CO 2作为最主要的温室气体，引发了一系列的
环境问题。多年来，关于如何减少CO 2的排放或增加CO 2吸收量以减轻其温室效应，科学家做出了大量的努力和研究。现在被认为有效的CO 2捕集、封存方法，如海底封存、废弃煤矿封存和油田封存等，都存在成本高、难操作和可能引起其它环境灾难的问题，而生物法固定CO 2是地球上主要的有效固碳方式。与此同时，能源紧缺是全球性问题，发展低碳排放的可再生能源和生物质能源，是解决能源紧缺的重要出路。如果能用CO 2生产生物质油，将其化害为利，一举数得，何乐而不为？
针对这样重大的课题，各国科技工作者开展了多方面的研究。其中，利用微生物吸收固定CO 2，将无机物转化为氢、高级不饱和烷烃和油脂等有用的物质能源，凭其众多优势成为实现该双重目标的一条极具发展潜力的有效途径。本文介绍了国内外通过微生物固碳制造新物质能源技术的最新研究动向。
1微生物固碳制造新物质能源技术的特性
微生物固定CO 2的方式有三种：异养固定、自养固定与兼养固定。异养微生物以有机化合物作为碳源和能源，在自身代谢过程中固定少量的CO 2。自养微生物利用光能或无机物氧化时产生的化学能同化CO 2，构成细胞物质。兼养固定是微生物在利用
光能吸收转化CO 2的同时，以有机碳作为补充碳源和能源的联合固定方式。
这两种微生物固定CO 2有原则上的区别：异养微生物固定CO 2是把CO 2固定在受体分子上，该受体不是由CO 2合成的；自养微生物固定CO 2，受体是由CO 2合成的，且过程可循环。自养微生物固定CO 2的能力远远超过异养微生物。因此目前世界上的相关研究都是围绕自养微生物进行。自养微生物主要分为两类：光能自养型微生物和化能自养型微生物。前者以光为能源、后者以H 2，H 2S ，S 2O 32-，S ，NH 4+，
NO 2-，Fe 2+等还原性化合物为能源。
微生物固碳制造新物质能源实际上是自养微生物通过摄取光能或化能吸收转化CO 2从而生成可以为我们所加以利用的新的物质能源，变废为宝，从而构成一条制取可再生资源的良性循环路线。
2国外微生物固碳及制造新物质能源技术研究动向
2007年11月国际能源公司宣布开发以微藻为
原料生产可再生柴油和喷气燃料；2007年12月壳牌公司宣布与美国从事生物燃料业务的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，并在夏威夷建立一个试验工厂，通过利用海洋藻类的植物油生
产生物柴油，美国第二大石油公司Chevron 于2007年底宣布与美国能源部可再生能源实验室(NREL)协作开发微藻生物柴油技术，用作喷气式发动机等
收稿日期：2010-08-02；作者简介：任庆生（1939-），男，电话85961969。
微生物固碳制造新物质能源技术研究进展
任庆生，龙慧敏
（西南化工研究设计院，四川成都610225）
摘要:CO 2作为最主要的温室气体，引发了一系列的环境问题。现在认为生物法固定CO 2是地球上主要的有效固碳方式。与此同时，能源紧缺成为全球性问题，发展低碳排放的可再生能源和生物质能源，是解决能源紧缺的重要出路。利用微生物吸收固定CO 2，将无机物转化为氢、高级不饱和烷烃和油脂等有用的物质能源，凭其众多优势成为实现以上双重目标的一条极具发展潜力的有效途径。本文介绍了国内外通过微生物固碳制造新物质能源技术的最新研究动向。
关键词：微生物；新物质能源;CO 2；固碳中图分类号：TQ 03
文献标识码：A
文章编号：1001-9219(2011）02-64-06
交通工具的燃油。2008年3月10日PetroSum公司宣布，它在得克萨斯州的微藻养殖场于2008年4月1日投入商业化运作。这是该公司初期的商业化微藻制生物燃料装置投产。现有的微藻养殖场的海水槽占地445万m2。
2008年6月在波士顿举行的108届美国微生物学会大会上，许多报告是关于用微生物生产生物能源产品的新方法，包括将CO2直接转化为乙醇、生物柴油的生产、在反应器中使用微生物生产氢气和只使用太阳光与水生产氢气等。Craig Venter提出的振奋人心的思路是，开发一种可直接将燃煤工厂排放的CO2转化为甲醇的工程菌株。他们正在实验室选育这样的细菌。
美国国防部于2008年底宣布投入2000万美元基金进行微藻生物柴油研究工作，主要目的在于在2010年前证实并使基于海藻的生物质燃料能够实现商业化，成为JP-8喷气燃料的替代品。该项目由遍布美国的各机构共同实施。包括加州理工大学圣地亚哥分校的Scripps海洋研究所、夏威夷生物能源所和北达科他大学能源环境研究中心等。华盛顿州立大学陈树林教授与波音公司合作，研究利用微藻开发战斗机用油[1]。
加州大学(UCLA)亨利萨缪里(Henry Samueli)工程和应用科学学院的科学家通过基因改造蓝藻(cyanobacterium)，使其能够消耗CO2而产出液体燃料异丁醇。反应的动力直接来源于光合作用中的
太阳光。该项目已经得到美国能源部支持，研究成果已发表在2009年12月9日出版的“Nature Biotechnology”杂志上[2]。
