全 文 ：第26卷 第5期
2014年5月
Vol. 26, No. 5
May, 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2014)05-0523-10
DOI: 10.13376/j.cbls/2014076
收稿日期：2014-02-15
*通信作者：E-mail: jryu@sibs.ac.cn
从情报学角度看微藻生物能源研究进展
孔亮亮1,2，曾　艳3，于建荣1*
(1 中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031；2 中国科学院大学，
北京 100049；3 中国科学院科技促进发展局，北京 100864)
摘　要：作为化石能源的替代品，以微藻能源为核心的生物能源受到越来越多的关注。作为单细胞生物，
微藻有生长周期短、易培养、光合效率高及含油量高等优点，在各类生物能源中具有理想前景。从情报学
角度出发，通过分析微藻能源相关文献和专利，对微藻能源的发展概况进行分析，并根据科学研究和公司
产业发展现状，对微藻的国内外进展进行对比，总结微藻能源研究的进展，并对微藻能源的发展进行展望。
关键词：微藻；生物能源；情报学；产业化
中图分类号： Q949.3 ；TE667 ；G353.11 文献标志码：A
Progress of microalgae bioenergy: a view from informatics
KONG Liang-Liang1,2, ZENG Yan3 ,YU Jian-Rong1*
(1 Shanghai Information Center for Life Sciences, Chinese Academy of Science, Shanghai 200031, China;
2 University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China;
3 Bureau of Science & Technology for Development, Chinese Academy of Science, Beijing 100864, China)
Abstract: As the alternative of the fossil fuel, bioenergy, with microalgae fuel at the core, is gaining more and more
attention. Microalgae consist of many kinds of unicellular organisms which possess some ideal advantages
including short life cycle, easy to culture, high photosynthetic efficiency and high oil content, making them much
more suitable for bioenergy research. This article provided an informational view for the development of microalgae
bioenergy by analyzing research articles and patents. Furthermore, a comparison between China and the world on
scientific research and industrialization was made. Some strategies are proposed and the prospects of microalgae
bioenergy are projected at last.
Key words: microalgae; bioenergy; informatics; industrialization
随着全球经济的高速发展，对能源的需求日益
