全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 6期
2008年 12月
Vol. 20, No. 6
Dec., 2008
文章编号 ：1004-0374(2008)06-0991-06
微藻生物柴油研发态势分析
刘　斌1，陈大明2，游文娟2，邢雪荣1，于　洁1，于建荣2*
（1中国科学院生命科学与生物技术局，北京 100864；2中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031）
摘　要：微藻是光合效率最高的原始植物之一，与农作物相比，单位面积的产率可高出数十倍。微藻
生物柴油技术首先包括微藻的筛选和培育，获得性状优良的高含油量藻种，然后在光生物反应器中吸收
阳光、C O 2 等，生成微藻生物质，最后经过采收、加工，转化为微藻生物柴油。完整的微藻生物柴
油成套技术链涵盖多个技术环节，是一个复杂的系统工程，包括微藻生物工程技术、微藻高效规模化
养殖技术，以及微藻生物质采收、加工与转化技术等。其中，降低生产成本是当前微藻生物柴油研
究面临的主要挑战，各国的研究机构为此开展了多方面的研究。
关键词：微藻；生物柴油；光生物反应器；封闭管；酯交换
中图分类号：Q949.2；TQ424.1　　文献标识码：A
Research trends in microalgae biodiesel
LIU Bin1, CHEN Da-ming2, YOU Wen-juan2, XING Xue-rong1, YU Jie1, YU Jian-rong2*
(1Bureau of Life Sciences and Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864,China; 2 Shanghai Informa-
tion Center for Life Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031,China)
Abstract: Microalgal is one of the most efficient original photosynthetic plants, with a yield per unit area tens
of crops. Microalgae biodiesel technologies include microalgae screening and cultivation, photobioreactor
design, and biomass harvest and transformation into biodiesel. Complete microalgae biodiesel technology
chain covers a wide range of technical processes, and thus requires systematic research and developments. At
present, lowering production costs is the main challenge microalgae biodiesel researches facing, and many
countries have carried out researches to resolve this problem.
Key words: microalgae; biodiesel; photobioreactor; closed tube; transesterification
收稿日期：2008-11-28
*通讯作者：E-mail: jryu@sibs.ac.cn
微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极其广
泛的低等植物，它是由阳光驱动的细胞工厂，通过
微藻细胞高效的光合作用，吸收 CO2，将光能转化
为脂肪或淀粉等化合物的化学能，并放出O2。微藻
是光合效率最高的原始植物，也是自然界中生长最为
迅速的一种低等植物，而且某些微藻可以生长在高
盐、高碱环境的水体中，可充分利用滩涂、盐碱
地、沙漠进行大规模培养，也可利用海水、盐碱
水、工业废水等非农用水进行培养，还可以利用工
业废气中的 CO2。因此，微藻生物柴油成为了潜在
的能源研究热点。
1　微藻生物柴油开发的技术流程
微藻生物柴油成套技术涵盖多个技术环节，是
一个复杂的系统工程，包括微藻的筛选和培育，获
得性状优良的高含油量藻种，在光生物反应器中吸
收阳光、CO 2等，生成微藻生物质，最后经过采
收、加工，转化为微藻生物柴油(图 1 )。
经济比较分析发现，从目前的条件看，含油量
55%的微藻生物柴油生产需要低于340美元 /ton的生
产成本才能与 100美元 /桶的石油经济效益相当[1]，
而目前的微藻生产成本约为 3 000美元 /ton(不包括
微藻蛋白等其他产物的利用)。因此，降低生产成
本是目前微藻生物柴油开发的基本要求，也是微藻
·情报研究 ·
992 生命科学 第20卷
