，我国海岸线漫长，盐碱地面积达1.5亿亩，有人计算了一下，如果用1/3到1/2的盐碱地养殖富油微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国的用油需求。当然，这是理想状态下的粗略估算。但微藻不与农作物争地、争水，利用废地、废水、废气来养殖和培养，变废为宝，确实是对环境的一种贡献。
辽宁日报：废水、废气？
杨明德：微藻光合作用需要二氧化碳。对二氧化碳大家都不陌生，第一反应就是“碳减排”，微藻培养就可以利用工业上排出的二氧化碳，这就是一个减排的过程。许多微藻光自养过程还可利用废水中的氮、磷等营养，从而降低了水体的富营养化，不但充分利用了废弃资源，更具有明显的环境治理效益。当然，由于微藻的种类太多，有些对水体也是有害的，比如某些蓝藻。所以我们对富油微藻种类的选择要兼顾“出油”和环境的双重效应。
辽宁日报：听您这么一说，感觉微藻产油的优势很明显，前景很让人期待。
杨明德：前景是普遍被看好的，但是道路是曲折的。要想达到微藻能源的产业化还有很长的一段路要走。
辽宁日报：是技术上的瓶颈还是成本方面的障碍？
杨明德：应该说，在实验室或小规模培养、采收产油微藻，然后对其进行油脂的提取，已经不是问题，技术上没有困难，但是要进行产业化生产，问题就来了，什么问题呢？你生产出的油类产品要参与市场竞争，要卖出去，而目前工业化制备微藻能源（包括产油和制氢气），成本太高，生产出的油要以高于原油、柴油几倍的价格卖出去才能有效益，这么高的价格会有人买吗？高成本是目前限制该技术产业化的最大瓶颈。
辽宁日报：所以，还是要在技术上不断突破，努力使成本不断下降。
杨明德：是的，在许多环节需要有突破，尤其是在培养和采收过程中。比如，刚才提到的选育含油率高又生长周期短的品种，开放池式养殖。由于微藻密度低，导致采收过程成本居高不下，而集中式养殖的反应器成本高，油脂的提取技术及设备装置的改进和完善，都是产业化所必须解决的。
辽宁日报：这些都是短时间内不能全部解决的，所以产业化还很遥远？
杨明德：微藻产油产业化的全面铺开在目前还做不到，但并不是说产业化不能开始。除了技术突破、降低生产成本之外，我认为产业化过程中微藻的全面、综合利用是实现产业化的一个模式，或者说是一条可行之路。
微藻的培养、采收、深度开发和综合利用，将加速微藻能源产业化的进程
辽宁日报：就是说，不光是产油，还可以生产出别的产品？
杨明德：许多种微藻的一个重要特征，就是富含生物活性物质，尤其是一些有独特医疗功效的物质，如β胡萝卜素、细胞毒素和抗癌类物质，还有不饱和脂肪酸、多糖等，它们中有许多可以直接或经加工后用于医药
保健品、食品和饲料工业，比如大家熟知的螺旋藻保健品等。所以，所谓的综合利用，就是在微藻的大规模、较低成本的培养和采收基础上，首先对这些生物活性物质进行分离提纯，然后再对微藻中的油脂进行提取，这样，小小的微藻就产出两类重要的产品，其中生物活性物质的产品创造的产值，就弥补了产油的“亏损”，效益就会显现。当然，这也取决于生物活性物质的产品价格及利润空间。
辽宁日报：这就要求我们建立一个系统的工程来完成微藻的能源化利用？
杨明德：是的，微藻能源化涉及到许多环节，包括多学科技术和多行业参与。你看，微藻的选育涉及到遗传学、生物学，养殖过程关系到土地和农民生产和创收，生长需要废水、废气，采收过程中关系到采收设备的制造，生物活性物质和油脂类的提取需要化学、化工、生物等技术和设备，及产品最终的加工、制造等，所以说，这是一个大的系统工程，需要各方的全面参与、配合、协调与投入。这样一个系统工程和初始产业，首先需要国家和政府的资金和政策上的支持，着眼未来，合理规划，建立规模示范项目，寻找出一套好的产业模式来。比如，将这样的项目与海水淡化工程配套，因为海水淡化工程都建在海边，其剩余的海水在盐分、温度等方面都非常适合某些微藻的生长；或建在化工厂附近，直接利用二氧化碳等等。总之，废气、废地、废水的有效利用，微藻培养、采收、深度开发和综合利用形成产学研相结合的产业联盟，形成上、中、下游的产业链，将大大降低微藻能源化的成本，提高经济效益，这是微藻能源实施产业化的重要途径。
辽宁日报：您还是很看好微藻能源的发展前景的。
杨明德：微藻生物能源具有诸多优点，美国、日本等西方发达国家20世纪70、80年代就认识到了微藻作为替代能源的巨大资源价值。 1978年，美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的“水生生物种计划”，耗资近5亿美元，研究人员经过十多年的努力，开展了从微藻生物资源普查，到藻种选育，再到微藻规模培养等一系列卓有成效的探索工作。这一项目的启动与开展，大大推动了微藻可再生能源的研究与开发。从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部资助了一项名为 “地球研究更新技术计划”的项目，耗资近3亿美元，分离出1万多种微藻。但由于当时石油价格低廉，这些开创性的研发工作没有继续下去。
在21世纪能源危机与二氧化碳减排的双重压力之下，全球再一次掀起了微藻生物柴油研究的高潮，技术的不断成熟必将大大促进微藻生物柴油的产业化进程。比如美国2007年启动了微藻能源计划，被称为“微型曼哈顿计划”；2008年10月，英国碳基金公司启动了目前世界上最大的藻类生物燃料项目，投入的2600万英镑将用于发展相关技术和基础设施，该项目预计到2020年实现商业化。
此外，澳洲、日本、西欧、印度和南非的政府或企业也投入巨资进行微藻生物柴油的研究。这些研究的发展和技术的进步，有助于进一步降低微藻生物柴油的生产成本，使其大规模应用得以早日实现。我国起步略晚，但目前应该说还处于同一起跑线上，所以我们应抓紧这次机遇，脚踏实地去努力，为我国能源供应增添新源头，使我国的生物能源及二氧化碳减排在世界占有一席之地。
作者：
2010-4-22