迫切。在全球的主要能源消耗中，化石能源贡献了
约 88% ( 其中石油 35%、煤 29%、天然气 24%)，
而核能和水力发电分别占 5% 和 6%[1]。2010 年，
全球原油消耗量约合 8 704 万桶 /d，据英国石油公
司 (BP) 预测，到 2035 年全球能源需求将在此基础
上增加 41%，二氧化碳的排放量将增加 29%。虽然
就目前的情况来看，化石能源仍可以在相当长的一
段时间内以低廉的成本满足人们的需求，但是，化
石能源的使用使温室气体不断增加，全球变暖日趋
加重，其所导致的一系列后果，给人们的生活带来
很大的负面影响。荷兰和英国的科研小组的研究结
果显示，21 世纪由于全球变暖导致的气候异常、干
旱、洪水等造成的经济损失将达到 460 万亿美元，
而 2012 年全球的经济规模也只有 70 万亿美元 [2]。
对单一能源的严重依赖危机和环境问题不良影响的
日趋显现，使得人们加快了对可持续发展的、环境
友好型的清洁能源的研究。生物能源的概念就是在
这样的背景下被提出来的，它的发展一般认为历经
3 个阶段 [3]。第一代生物能源的原料来自于农作物，
如玉米、甘蔗、甜菜、油菜以及油棕榈等，但是如
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果将这些作物大量用作能源，一方面会加剧全球粮
食危机，另一方面会对农业多样性带来负面影响 [4]。
第二代生物能源的原料主要是秸秆等农林废弃
物 [5]，虽然解决了“不与人争粮、不与粮争地”的
问题，但是由于现有纤维素关键降解酶系性能不足，
秸秆利用效率问题不能完全解决，因此，第二代生
物能源尚未能实现大规模商业化。第三代生物能源
摆脱了对原料的限制，关注利用微藻细胞工厂生产
能源类产品。微藻能源一方面不需要占用耕地面积，
而且生长速度快、单位产量高；另一方面，还可以
吸收大气中的二氧化碳，这些优点让微藻成为最有
前景的生物能源之一。甚至有学者提出，下一代生
物能源仍然是以微藻为核心，主要集中在对微藻的
基因工程改良，增强其光合效率，增加生物质产出，
并改善其能源特性，更适于生产加工 [6]。
微藻是一类来自海洋或者淡水环境中的光
合 低 等 生 物， 既 包 括 原 核 微 藻， 如 蓝 细 菌
(Cynobacteria)，又包括真核微藻，如绿藻 (Chlorophyta)、
红藻 (Rhodophyta) 和硅藻 (Chromalveolata)[7-8]。微
藻被称为最原始的生物之一 [9]，结构简单，一般
是单细胞存在或者形成长链，但是不会形成分化
的多细胞组织。在适宜的条件下，微藻可以呈指
数式生长，而且其整个生物体都可以进行光合作
用，因此，有很高的光合效率。某些种类的微藻
脂质含量较高，占其干重的 70%，其生物能源产量
可达到 1.2 万 L/hm2，远远比其他陆生植物要高 [10-13]。
虽然目前微藻培养的成本依然比较高，而且产量较
低，但是由于其在相同的产量下占地面积小 ( 图 1)，
仍然是生物能源研究中的一大热门。
利用微藻生产能源的想法，在 50 多年前就有
人提出，但是直到 1970 年的石油危机，才让人们
重视这个想法。从这之后，美国和日本先后有大量
的项目都在研究微藻生物能源系统。用微藻来源的
生物能源，有诸多优点：(1) 微藻培养可以实现全
年不停产，而且产量很高；(2) 可以利用不适于耕
种的土地培养微藻，不占用耕地面积，不与作物种
植发生冲突；(3) 微藻生长速度快 ( 约 3.5 h 增加 1
倍 )，且含油量高，占到干重的 20%~50% ；(4) 能
吸收二氧化碳，减少温室气体；(5) 微藻可以利用
废水作为营养来源，节约资源又能保护环境；(6)
微藻在生产生物能源的同时，又可以生产很多种有
价值的副产品，这样一定程度可以降低其生产成本。
然而，目前微藻生物能源的研究仍然存在很多挑战，
有很多因素都还制约着微藻生物能源的商业化。
1　微藻生物能源发展的概况分析
1.1　文献计量分析
利用 Web of Science 数据库，设计检索策略为：
