随着经济建设的飞速发展，能源短缺已成为世界各国极为关注的焦点。作为重要能源之一的石油，更是因其不可再生性和资源的有限，使得原油价格的轻微浮动都能在国际能源、甚至政治层面掀起不小的波澜。由国家发改委能源局和国家统计局公交司以及英国BP公司联合发布的《BP世界能源统计2006》指出，截至到2005年底已探明的世界石油储量若按照目前81 088千桶的开采速度计算, 全球石油储量仅可供继续生产40年^[1]。因此，石油价格与日俱增，2008年7月，布伦特原油价格曾一路飙涨到147美元·桶^-1。在2008年受到美国次贷危机的影响，国际油价下跌的前提下，以布伦特原油名义价格计算，石油平均价格仍然超过60美元·桶^-1，比2004年的平均价格上涨超过60%。

生物燃料主要以玉米、大豆等农作物为主要生产原料，是摆脱对传统石化能源依赖、减少温室气体排放的替代能源，但其大量生产，导致了对农作物的大量需求；然而即便全部玉米都用于提炼，也只能满足12%的美国燃油需求。专家警告说，以农作物为原料生产生物燃料最大的隐忧在于“与粮争地”，大规模改种生物燃料植物，已经造成了美国和墨西哥玉米价格的上涨，并可能进一步导致发展中国家的粮食短缺。中国政府一直加大农业扶持力度，避免世界粮价上涨影响到国内经济发展，但是中国的粮食价格飙升也是不争的事实。

因此，积极寻找新的生物质能原材料，以缓解目前的粮食和能源危机已成为世界各国高度关注的问题。在众多的可提取生物燃料的材料中，微藻脱颖而出，其卓越特征是：微藻的一生都是在水中度过的，它的生长不会与其他的农作物争夺土地，可以起到缓解粮食危机的作用。

微藻是水生植物的一种，其特有的化学组成和结构注定了它是获得生物柴油和生物质油的优良原料来源^[2]。同木质-纤维素材料(木材)相比，利用藻类作热解材料具有如下突出优点，即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；自然水体(海洋、湖泊等)每年能提供非常丰富的藻类生物量；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；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^[3]，使生产成本降低；某些藻类如葡萄球藻(Grape sp.)、盐藻(Crypthecodinium cohnni)、小球藻(Chlorella vulgaris)在适当条件下培养后，所得藻粉具有很高的产烃能力；藻类易被粉碎和干燥，因而其预处理成本较低；藻类热解所获得的生物质燃油热值高，平均高达33 MJ · kg^-1，是木材或农作物秸秆的1.6倍^[4]。

NREL(美国国家可再生能源实验室)运用基因工程等现代生物技术改造成功的“工程微藻”，是一种称为“工程小环藻”的硅藻类(Cyclotella cryptica)，在实验室条件下其脂质含量可增加到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高3~12倍)，户外生产也可增加到40%以上。因此，利用“工程微藻”生产生物柴油具有重要的经济和生态意义^[5]。利用“工程微藻”开发新能源具有以下几个方面的优势：①该微藻生产能力非常高，若养殖技术获得突破，生产能力还可极大地提高；②该微藻可大量养殖于天然海水中，不与传统农业争地；③微藻油脂产量比陆生植物单产高出30倍。有人估计，每公顷可生产30 t以上生物柴油；④生物柴油不含硫，燃烧时不污染生境；⑤生物柴油即使泄漏到环境中，也可被微生物降解，不会污染环境。这为开发新型、清洁的可再生能源提供了新动向。

根据NREL的数据，每公顷海藻的生物柴油生产系统的营运成本为12 000美元，其中包括了固定资产折旧、人工、电力、化工原料、维护保养及投资回报等所有经营成本^[6]。据此可测算出，从工程海藻中提取生物柴油在美国的成本为134.4美元· 桶^-1。这在30~40美元· 桶^-1的低油价时代是没有竞争力的。但在国际原油价格高达100~140美元·桶^-1的今天，人们看到了绿色燃料产业的希望和现实可能性。