生物柴油各环节研究发展的主要约束条件(表 1)。
2　微藻转化为生物柴油的过程
2.1　微藻的筛选和培育　优良富油藻种的选育是微
藻生物柴油效率提高与成本降低的首个关键环节，
涉及微藻含油量、光合效率、生长速率的研究等，
其影响的因素包括微藻种类、研究温度、pH值、盐
碱度、光照等环境因子，N、Si、P、S 和微量元
素等营养因子，以及基因工程改造等。一方面，从
经济效益上看，较高水平的含油量是微藻生物柴油
技术可行的必要条件。目前，葡萄藻(Botryococcus
braunii)、裂殖壶藻(Schizochytrium sp.)等微藻的含
油量可达 50%以上，这是对自然界中的微藻生物资
源进行普查和系统的收集、表征、筛选、整理和
保存的参考标准。另一方面，快速的生长条件也是
图1　微藻生物柴油开发的技术流程
表1　微藻生物柴油开发的各环节要求
技术环节 技术要求 技术选择
微藻的筛选和培育 (1 )含油量高； Botryococcus braunii(含油量 25%－ 75%) ；
(2 )生长快速； Chlorella sp.(含油量 28%－ 32%) ；
(3 )耐高浓度的 CO2、高温以及 Crypthecodinium cohnii(含油量 20%) ；
高强度的光照等环境条件； Cylindrotheca sp. (含油量 16%－ 37%) ；
(4)易于基因工程改造 Dunaliella primolecta(含油量 23%) ；
Isochrysis sp. (含油量 25%－ 33%) ；
Monallanthus salina (含油量>20%) ；
Nannochloris sp.(含油量 20%－ 35%) ；
Nannochloropsis sp.(含油量 31%－ 68%) ；
Neochloris oleoabundans (含油量 35%－ 54%) ；
Nitzschia sp. (含油量 45%－ 47%) ；
Phaeodactylum tricornutum (含油量 20%－ 30%) ；
Schizochytrium sp. (含油量 50%－ 77%) ；
Tetraselmis sueica (含油量 15%－ 23%)
光生物反应器 (1)传光，提高光能利用效率； 跑道池；垂直柱光生物反应器；平板光生物反应器；封闭
(photobioreactor) (2)传质，解决光生物反应器中 　管式光生物反应器
　 反应物混和的效率与手段问
题；
(3)传动，解决微藻规模养殖中
的“水力学”问题，保证反
　应器内介质顺利流动、混合，
不发生细胞损伤、沉降；
(4)传热，控制光生物反应器中
的温度；(5)清洁；(6)成本低
生物质采收与提取 (1 )降低采收成本； 离心(运行成本高，设备故障多) ；过滤(膜污染和堵塞) ；
(2)减少藻油提取耗能 　絮凝(絮凝剂和运行设备成本高) ；超声波(能耗偏高)
生物质加工与转化 根据微藻油脂的性质选择具体 以酸、碱或脂肪酶为催化剂，以甲醇与植物脂肪反应获得
　的酯交换工艺 　脂肪酸甲酯(生物柴油)和甘油；超临界条件下的酯交换技术
993第6期 刘　斌，等：微藻生物柴油研发态势分析
降低微藻生物柴油开发成本的必然要求，即选育和
基因工程改造后要符合耐高浓度的 CO2、高温以及
高强度光照的条件。由于空气中的 CO2只有 0.03%
－ 0.06%，而环境中一定浓度的 CO2含量又是微藻
快速生长的基本条件，因此工业废气等非自然条件
下的环境就成为了常见的选择[2]。目前，已有较多
的研究者对微藻生长条件进行了研究(表 2)，部分
微藻分别在耐受的 CO2浓度、耐受温度以及产率等
方面表现出较好的特性(表 3)。此外，考虑到微藻
培育的条件，大规模的生产[3]、在燃油和燃煤设备
(如燃烧电厂、汽车尾气排放装置)中固定 CO2 [4]，
以及水和养分的循环都是降低成本的必要措施。
2.2　光生物反应器的研究　光生物反应器是指用于
微藻培养的一类装置，与一般的生物反应器具有相
似的结构，是具有光、温度、溶解氧、CO 2、pH
值等培养条件的调节与控制系统。目前，研究者已
经设计了多种形式的光生物反应器(表 4、表 5)。从
成本的角度看，由于封闭管式光生物反应器在单位
区域的利用面积、生物质浓度(如果浓度过低，采
收成本会大幅升高)都比跑道池式生物反应器高出至
表2　微藻生长的重要研究者及其研究内容
微藻 研究者 研究机构 主要研究内容
Chlorococcum littorale Ikuko Iwasaki等 日本釜石实验室 微藻的耐高深度 CO2特性，其机制是对于光
　合系统的保护[5]
Chlorococcum littorale, Masakazu 日本地球创新技术 筛选快速固定CO2的微藻[6]
Chlorella sp. UK001, Murakami等 　研究所(RITE)
Botryococcus braunii
Chlorella kessleri， de Morais等 巴西里奥格兰联邦 分离和选择用于煤燃烧过程的CO2排放后吸
Scenedesmus obliquus， 　大学基金会 　收的微藻[7]
Spirulina sp.