主题 =(microalga* or microalgae* or diatom* or bacill-
ariophyceae or chlorophyceae or cyanophyceae or
chrysophyceae) 和 (triacylglycerol* or photosynth* or
photobioreactor* or fuel* or bioenerg* or biofuel* or
biohydrogen or biodiesel or biomethanol or bioethanol
or biohydrocarbon*)，时间跨度 = 2008~2013 年，检
索时间：2014 年 1 月 15 日。检索微藻生物能源研
究的相关文献，共检索到 3 848 篇文献，并分别从
文献出版年、国家 ( 地区 )，以及机构等角度对数
据进行分析。
1.1.1　年度分布及国家(地区)分布
2008~2013 年，微藻生物能源研究相关论文发
表量总体呈现上升趋势，尤其是近 3 年 (2011~2013)
增长显著。在发文量的国家 ( 地区 ) 分布中，美国
仍然是最多的国家，其次是中国、法国、德国等 ( 图
2，表 1)。
从图 2 还可以看出，2011~2013 年美国和中国
在微藻生物能源领域发表的论文量增长都很明显，
若将全部的能源消耗换做生物能源，则需要的陆地面积[14]。
图1 不同作物之间占陆地面积的对比
孔亮亮，等：从情报学角度看微藻生物能源研究进展第5期 525
这和近几年微藻研究中的重要投入是分不开的。早
在 2007 年，美国就提出了旨在开发微藻生物能源
的“微型曼哈顿计划”，从项目的命名中就足以看
出对微藻能源的重视程度。2007 年 12 月，Shell 公
司宣布与 HR Biopetroleum 公司组建 Cellena 公司，
投资 70 亿美元在夏威夷开展微藻生物柴油技术研
究。奥巴马政府上台后，提出了新的能源战略，核
心便是将绿色能源打造成拉动美国未来经济增长与
发展的新动力。随后，奥巴马在 2012 年和 2013 年
年初的两次国情咨文中，都强调了生物能源的重要
性，并且提议未来加大对清洁能源研究的投入。这
些因素都有力地推动了以微藻能源为核心的生物能
源的快速发展。我国则在 2011 年启动了微藻能源
方向首个国家重点基础研究发展计划 (“973”项目 )
项目，该项目由华东理工大学、中国海洋大学、南
京工业大学、中国科学院等多所高校和研究所共同
承担，旨在实现微藻能源规模化制备中核心技术的
重大突破，提高规模化效率。2012 年 5 月，中国科
学院青岛生物能源与过程研究所和美国波音公司研
发中心签署了推进藻类可持续航空生物燃料合作备
忘录，在青岛组建联合实验室，启动微藻生物航空
燃油的大规模研发，并预计在10年左右实现产业化。
除此之外，包括加拿大、日本、澳大利亚等多个国
家的政府和企业都加大了对微藻生物能源研究的
投入。
从 2008 年到 2013 年，这 6 年中共有 90 多个
国家 ( 地区 ) 发表了和微藻生物能源研究相关的文
献，其中有 20 个国家的发文数量大于 30 篇。美国
发表了 961 篇论文，占总数的 1/4。从论文的平均
被引频次来看，在发表论文前 10 的国家 ( 地区 ) 中，
英国、德国、澳大利亚这 3 个国家最高，都达到了
15 次以上，而中国、西班牙、韩国和日本则相对较
低，这说明从总体的发文质量上，我国有待提高。
通过观察 h- 指数，可以看出发表的文献中高被引
图2 2008~2013年微藻生物能源领域论文发表情况
表1 2008~2013年微藻生物能源研究发文量前10的国家(地区)
排名 国家(地区) 发文量/篇 占总发文量的比例/% 总被引频次 平均被引频次 h-指数
1 美国 961 24.97 12 340 12.84 49
2 中国 546 14.19 4 142 7.59 29
3 法国 298 7.74 4 044 13.57 32
4 德国 245 6.37 3 746 15.36 28
5 西班牙 229 5.95 1 621 7.08 20