1.   藻种的筛选

微藻的分离、纯化方法主要有以下几种：(1)微吸管分离法^[7]，该方法是用微吸管将要分离的藻吸出，放在载玻片上，显微镜下观察，检查是否是单一藻种，如不是，按前面的方法反复操作。微吸管法操作技术难度大，适宜分离个体较大的藻类。(2)水滴分离法^[7]，将藻液稀释到每滴水有一个藻左右，然后用微吸管分离。水滴分离法简便、易行，适宜分离优势种类。(3)稀释分离法^[8]，该方法是用5支试管逐级稀释，最终得到单一藻种。该方法需要较多的容器分组培养，比较麻烦。(4)平板分离法，将适当藻液滴于一琼脂固体培养基上，均匀的涂布于固体培养基表面，封口培养，直至藻落出现为止。再经镜检，反复提纯分离，即可分离出较纯的藻种^[7]。该法更符合底栖硅藻的生物学特性，技术要求不高，操作简单。

国内外的科学家利用各种方法筛选出了几种含油量较高的藻种，包括小球藻、异养小球藻、盐藻、角毛藻(Cheatoceros sp.)等，为低成本的生物燃料的生产提供了原料支持。

以异养方式培养微藻是对微藻光合自养传统培养方式的革新。微藻在无光条件下以异养方式利用有机碳源，尤其是较低价值糖类物质，可以达到高密度培养微藻以生产高附加值代谢产物的目的。

缪晓玲和吴庆余^[9-11]通过调整碳、氮源的供给，获得异养小球藻细胞，该细胞不含叶绿素，蛋白质含量非常低，而粗脂肪含量却比自养藻提高了3.4倍。研究结果表明，异养藻细胞热解饱和烃气的产率是自养藻细胞的32倍。他们利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得57.2%的产油率，比自养藻产油率提高了2.4倍。获得了与化石燃油相当的优质生物质燃油，热值分别是木材热解油和自养藻热解油的2和1.4倍，这种热解油具有化石燃油的相关特征。藻类的异养生长，不仅可提高细胞内脂类的含量，而且也是提高其生物量的有效途径。这种培养方式避免了光自养培养过程中光抑制或光限制等问题，降低了能耗，节约了成本，为工业化大规模高密度培养微藻奠定了基础^[12]。

美国能源部的研究项目已经确切证实硅藻(Diatom)具有极高的生长能力，确定了硅藻在单位面积及单位时间上比陆生作物能提供更多的能量。硅藻含有多种脂质，包括膜壁极性脂质和无极性脂质，这些脂质包含游离脂肪酸和脂肪酸^[13-15]。已确定硅藻中含有固醇、蜡、酰基脂质等化合物。学者们通过改变微藻生长所需的营养和其他必需生长条件，研究提高不同种硅藻的脂质含量^[16-20]。

2.   微藻的大规模培养

微藻培养系统的选择需考虑几个方面：藻的生理学特性、地产投资、劳工、能源、水、营养、天气(室外培养)以及最终产品的形式^[21]、各种各样的大规模培养系统需要在其基本特性如光利用率、温度控制能力、藻承受的水压、维持纯种培养或无菌的能力，从实验室规模进行放大的难易程度等方面进行比较，最终的选择是在考虑所有这些方面的基础上获得有经济价值的产品的协调结果。目前微藻的大规模培养主要有3种方式：传统的敞开式跑道式培养，封闭式的光生物反应器培养和封闭式的发酵罐生产。

传统的敞开式跑道式培养具有设施简易、投资低、成本小等特点，但产量低、培养面积大、生长因子难控制、CO₂补加困难、收获成本高、易被其他生物污染和产品质量低等缺点限制了这种开放式的培养方式。

封闭式的光生物反应器培养可以使藻细胞的密度提高了6~12倍，总体积相对减少，分离成本大大降低，各种生长因子及工艺可以采用自动化、集约化管理，提高了生产效率和产品质量，避免受其他生物和非生物物质的污染^[9]。但是该种方法也有其不足的地方，国内外研究生产了各种各样的生物反应器，大部分都存在造价高这一特点。

封闭式的发酵罐培养可以大量培养隐甲藻(Crypthecodinium cohnni)等异养藻，可以节省一部分开支，但是对于其他的自养藻却很不利。而且发酵罐培养需要较高的操作技术，培养基的添加等也限制着该方法的应用。

为了节约生产成本，从20世纪80年代开始，就有人用塑料桶作为单胞藻培养的容器进行封闭培养^[22]，后来有人用塑料薄膜袋培养^[23]，由于塑料袋容易破裂，创造了薄膜袋浮式法培养单胞藻^[24]。这几种方法也属于光生物反应器，优点就是设备投资少，制作工艺简单，可以节约资金，使生产出的燃料具有更低的生产成本，从而获得更大的市场竞争力。

