海藻能源

藻类生物质能源简介

摘要随着当今世界石油能源的紧缺，生物质能源已成为当前能源领域的一个热点，但其发展很大程度上是与当前的高油价密切相关的，存在与人争粮，威胁粮食安全等严重制约因素，而巨大的海洋生物质资源宝库，可望成为稳定提供生物质能源原料的有效途径。本文简要介绍了海洋生物质能源的发展状况。

关键词：能源、生物质燃料、藻类、热降解

随着世界经济的发展，能源需求不断加大，国际油价一路攀升。我国从1993年起已经成为一个石油进口国。石化资源属不可再生资源，来源日趋减少，供给严重不足，价格飞涨；另一方面在使用过程中产生大量污染，对人类的生存环境产生着日益突出的影响。能源已成为影响世界可持续发展的重要瓶颈。

寻找洁净、安全和可再生能源已成为当务之急，这在减少对石油的依赖性，保证国家能源安全方面具有深远意义。在此背景下，生物质能源发展越来越受到社会的关注，成为当前实现能源来源多元化和国家能源战略抗风险的重要选择。

一、生物质的原料来源及在我国的现状

所谓生物质，主要是指粮食以外的桔秆等木质纤维素类农林废弃物。绿色植物可通过光合作用将吸收的二氧化碳和水合成为碳水化合物，进而将光能转化为化学能储存下来。可以说，绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库，生物质则是光能循环转化的载体。目前的科技水平，己经让我们有能力挖掘出生物质所承载的光能，以其为原料生产对环境友好的化工产品和绿色能源。通过对包括农作物、树木和其他植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物以及边缘性土地种植能源植物的加工，不仅能开发出生物柴油、燃料乙醇等清洁能源，还能生产出生物塑料、聚乳酸等上千种精细化工产品。

生物质的原料主要来自于陆地和海洋中的绿色植物。在陆地上，我国每年有7亿多吨作物桔秆、2亿多万吨林地废弃物、25亿多吨畜禽粪便及大量有机废弃物，以及1亿多公顷不宜垦为农田但可种植高抗逆性能源植物的边际性土地。这些农林废弃物和边际性土地，对生物质产业而言，是一笔相当宝贵的资源。而在

海洋中，生物质主要由海藻提供。

由于我国人多地少，以粮食作物等为主发展生物质能源的空间有限。目前每生产1吨酒精需要3吨粮食作为原料，特别在近年全球粮食价格飞涨的情况下，大规模以粮食为原料，显然是不可能的；而植物纤维原料生产酒精，由于木素的生物难降解性，纤维素的结晶结构，加之纤维素酶成本较高，造成生产成本过高。在此情况下，向海洋中廉价的藻类要能源已显得尤为迫切。

二、利用海藻制备生物质燃料的研究进展

（1）藻类概况

藻类植物是植物界中没有真正根、茎、叶分化,能进行光能自养生活,生殖器官由单细胞构成和无胚胎发育的一大类群。大多数藻类都是水生的,有产于海洋的海藻;也有生于陆地水中的淡水藻。藻体不完全浸没在水中的藻类也很多,其中有些是藻体的一部分或全部直接暴露在大气中的气生藻类;也有些是生长在土壤表面或土表以下的土壤藻类。总之,藻类的生活习性是多种多样的,对环境的适应性也很强,几乎到处都有藻类的存在。

藻类植物的种类繁多,目前已知有3万种左右。目前的植物学界认为藻类不是一个自然分类群,并根据它们营养细胞中色素的成分和含量及其同化产物、运动细胞的鞭毛以及生殖方法等分为若干个独立的门。主要有绿藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门和甲藻门等。藻类的用途非常广泛,可以食用、医用、农用和工业用等,也有很大一部分可以作为生产生物质燃料的原料,如盐藻。

藻类作为一种数量巨大的可再生资源，是生产生物质能源的重要潜在原料资源。地球上生物每年通过光合作用可固定8×1010吨碳，生产1.46×1011吨生物质，其中40%应归功于藻类光合作用。每年仅海洋中的水生植物 (主要是海藻)，通过光合作用产生的生物质总量就有约5.50×1010吨。

（2）藻类热解生产生物质燃料技术

①特点：

国内外在采用热解技术生产生物质燃料方面研究较多的生物质材料主要是木质素或纤维素材料,如经济林和农作物残余、生产及生活垃圾中富含的木质素及纤维素的成分。由于木质素和纤维素难于直接热解,热解所需条件也较为苛刻,导致所需成本高、经济效益低。而微藻含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等

化学成分,易于热解,尤其是杜氏盐藻细胞不含有细胞壁等富含纤维素的细胞器,其热解更易于实现。同木质-纤维素材料(木材)相比,利用藻类作热解材料具有更多优势:

(1)藻类的光合作用效率较树木高,具有环境适应能力强、生长周期短(一般高等植物需要几个月甚至几年才能完成一代生长发育,藻类繁殖一代的时间仅为2～5 d)、生物产量高的特点;

(2)自然水体(海洋、湖泊等)每年能提供非常丰富的藻类生物量;

(3)藻类在水中生长,因而不占用农业用地,其养殖过程可以实现自动化控制;

(4)藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分,而木材则以木质素、纤维素等难热解成分为主,因此藻类所需热解条件相对较低,使生产成本降低;

(5)某些藻类,如葡萄球藻、盐藻、小球藻在适当条件下培养后,所得藻粉具有很高的产烃能力;

(6)藻类易被粉碎和干燥,因而其预处理成本较低;

(7)藻类热解所获得的生物质燃油热值高,平均高达33 MJ/kg,是木材或农作物秸秆的1.6倍。

②发展：

传统的藻类制备生物燃料的做法是利用酯化作用将从藻细胞中抽提出来的脂类转化为脂肪酸甲酯来生产内燃机燃料,但该法要求藻类的脂类含量要很高,且所得燃料性能受脂类组成的影响很大。为了充分利用藻细胞的所有组分,人们开始采用热解技术来将藻类转化成燃料(尤其是液态燃油)。常用的热解技术主要有催化热解技术和直接液化法热解技术,催化热解技术以干燥的藻粉为原料,通过采用催化剂来提高热解油的产量和质量。研究表明,微藻催化热解可得到芳烃含量高、具高辛烷值的汽油。藻细胞中脂类的属性 (极性脂与中性脂)对热解产物的性质影响不大,但对产量有影响;直接液化法热解技术主要用于高湿度原料,可以节省大量的干燥成本,而且,湿藻的水能提供加氢裂解反应所需的氢气,有利于热解反应的发生和短链烃的产生。另外,液化所用温度较热解低,故耗能少,但通常需要高压、催化剂(如Na2CO3)和还原气(如CO、H2)。

Ginzburg[6]在1993年成功地用蛋白质含量高的盐藻(Dunaliella)作液化