6 英国 228 5.93 3 677 16.13 28
7 澳大利亚 217 5.64 3 305 15.23 29
8 加拿大 186 4.83 2 657 14.28 26
9 韩国 170 4.42 938 5.52 14
10 日本 168 4.37 947 5.64 15
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论文占的比例，这些高被引文章往往也在一个领域
的研究中起主导作用。
1.1.2　主要研究机构
对发表论文的研究机构进行分析可以发现，中
国科学院共发表 171 篇文章，远高于其他机构，而
总的被引频次最高的则是美国能源部。在所有机构
中，发文量大于 30 篇的共有 34 个机构，主要来自
美国、法国和中国。除了中国科学院，厦门大学发
文 37 篇，清华大学发文 30 篇。
中国科学院的相关研究主要涉及青岛生物能源
与过程研究所、青岛海洋研究所、微生物所、大连
化物所、武汉水生生物研究所、广州能源研究所等
多个机构，研究主题很广，从微藻品种的选育、生
物合成途径研究到后期微藻生物质加工方法，可以
说覆盖了从基础研究到产业化的各个方面。美国能
源部的研究则对微藻的培养方法 —— 光合生物反
应器关注得比较多；此外，还对微藻的收集方法以
及后续的加工研究较为深入。亚利桑那州立大学发
表的论文有很高的平均被引频次，主要得益于他们
对微藻内的甘油三酯合成以及光合反应和脂质累积
等方面的基础研究做得比较好。
1.1.3　主要研究方向
根据 Web of Science 中的分类，2008~2013 年
微藻生物能源研究相关论文的研究方向主要集中在
生物技术与应用微生物学 (Biotechnology & Applied
Microbiology)、能源和燃料 (Energy & Fuels)、海洋
和淡水生物学 (Marine & Freshwater Biology) 以及农
业 (Agriculture) 等这几个方向。不同的研究方向侧
重点不一样，生物技术与应用微生物学研究方向主
要关注微藻相关的基础研究，如微藻品种选育以及
光合作用相关基础研究；能源和燃料研究方向更关
注如何将微藻培养产生的生物质转化为生物燃料
( 表 3)。
通过分析 2008~2013 年微藻生物能源论文研究
方向随时间变化的关系 ( 图 3)，可以非常明显地看
出，生物技术和应用微生物学以及能源和燃料这两
个研究方向论文增长十分明显。尤其是能源和燃料
这个研究方向，2008 年仅发表了 16 篇论文，而
2013 年则增长到 344 篇，从这里可以推断出，微藻
生物能源研究由早期的基础研究，正逐步转向如何
加工成为能源和燃料。
通过文献计量分析可以发现，近几年微藻生物
表2 2008~2013年微藻生物能源研究发文量前10的机构
排名 研究机构 发文量/篇 总被引频次 平均被引频次 h-指数
1 中国科学院 171 1 321 7.73 16
2 美国加州大学 94 1 289 13.71 21
3 美国能源部 76 1 996 26.26 18
4 法国巴黎第六大学 59 1 014 17.19 18
5 荷兰瓦格宁根大学 54 786 14.56 14
6 法国勒芒大学 52 833 16.02 13
7 台湾国立成功大学 47 649 13.81 14
8 美国亚利桑那州立大学 46 1 547 33.63 14
9 法国国家科学院 45 1 146 20.84 17
9 英国自然环境研究委员会 45 422 9.38 13
表3 2008~2013年微藻生物能源论文的主要研究方向分布情况
研究方向 论文数/篇 占全部论文的比例/%
Biotechnology & Applied Microbiology 1 287 33.45
Energy & Fuels 939 24.40
Marine & Freshwater Biology 727 18.89
Agriculture 597 15.52
Environmental Science & Ecology 586 15.23