3.   微藻的采收

微藻生物量的采收过程是生产过程的一个限制因素，因为正常生产中的藻浓度相对较低，约为0.1~1.0 g · L^-1，并且藻细胞很小，很脆弱，易受到损伤破裂。因此，用常规的动力离心、过滤及自然沉淀法不能有效地收集藻体。已有人运用化学絮凝法、过滤法、微气泡絮凝悬浮法收集微藻的尝试，但这些方法都有一定的优势和局限性。

微藻生长到指数生长期末期，微藻密度达到最高，应当采用一定的方法，将其从培养液中分离出来，根据微藻的特性选择不同的方法和试剂。同时也要考虑到经济因素，所以一般采用化学絮凝法、离心法和气浮法3种方法采收微藻。

3.1   化学絮凝法

絮凝沉淀是一种传统的生物分离方法，其絮凝机理主要有3种理论：(1)胶体理论，把细胞直接当作胶体溶液中的胶粒来解释絮凝过程。认为絮凝过程是由于细胞表面的极性基团引起的表面吸附使表面吸附自由能降低的过程^[25]。(2)高聚物架桥理论，MEGGREOR^[26]发现细胞表面分泌出许多高聚物，如蛋白质、多糖等，这些高聚物在细胞表面形成胞外纤丝，认为细胞的絮凝是由于这些胞外纤丝相互架桥交联而形成。(3)双电层理论，大多数生物细胞表面都带有一定的电荷，絮凝过程是加入电解质后，相同电荷排斥以及细胞表面水合程度不同而产生聚并；同时细胞表面的离子键和氢键参与了细胞的絮凝过程^[27]。

壳聚糖具有优良的絮凝能力，与其结构性能密切相关。壳聚糖的化学名为聚(1, 4) -2-氨基-2-脱氧葡萄糖，分子链上的许多游离氨基，其氮原子上还有一对未结合电子，使氨基呈现弱碱性。溶于稀酸后，这些氨基和质子结合而带有正电荷，从而使壳聚糖分子链上带有大量的正电荷。壳聚糖因此具有阳离子型高分子混凝剂的性能。可以同时发挥电中和凝聚及黏结架桥絮凝的双重作用；壳聚糖分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的藻细胞相互吸引，降低及中和小球藻细胞的表面电荷，降低了藻细胞之间的相互排斥力，同时借助于壳聚糖分子链的黏结架桥作用而使小球藻细胞产生絮凝沉降，最终达到收获的目的^[28-33]。

3.2   离心法

离心分离是生物分离中常用的一种强制式的机械分离方法，几乎所有的微藻都能用离心法来分离。目前在微藻分离中应用较多的是自动卸渣的碟式离心分离机，易于操作，并能连续工作，这对大规模的水量处理来说是必要的。日本天然β技术公司采用离心法采收盐藻，其盐藻养殖生产过程全部参数由计算机来显示和自动控制，当盐藻生长的生物量浓度达到一定量时，计算机自动控制，以连续进料，稳定转速离心分离藻体悬浮液，自动排出的盐藻乳液经喷雾干燥成藻粉产品，培养卤液循环使用。

3.3   气浮法

采用人为方式，向水体导入气泡，使其黏附于絮粒上，从而大幅度地降低絮粒整体密度，并借气泡上升的速度，强行使其上浮，由此实现固液快速分离，这就是开拓固液分离新领域的溶气气浮分离技术(DAF)，简称气浮法^[34]。

气浮法的基本原理就是利用气体与溶液中的悬浮物结合，从而增加悬浮物的浮力，使之与气泡一起发生上浮^[35]。气浮分离技术，是在借鉴絮凝沉降、布气式泡载分离和选矿技术基础上发展而来的，主要应用于低浊、富含藻体或其他难以沉淀的悬浮颗粒(如油类、纤维、活性污泥、生物膜、动植物或微生物细胞)水体的净化^[36]。

根据以上的方法来看，化学絮凝法需要寻找合适的絮凝剂，对于不同种类的微藻，需要的絮凝剂可能有所不同；离心分离法比较简单，只要有离心机并且规范操作，就可以将藻液分离；气浮法采收小球藻成本较低，又可连续化操作，适合大生产的需要，但是气浮法需要向藻液中鼓入大量的气体，采收效果受到絮凝剂用量、pH和充入的气泡密度等因素影响。

4.   生物燃料的提取

目前，获得生物燃料的途径主要有3种：物理转化(physical conversion)、生物化学转化(biochemicalconversion)和热化学转化(thermochemical conversion)。这些现代生物燃料的不同转化途径在技术路线、生产成本以及获得的相应产品诸方面均有差异^[37-43]。