Chlorella vulgaris, C. Scragg A H等 西英格兰大学 低氮培养基与微藻的热值增加[8]
emersonii
Chlorella sp. Sakai N等 日本地球创新技术 从热泉中分离的微藻具有高度耐热性和耐高
　研究所(RITE) 　CO2特性[9]
Dunaliella Michimasa 东京科学大学 高盐浓度下的微藻生长[10]
Kishimoto等
Haematococcus pluvialis Huntley M E等 夏威夷大学 微生物的光合作用系统评估及其与植物光合
　作用的比较[11]
Scenedesmus obliquus GOMEZ-VILLA H等 墨西哥 de Sonora大学 微藻在废水中的户外培养[12]
表3　不同微藻的耐受性和生长速度
微 藻 CO2% T ºC P g/l/d
Chlorococcum littorale 40 30 -
Chlorella kessleri 18 30 0.087
Chlorella sp. UK001 15 35 N/A
Chlorella vulgaris 15 N/A
Chlorella vulgaris 空气 25 0.040
Chlorella vulgaris 空气 25 0.024
Chlorella sp. 40 42 -
Dunaliella 3 27 0.17
Haematococcus pluvialis 　　 16－ 34 20 0.076
Scenedesmus obliquus 空气 - 0.009
Scenedesmus obliquus 空气 - 0.016
Botryococcus braunii - 25－ 30 1.1
Scenedesmus obliquus 18 30 0.14
Spirulina sp. 12 30 0.22
994 生命科学 第20卷
少一个数量级，因此在当前的微藻生物柴油成本需
大幅降低的前提下，封闭管式相对于跑道池式更
优。目前，封闭管的直径往往小于 0.1m，以使反
应器的光源充足。然而，封闭管式反应器造价高，
并且在应用中也存在受 pH值限制等缺点。
尽管各种反应器类型不同，但从理论上看，都
是微藻细胞所经历的光照射路径过程，以及在这个
过程中所承受的剪应力和光/暗周期。光衰减模型(light
attenuation model)和计算流体动力学(computational
fluid dynamics，CFD)可用于评估光生物反应器的设
计，从而使微藻单细胞的生长与光照、CO2利用最
优化。例如，典型的封闭管长度不超过 80m[13]，且
通过夜连续不断的培养基补给以弥补夜间微藻消
耗。在反应器的物理设计中，为最大限度地利用阳
光，封闭管的方向往往是南－北方向排列[14]，且反
应器所处地面往往涂成白色，以增强反光[15]。此
外，由于机械泵易损伤微藻，因此，在进口处往
往采用空气提升泵[16]，而反应器每隔一段则设排气
区以抑制反应过程中产生的溶解氧毒害，进口处和
封闭管中设 CO2输入装置来控制 pH值。
2.3　微藻生物质采收、加工与转化技术　微藻生物
质通过加工提炼与转化才能得到所需要的生物柴
油，其成本可占约总成本的 50%。目前，已经研
究的技术仍未很好地解决采收成本过高的难题，因
此，发展新的采收方法是未来研究发展的必由之
路。由于藻油提取也需大量耗能，不经过机械压榨
或干燥而直接从微藻生物质中获取脂肪成为主要的
研究方向，细胞破碎技术的直接应用成为了研究前
沿。其他生物质(木质生物质等)的预处理技术可以
为微藻生物质的采收与采取提供借鉴。其中，碱处
理是最为常用的方法，虽然会影响蛋白加工等生物
质综合利用，但对于微藻游离脂肪酸的分离却效果
明显[23]。提取过程则可以考虑流动反应器甲酯化－
酯交换反应－分离一体化工艺，或联合微藻采收实
现细胞破碎－甲酯化－酯交换反应－分离一体化工
艺，并在此过程中处理好水和养分循环，以及副产
品和废物利用。
在油脂转化的过程中，“酯交换”是成熟的、
已工业化的生物柴油加工技术。不同于常见的植物
油脂，微藻生物柴油含有非常丰富的含有 4个或更
表4　各种光生物反应器的优缺点
光生物反应器 优点 缺点
跑道池 成本相对较低、培养后易清理，大规模 光控制少、较难长时间培养、生产率低、占地面积大、
(raceway pond) 　培养方便 　只限于少数微藻、易污染
垂直柱 大规模移动、混合好且剪应力低、宜大 表面照射面积少、需精细材料、照射面积随规模扩大而