Engineering 576 14.97
Plant Science 356 9.25
Chemistry 313 8.13
Biochemistry & Molecular Biology 263 6.84
孔亮亮，等：从情报学角度看微藻生物能源研究进展第5期 527
图3 各研究方向发表的论文的时间分布情况
图4 2008~2013年微藻相关专利的公开年分布
图5 2008~2013年微藻相关专利的优先权国家(地区)分布
能源研究论文增长迅速，说明国际上的相关研究热
度很高。在世界范围内，微藻生物能源的研究主要
集中在美国、欧洲、澳大利亚等一些发达国家，亚
洲则主要集中在中国、日本和韩国。美国在研究中
仍然占据主导地位，我国的研究发表的论文量很多，
但世界影响力相对较弱。
1.2　专利分析
1.2.1　国际专利分析
利用 Derwent Innovation Index (DII) 数据库检
索微藻能源相关的专利，仅仅利用主题 (microalgae*
or microalga*)为检索策略 (时间跨度：2008~2013年，
检索时间为 2014 年 1 月 15 日 ) 就检索到 1 122 个
专利家族。这些专利几乎都和微藻生物能源有关，
从新型的藻株到微藻的培养方法和设备，再到收集
方法及设备，以及最终从微藻中运用各种方法得到
生物燃料，还有部分专利是利用微藻生物质来制备
一些副产品，在这里也放在一起，一并进行分析。
将这些专利数据导入 Thomson Innovation，共得到
1 066 个 DWPI 同族专利，包括 2 360 条专利。从专
利的公开年分布可以看出 ( 图 4)，近几年相关专利
增长较快，这与微藻生物能源的研究趋势相符。考
虑到专利从申请到公开有相当长的滞后期，2013 年
的专利数量仍会大幅增加。
在相关专利的优先权国家 ( 地区 ) 分布中 ( 图
5)，美国最多，中国紧随其后，排在第三位的是韩国。
这 3 个国家就占到了总体的 70%，说明在这些地区
微藻生物能源研究比较热，也表明这些地方有更大
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的市场前景。
在微藻相关专利的专利权人分布中可以看出
( 表 4)，美国的公司占多数。Solazyme 公司以 140
条专利占据首位。该公司成立于 2003 年，其核心
技术是利用藻类将廉价的秸秆等植物多糖转化为高
附加值的油脂类。在起步阶段，Solazyme 公司也是
想在大池中养殖微藻，利用光作为能源进行生产，
但是随后他们改在黑暗环境下培养藻类，添加糖类
等碳水化合物促进藻类的生长。该公司在微藻生物
燃料研究中取得了多项突破，2011 年就已经与美国
航空公司签署合同，每年提供 2 000 万 gal 的微藻
生物燃料。此外，该公司还和联合利华公司达成协
议，生产高品质的藻类油用于制作食品和肥皂。
在 Solazyme 公司的 140 条专利中，包含了形形色
色的微藻衍生品，多数专利都是和微藻加工生物柴
油以及航空燃料相关；另外，有一部分专利关注微
藻的培养方法和脂类提取方法。除此之外，还有些
其他专利，如用微藻生物质来造纸，或者做食品添
加剂、化妆品，甚至药物。从这里也可以看出，
Solazyme 公司对微藻生物能源及相关副产品都开发
地非常深入，这些副产品的开发在一定程度上降低
了微藻生物能源的价格。
此外还可以看到，我国的新奥科技发展有限公
司拥有 62 件专利，排在第 3 位。作为国内民营能
源企业的巨头，新奥集团从 2010 年就开始在内蒙
古建设微藻生态基地，并预计在 2014 年实现正式
产业化。2012 年，空中客车公司和欧洲宇航防务集
团就与新奥公司签署了合作备忘录，三方将合作共
同探索开发环保型航空替代燃料的新途径，项目的
核心就在于开发基于微藻的生物航空燃料，并促进
在中国市场的应用。新奥公司的专利主要集中在新
的微藻品种开发、微藻的培养方法、污染的防控、
光生物反应器的改造以及微藻中油脂的提取方法。
除了新奥集团，中科院过程工程研究所、青岛生物