4.1   物理转化途径

物理转化途径是要改变生物质的结构，得到棒状、粒状和块状等各种固体成型燃料。这一转化途径是借助机械性固化实现的，即在高压下通过生物质中木质素的塑化粘合把疏松的生物质压成密度极高的成型材料，以便利用、运输、贮藏和高效率的燃烧^[41]。原料经挤压成型后，密度可达(1.1~1.4) ×10³ kg · m^-3，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善，火力持久黑烟小，炉膛温度高。

4.2   生物化学转化途径

生物化学转化途径在目前的生物质能利用中用得最多、最广泛。生物发酵是古老而又新兴的一种生物质能转化技术——传统的有生物质水解发酵制乙醇技术和沼气技术，现代的有ABE(acetone butanol ethanol)发酵制生物丁醇技术和发酵制氢技术。

生物化学转化途径的另一种技术就是生产生物柴油的酯化反应法(transesterification reaction，又称为酯交换反应法)。通过酯交换反应制备生物柴油最早是由德国拜耳(Bayer)公司在1988年研制成功的^[44]。其一般步骤是首先从含油种子中提取出植物油，与醇类物质(通常是甲醇或乙醇)混合，然后通过酯交换反应，即在催化剂(通常是氢氧化钠)的作用下，利用醇类物质让有机油做出化学性改变，使油分子中的甘油部分被醇类物质取代并最终在清洗和干燥过程中去除，最后便形成生物柴油^[45-46]。

4.3   热化学转化途径

热化学转化途径包括：直接燃烧技术(combusion technology)、直接液化技术(direct liquefaction technology)、热解技术(pyrolysis technology)和气化技术(gasification technology)。

4.3.1   生物质直接燃烧技术

指将生物质如木材直接送入特殊燃烧室内燃烧，利用燃烧过程中产生的热气流或高压蒸汽发电或供暖。显然，直接燃烧是一种直观、原料处理系统简单、投资少的方法。但是直接燃烧生物质特别是木材，易产生对人体健康有影响的颗粒排放物，而且燃烧效率低，浪费了大量能量。

4.3.2   生物质直接液化技术

分为超临界萃取液化技术、高压液化技术和HTU(hydro thermal upgrading p rocess)液化技术^[40]。超临界萃取液化技术是用达到超临界状态的流体作为反应介质萃取生物质，使其液化得到生物油燃料的工艺^[40]；高压液化技术是“将生物质、一定的溶剂和催化剂放入高压釜中，通入氢气或惰性气体，在适当的温度和压力下将生物质直接液化的技术”^[37]。

4.3.3   热解

在无氧或缺氧条件的热力作用下，利用热能切断生物质大分子键，使生物质异构化和分解转化成小分子物质的过程^[37-47]。

4.3.4   气化

指生物质原料在高温缺氧状态下裂解然后和氧化剂发生不完全燃烧的能量转换过程，它可以将固体生物质原料转换成为使用方便而且清洁的小分子可燃气体^[40-41]。

到目前为止，从微藻里提取生物燃料所使用的方法有：一种是利用高温高压液化技术或超临界CO₂萃取技术^[48]可以获得细胞中的油脂，再通过酯交换技术将其转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油；HTU技术是另一种将生物质转化为液体燃料的工艺——将生物质材料置于装水的高压容器中软化成糊状，然后液化，经脱羧处理和去O₂后获得生物原油^[40]。这项技术的优点是：(1)可以对水分含量较高的生物质进行直接加工，从而降低了成本；(2)能获得优质生物油，并且经一定的催化工艺还可获得高质量的汽油和粗汽油^[46]。也可以利用微藻直接热解制备生物燃料，所谓热解，即在隔绝空气条件下加热使微藻生物量降解成气体、液体和固体等多种产物的过程^[49]。

按照热解反应温度、升温速率、反应时间等实验条件，可以将热解过程分为快速热解和慢速热解2种方式。慢速热解的主要产物是焦炭，副产物为生物油；快速热解的产物主要是生物油和可燃气体，具有较高的转化效率。采用快速热解可将高达80%左右的生物量转化为粗制生物质燃料^[50]。采用热解的方法获得的液态生物油能量密度高，氮、硫含量低，且易于储运。