　(Vertical-column) 　规模应用、易灭菌、适应范围广、易 　减少
　光生物反应器 　固定化微藻、光抑制和光氧化少
平板(Flat-plate) 大规模照射面积、易户外培养、易固定 规模生产需大量支持材料、难控制温度、一定程度的壁
　式光生物反应器 　化微藻、光路径好、高生产率、成 　生长、对微藻株的水力压
　本相对较低、易清理
封闭管(tubular) 大面积照射、适于户外培养、相对高 pH 梯度、管内溶解氧和 C O 2、污垢、一定程度的壁生
　式光生物反应器 　产、成本相对较低 　长、需大量土地空间
表5　微藻光生物反应器的重要研究者及其研究内容
研究者 研究机构 主要研究内容
Sastre RR等 德国卡儿斯鲁大学 “规模减少”(Scale-down)理论模型[17]
de Morais等 巴西里奥格兰联邦大学基金会 三阶段连续管道式光生物反应器[18]
Janssen M等 荷兰瓦赫宁根大学 户外封闭式光生物反应器的光合作用效率[19]
Molina E等 美国麻省大学 管道式光生物反应器的流动原理、气流转换、微藻
　培养速率等控制[20]
Degen J等 德国 Fraunhofer Inst Grenzflachen 闪光效应增强光生物反应器的光利用效率[21]
　& Bioverfahrenstech
Csogor Z等 德国卡儿斯鲁大学 光生物反应器中的光分布优化[22]
995第6期 刘　斌，等：微藻生物柴油研发态势分析
多双键的多不饱和脂肪酸，如二十碳五烯酸
（E PA，C 20：5n-3，5 个双键）、二十二碳六烯
酸（D H A，C 2 2：6 n- 3，6 个双键）。这些双键
的存在会导致微藻生物柴油在储运的过程中被氧化
而不稳定。因此，酯交换工艺的选择，取决于微
藻油脂的性质。
除了生物柴油外，动物饲料、其他化学产品
等的生产是提高微藻生物柴油反应系统的必要增值
手段，这些增值生产的技术研究也成为了缩小微藻
生物柴油与石化柴油的成本差距的重要手段。
3　微藻生物柴油的研发现状和发展趋势
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资源的巨大价值。
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
的微藻。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。
进入 21世纪以后，石油价格快速飙升，使得
对微藻的研究迅速繁荣起来，微藻生物柴油技术也
取得了长足的进步。在美国、澳洲、日本、西欧、
印度和南非，无论是政府还是企业，都投入大量资
金来进行产油微藻的开发。2007年 10月，国际能
源公司宣布开发以微藻为原料生产生物燃料的新技
术；同年 12月，Shell公司与美国HR Biopetroleum
公司组建 Cellena合资公司，投资 70亿美元开展微
藻生物柴油技术的研究。2007年底，美国石油公
司 Chevron宣布与美国能源部可再生能源实验室协
作研究微藻生物柴油技术。美国 PetroSun Drilling
公司不断完善其开放池系统，宣布 3年内将达到年
产 500万吨的生产规模。荷兰AlgaeLink公司 2007
年 10月宣布开发成功新型微藻光生物反应器系统，
开始向全球销售其反应器，并提供相关技术支持。
美国 Green Star Products公司已于 2008年 1月在蒙
大拿州完成其第三阶段试验，验证了其复合(hybird)
系统的可行性，并得到 Biotech Research Inc. (BTR)
的高效低成本的微藻处理技术，能够高效榨取生物
柴油与纤维素糖而避免采用机械干燥与压榨过程。
美国Solix公司的膜封闭池(encosed chambers)系统已
完成第一阶段中试，并开展第二阶段中试，且与新
比利时酿酒公司合作开展微藻生物柴油工业示范研
究。2008年 10月，英国碳基金公司(Carbon Trust)
启动了目前世界上最大的藻类生物燃料项目，投入
的2 600万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，使其大规模应用早日得
以实现。
[参　考　文　献]
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