能源与过程研究所、中国石油化工股份有限公司等
机构的专利的数量也超过了 20 件。
这些专利的德温特手工代码主要集中在 B04-
F08A ( 藻类 )、D05-A03 ( 工业发酵设备 )、D05-H08
( 细胞或者组织培养 ) 和 B11-C06 ( 容器、储存、运
输设备 )( 图 6)。可以看出，这几个分类代码所涉及
到的技术，在微藻生物能源的开发中处于核心地位。
1.2.2　国内专利分析
利用上海知识产权信息平台数据库，检索微藻
养殖、收集以及生物燃料相关的国内专利，其检索
表4 微藻生物能源前8位专利权人分布
专利权人 国家 专利数量
SOLAZYME INC 美国 140
WACKER CHEMIE 德国 98
XINAO SCI&TECHNOLOGY DEV CO LTD 中国 62
INHA IND PARTNERSHIP INST 韩国 50
KOREA RES INST BIOSCIENCE&BIOTECHNOLOG 韩国 36
EASTMAN CHEM CO 美国 31
RENEWABLE ALGAL ENERGY LLC 美国 30
MERIAL LTD 美国 30
图6 2008~2013年微藻相关专利分类代码的公开年分布
策略：主题 = ( 微藻 and ( 养殖 or 培养 or 生物反应
器 or 采收 or 收集 or 产油 or 燃料 or 生物能源 or 生
物柴油 ) ；时间跨度：2008~2013 年；检索时间：
2014 年 1 月 15 日。共检索到 823 条结果，检索结
果分析见图 7 和图 8。
从专利的公告日可以看出，近几年我国的微藻
生物能源相关专利申请量增加迅速，近 3 年增长十
分迅速，这也说明我国近几年在微藻生物能源领
域的研发产出增长迅速。从专利的地域分布来看，
主要集中在北京、山东、广东、河北等地。在专利
孔亮亮，等：从情报学角度看微藻生物能源研究进展第5期 529
权人分布上 ( 表 5)，新奥公司有 78 件专利，远高
于其他专利权人，国内专利内容和其国际专利内容
基本相似。中国科学院过程工程研究所的专利则主
要关注光生物反应器、微藻培养装置及方法和微藻
收集的方法。
对微藻生物能源相关专利的分析可以发现，不
论是国际还是国内，近几年专利增长都十分迅速，
这也反映了微藻生物能源技术正逐步走向成熟，产
业化进程不断加快。但与美国相比，我国在专利领
域的产出仍然存在一定差距。
2　微藻研究的最新进展
2.1　优良品种的选育
筛选培育优良的微藻品种提高微藻生物质产
量，在很大程度上能降低微藻生物能源的成本，因
此，优良品种的选育是开发微藻生物能源的首要步
骤。微藻种类繁多，据估计全球超过约 5 万个品种，
表5 国内微藻生物能源相关专利专利权人分布
专利权人名称 专利数量/件
新奥科技发展有限公司 78
中国科学院过程工程研究所 35
中国石油化工股份有限公司 27
中国石油化工股份有限公司抚顺石油化 23
工研究院
中国科学院青岛生物能源与过程研究所 19
暨南大学 18
中国海洋大学 18
云南爱尔发生物技术有限公司 16
天津大学 15
经研究和分析过的约有 3 万种 [15]，但是能工业化生
产的仅有几十种，而同时具有油脂含量高、产量大、
生产性状稳定且抗逆性好的野生藻株就更少。相比
于高等植物，微藻生长速度快，世代周期短，育种
不需要花费太长时间；但即便如此，高效的育种仍
然需要借助于基因工程来实现 [16]。利用基因工程手
段来完成对微藻生物能源的改良具有很高的可行
性，但是由于对脂质合成相关的目的基因和代谢途
径了解比较少，导致遗传改良的效率较低 [17]。
生物信息学的发展为微藻品种的选育提供了更
多的途径。随着测序技术的发展，到目前为止，已
有数十种微藻的全基因组已被测序，这些基因序列
将会对研究基因功能提供很大帮助 [18]。在微藻生长
中，能够积累大量的中性脂质，主要是甘油三酯。
Zhu 等 [19] 的研究表明，在氮元素缺乏的条件下，这
种环境胁迫可以导致代谢中的物质流动发生变化，
增加野生微藻中脂质的积累，在细胞内形成油滴。