微藻的催化热解可得到芳烃含量高、具有高辛烷值的生物油^[50]。缪晓玲和吴庆余^[10]的研究表明，微藻热解油的C、H含量高于木质素材料热解油，而且氧的含量低，因此，微藻热解油的热值高，且较稳定。同时微藻热解油具有很好的流动性，可直接作为民用燃料和内燃机燃料，或经深加工作为汽油和柴油。也可以先将微藻用细菌降解，然后再进行热解，细菌降解后藻细胞中粗脂肪(氯仿沥青A)含量有所提高。由于藻细胞中类脂化合物是热解产生烷烃的主要分子来源^[51]，而细菌降解作用可提高细胞中粗脂肪(氯仿沥青A)含量，因而经细菌降解的样品热解后具较高的烷烃含量。

5.   发展与展望

就目前状况而言，生物燃油作为车用燃料尚在成本、粘度、氮氧化物排放量和腐蚀性4个方面存在局限性：(1)目前生物燃油的生产成本要比传统燃料高，这就需要政府补贴企业并引导公众选择绿色的消费观念；(2)通常生物燃油具有稍高的粘度，会给冬天气温很低地区的引擎发动增加困难；(3)纯生物柴油的氮氧化物排放量要比传统柴油高约10%；(4)生物柴油会溶解旧式汽车中用于燃料输送系统里的腈橡胶^[46]。现在投入商业化生产的生物燃油的原料像玉米、棕榈、柳枝稷(pan icum virgatum)等都属于“高投入低生物多样性(high-input low-diversity，HILD)”系统，以大量施用农药、化肥和使用灌溉浇水维持的大规模单作制特点^[52]。

微藻室外大规模培养的多个推广性研究已得出结论：使用微藻生产低成本的生物燃油在技术上是可行的，但尚需要研发以获得高生产力^[53]。有专家建议，生产源自微藻的生物燃油可满足相当一部分美国运输燃料的需求^[53]。

HUNTLEY和REDAHE^[54]2007年根据以前开放型池塘微藻生产的研究，预测微藻生物燃油生产成本相当于为原油价格39~127美元· 桶^-1。按照2006年美元计算，相当于50~265美元·桶^-1。他们分别运行商业规模的2 hm²面积的生物反应器和开放型池塘微藻生产系统，评估生物燃油生产成本分别为84美元· 桶^-1(2003年)和93美元·桶^-1(2006年)。如果美国政府现在对所有生物燃油补贴42美元·桶^-1，微藻生物燃油已经比矿物燃油具有价格竞争力。10~20年后，当世界能提供的石油快要耗尽时，微藻生物燃油作为高价石油的替代燃料(如页岩油和沥青砂油)具有更大的价格竞争力。如果全球变暖加剧，微藻生物燃油的价格竞争力更强。

HUNTLEY和REDAHE^[54]同时指出，上述评估没有考虑从微藻生物体的非油部分提取产品的价值。生产中如果使用现代化的石化产品加工设施提取和利用微藻的所有副产品，又将提高微藻燃油生产装置的经济生存能力。这些潜在的生物制品包括：特效有机物，如食品级β胡萝卜素、药品、色素；多种通用化合物，如多聚糖、碳水化合物、表面活化剂；发酵产品，如生物气体；还有高价值的油脂(除了大部分油脂生产生物燃油之外)。另外，微藻生物燃油生产获得的能源收入还可以通过其他生产收入渠道来补充，进一步提高其经济性。这些生产收入渠道包括：提取微藻高价值的油脂和蛋白质用于动物饲料；应用微藻处理农业和市政废水，提取废水中的营养物质而获得的潜在价值；通过替代石油(CO₂排放指标)，减少温室气体排放的价值。

由于全球原油储量枯竭的日期已远非遥不可及，而世界石油需求还在日渐上升，全球油价必呈逐步上涨趋势。但在油价涨到从工程海藻——生物柴油这一产业能盈利之前，必需找到一条切实有效的发展途径。具体措施和建议如下：(1)降低建设投资成本，如利用现有的生活和生产污水处理池进行前期批量生产；利用现有的农村水面和近海资源围栏养殖等。(2)降低生产成本，如培育和引进高含油率、高生长率的新型工程海藻等。(3)参考西欧国家和美国的经验，政府尽早开征燃油税，对普通柴油等非可再生燃料课以重税(30%~200%)^[55]。(4)中央及地方政府以补贴和减免税的形式加以扶持，以政策和财政的手段对使用海藻生物柴油的用户予以鼓励。

国外的研究表明，生物燃料的生产正要进入商业化，笔者认为必须加快研究步伐，充分利用中国现有资源，探索一条适合中国国情的工业生产流程，早日生产出价格低廉的生物燃料，缓解中国乃至全球的能源危机。