但是由于营养缺乏，在这种环境下微藻的总产量会
下降，从而导致脂质产量减少。这一研究发现为增
加微藻的产量提供了思路，如果可以利用基因工程
方法，在营养充足的条件下改变代谢物质流动，将
很大程度上提高微藻产量。近几年对微藻转录组的
图7 国内相关专利的公告日分布情况
图8 2008~2013年国内微藻生物能源相关专利的区域分布
生命科学 第26卷530
研究，也让我们对微藻中的脂质代谢有了更深入的
了解 [20]。这些都将为以后的微藻品种选育带来帮助。
目前，已有多达数十种微藻被用来大规模生产
生物能源，它们的培养条件也已经经过优化。不同
的藻株温度、无机盐，以及 CO2 浓度和 pH 值的要
求都不一样，因此，在选择品种时，要考虑多方面
因素。如果利用废水作为原料，那么藻株一般需要
耐受较高的盐度 ；如果是开放式养殖，那么藻株需
要有较强的抗病性 [21]。在提高微藻脂质含量的同时，
又要兼顾生长速率，等等。因此，只有综合考量各
种因素，才能选出最适合生产的菌株。
2.2　微藻的培养方式
微藻的培养有不同的方法，主要有开放式的池
塘或循环式水渠培养，还有封闭式的光生物反应器
培养法。开放式的培养系统一般建立在户外，规模
大、成本比较低廉。早期直接利用大池培养，但是
由于效率比较低，逐渐被循环式水渠所取代。由于
在户外培养，这种培养方式并不需要冷却系统，同
时也不用担心在封闭系统中会出现的氧气浓度过高
的风险。一般情况下，由于光的穿透能力有限，修
建的水渠都比较浅。这种培养方式成本比较低，但
单位产量也比较低。同时，在开放式培养系统中，
易被环境中的微生物污染，因此，一般在养殖中都
采用高 pH 或高盐浓度环境进行微藻培养，这就很
大程度上限制了可以使用的微藻种类 [22]。此外，开
放式培养方式还要受到气候的影响，在多数地区只
能进行季节性生产，而且能源消耗也会增加。
相比之下，采用封闭式光生物反应器可以解决
开放式培养系统的诸多限制。首先，利用管道式培
养系统可以在单位体积获得更多的光照，因此，可
以有更高的光合强度。在封闭式系统中，污染的可
能性被大大降低，能培养的微藻种类范围也很广 [23]。
由于可以建成立体式培养系统，封闭式系统的占地
面积也相对较小，系统中的各类因素，如温度、盐度、
pH、CO2 浓度等更容易控制，因此，可以在很多地
区实现全年高产，不受气候和天气影响 [24]。但是封
闭式系统的建设成本很高，其培养效率和培养液的
流速、气体交换与光照面积都有密切关系，需要监
控系统中的各种因素，如流速、氧气浓度，以维持
微藻在适宜的条件下生长。
不论是开放式培养还是封闭式培养，这两种方
式都受到光在水中传播衰减严重带来的光照不足的
影响，造成光能利用率差，培养效率也随之降低，
耗水量也很大，培养密度也相对较低，导致收集能
耗增加。为了解决微藻规模化培养中的这些问题，
中国科学院青岛生物能源与过程所开发出了基于微
藻贴壁培养的新方法。这种方法将微藻细胞贴在一
定的支撑介质上，并保持完全湿润，通过调节培养
基组成与空气中 CO2 的浓度，让微藻能够贴壁生长，
同时还可以诱导促使油脂积累。目前，通过这种方
法，其室外产率提高到传统培养方法的 3~5 倍 ；此
外，该法在节水、控制污染和病害、大规模培养等
方面也具有优势。
2.3　微藻的回收方法
将微藻从培养液中富集并分离出来，是一个耗
费很大的过程，据估计可以占到微藻生物燃料总成
本的 20%~30%[25]，因此，如果开发出高效节能的
分离方法，也有助于降低生物燃料的成本。能否高
效回收微藻，对于大规模培养来说至关重要，在选
种的时候，都要考虑这个问题。
传统的回收方法包括絮凝法、离心法、过滤法、
气浮法。这些方法实施起来简单易行，但是有些方
法耗能很大。例如，絮凝法又可以分为自发絮凝、
化学絮凝和电解絮凝，本质都是在于打破微藻表面
的电荷平衡，使其絮凝聚集成团，进而通过沉降、
离心等方法，提高回收效率。Chen 等 [26] 利用氨水
做絮凝剂，絮凝效率高达 99%，而且氨水还可以作
为后续的氮源。电解絮凝法不需要加入额外的絮凝
剂，不会引入杂质；但是能耗却很高，不适合大规
模使用。离心法可以获得非常高的回收效率。
Heasman 等 [27] 的研究表明，当离心力为 1.3 × 104 g
时，微藻的回收率高达 95%，但是当培养液体积非
常大时，这种方法显然要耗费大量时间，同时能耗
也很高。因此，离心法多用于实验应用，回收高附
加值的微藻品种。随着膜技术的发展，用膜过滤法
回收微藻的应用日益广泛，但是这种方法处理能力
也比较小，暂时无法应用于大规模回收。气浮法则
是在微藻培养液中通入微小的气泡，微藻吸附这些
气泡后，会浮起来，从而方便回收。气浮法由于回
收流程和设备简单、操作方便且回收效率高，不引
入杂质对细胞损伤小，在微藻回收中有较大发展潜
力 [28]。
近几年，随着微藻研究越来越热，出现了一些
新的回收方法，如中国科学院过程工程研究所利用
磁分离技术实现了对微藻的回收。他们利用磁性
Fe3O4 纳米颗粒和微藻的静电力吸附作用以及纳米
效应，在 60 s 左右就实现了微藻的高效回收。此外，
Zhang 和 Hu [29] 通过将微藻与一种丝状真菌共培养
孔亮亮，等：从情报学角度看微藻生物能源研究进展第5期 531
的方式，使微藻在真菌形成的网状结构里生长，从
而增加微藻的采收效率，但是采用这种方法必须要
控制种群优势，以免影响微藻的生长。
微藻回收完成之后，要先进行脱水处理，干燥
后加工成粉末，而后可以用不同的物理化学方法，
将微藻中的油脂提取出来。例如，对于有机溶剂萃
取法，一般可以利用多种有机溶剂以增加萃取效率。
有研究表明，用异戊二烯辅助己烷进行脂质萃取时，
收率可增加 300%。也可以不脱水处理，在高温高
压下直接将微藻生物质进行液化处理，也可以得到
很高的回收效率；在结合脉冲电磁场使用的情况下，
细胞会被深度破碎，收率可以达到 94%~97%[30]。
2.4　微藻生物能源的生产方法
从微藻生物质中直接萃取出来的油脂主要成分
是甘油三酯，并不适合直接作为燃料，一般仍需要
简单加工以优化其燃油性能。如可以通过酯交换法，
在催化剂的作用下，让甘油三酯和醇反应生成甘油
和 3 个长链脂肪酸酯，而后者就是生物柴油的主要
成分。很多因素会对生物柴油的产量产生影响，如
反应中醇的用量、催化剂的选择、游离脂肪酸含量、
水的含量、反应温度等。虽然从理论上看，1 mol
的甘油三酯只能与 3 mol 的醇反应，但是为了保证
反应能够完全，一般醇的用量都会加倍。此外，催
化剂的选择也很重要，通常都用 NaOH 做催化剂。
2009 年，Widjaja 等 [31] 研究表明，利用微波和超声
对反应进行辅助，提高了反应效率，减少了反应时
间。酯交换反应也可以直接在“原位”进行，即不
需要提前把油脂从微藻中提取出来。Ehimen 等 [32]
利用原位酯交换反应，在 90 ℃下微藻生物质转化
为生物柴油的效率已经达到 92.0%。到目前，很多
研究表明，原位酯交换法的产量和先萃取法的产量
并无太大差异。这样，用原位酯交换法就省去了从
微藻中提取油脂这一步，便可以节约成本。
3　展望
随着全球工业化程度不断提高，能源问题将会
在相当长的一段时间继续存在，世界各国也必将对
生物能源的研发加大投入。微藻由于其光合效率高、
生长速度快、易于培养等特点，目前已经成为生物
能源研究的热点，将来也具有更大的发展空间。不
论是从文献还是专利的分析中，都可以发现近几年
全球微藻生物能源领域的研究正快速升温。我国的
发展现状较为乐观，但是与美国相比仍有差距，在
微藻的能源产业化研究中仍然存在瓶颈和亟待解决
的问题。首先，在基础科学研究领域，国内的微藻
能源相关的重大科技项目起步相对较晚，应用于生
产尚需一段时日；而在产业化领域，仅有少数公司
可以赶上国际巨头的脚步，应该鼓励更多有实力的
企业进入这个领域，以提高在国际上的竞争力。相
信在不久的将来，微藻培养和规模化生产的一些瓶
颈问题能解决的话，微藻生物能源的发展将会进入
一个新的高度，若最终能够彻底取代化石燃料，定
将一劳永逸地造福人类。
[参　考　文　献]
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