美国马萨诸塞州一家公司发明了利用藻类将CO2转化为油脂的技术。据英国《新科学家》杂志报道，该公司用的核心装置是一些装满水的塑料容器，水中有大量绿色藻类。来自发电厂的废气输入容器，藻类吸收废气中的CO2，利用阳光和水进行光合作用，生成糖类。糖类随后经新陈代谢转变为蛋白质和脂肪。随着藻类繁殖，容器内油脂越来越多。将这些油脂提取出来，利用现有技术，就可制成生物柴油和乙醇。该公司对这项技术进行了小规模试验，成功地提取了几加仑藻类油脂(1加仑合3.785L)。该公司计划2009年在亚利桑那州一座发电站附近建设一家“藻类农场”。公司负责人说，如果有足够藻类来处理这座1000kW发电厂的全部废气，每年可生产1.5亿L生物柴油和1.9亿L乙醇。据估计，与其它生产生物燃料的方法相比，“藻类农场”所用的资源较少，不需占用可耕地来种植农作物，也不用淡水。但是，这种技术是否经济可行，还需大规模试验验证[3]。
道化学(Dow Chemical)公司及Algeno生物燃料(Algeno Biofuel)公司2009年6月29日联合宣布，两家公司将共同修建一个实验厂，计划在实验厂内利用水藻将CO2转化成生物柴油乙醇。两公司称，由CO2转化成的乙醇可作为燃料出售。道化学公司的长远目标是用它替代天然气，作为生产塑料的原料。Algeno生物燃料公司首席执行官鲍尔·伍兹说，转化过程还会产生氧气，可用于火电厂助煤充分燃烧，而火电厂产生的CO2又能被水藻利用。这样就形成一个良性循环。伍兹说：“我们为火电厂提供氧气，
他们为我们提供CO2，双方合作得到的产物是十分便宜的乙醇”。伍兹称，转化制得的乙醇价格为1美元/加仑。Algeno公司在生物反应器中培养水藻，反应器内盛满海水，并盖上塑料薄膜，研究人员往海水中注入一定量CO2，使其达到饱和状态，以加快水藻生长。道化学公司则为实验提供所需材料[4]。
美国Joule生物技术公司2009年11月10日宣布，已开发出太阳能制生物柴油工艺。该公司开发可再生燃料，通过工程微生物，以太阳能为推动力，直接将CO2转化为烃类。该公司采用Solar Converter T系统，利用专有的定向微生物，结合现代工艺设计，消耗废弃的CO2。现技术平台已搭好，可高产率将CO2转化成乙醇。预计2010年初进入中试开发阶段。直接生产的烃类性能并不亚于传统柴油燃料，而无需采用原材料或复杂的炼制工艺。公司总裁和CEO Bill Sims表示，已达到的研发水平标志着生产可再生燃料在高产量和竞争成本方面，已迈出关键的一步。公司将加快直接替代石油基柴油的开发，利用现有的贮存和分配方法，实现高净产能平衡，而不消耗天然资源。所采用的方法可避免多步法纤维素或海藻生物质生产方法出现的经济性和环境问题[5]。
美国密苏里州的研究人员正研究如何在废弃的矿井中培育水藻用来生产生物燃料。废弃矿井属于典型褐地，它的再利用将有很大的环境意义。水藻因其易种植，它仅需阳光和水就能把CO2转化成燃料。现在一些科学家甚至开始认为阳光也是可有
可无的。密苏里大学理工学院的科学家使用发光二级管在废弃矿井中培育水藻。课题组的大卫·萨默斯
说：“每次我们提及矿井培养水藻时，总会有人说‘可是矿井没有阳光’。但我认为，那并不是不利条件。因为虽然水藻产油需要阳光，但当水藻只吸收光谱中的红光和蓝光时，效率会更高，而且它需要一定时间在黑暗中处理所吸收的光子。正因为如此，我们向矿井中安装了发光二极管。”经过调整，发光二极管可以只放射水藻需要的光频。同时，它实现了人工设置脉冲，将频率降至1s仅数次，给水藻充分时间吸收并在黑暗中处理光子，使能源利用率达到最高，减少能源浪费。实验原理是只将水藻‘休息’频率从每次数小时降到了每次几毫秒。使用发光二极管培育水藻已有几年历史。一些刚刚起步的公司已经利用该技术赚钱。加州原始石油公司是其中之一。公司的首席执行官说：“我们选择发光二极管是因为它效率很高”。不过萨默斯更进一步。他使用光生物反应器作为地下废弃矿井中水藻培养容器。萨默斯解释说，使用废弃矿井培养水藻可以解决一些室外开放水域培养难以解决的问题，如水分蒸发、污染和温度波动等，因为地下矿井中基本是恒温的。此外，废弃矿井成本低，因为基础设施都是现存的，而开放水域水藻培养47%的成本都用于基础设施建设。矿井培育还消除了人们对水藻外逃造成物种侵略的担心，因为水藻在矿井中即使外逃，在黑暗中也只能存活很短的时间。不过，矿井水藻培育也需克服一些困难。首先，发光二极管比较昂贵，矿井水藻培育成本大部分用于安装矿井内的照明系统。其次，发光二极管运转需要电力，这样就造成了能源生产能源的局面。不过电力来源非常多样化，研究人员倾向用地热发电[6]。
据报道，英国启动了一项藻类生物燃料公共资助项目，计划耗资2600万英磅(时值约2.8亿元人民币)，于2020年前实现利用藻类生产运输燃料以代替传统化石燃料[1]。
澳大利亚Linc能源公司从事开发Chinchilla 地下煤气化(UCG)，从合成气制燃油的工作。该公司2007年11底宣布，与BioCleanCoal公司组建合资企业，开发光合成工艺和将CO2转化为氧及生物质用的海藻生物反应器。Linc能源公司在此后一年内将投入100万澳元开发原型装置，用于在Chinochilla地区运行[7]。
德国RWE电力公司和从事生物技术的BRAIN (生物技术研究与信息网络)公司于2010年1月7日宣布，正在联合开发将CO2转化为微生物质或生物分子的技术。两家公司期望采用新的酶以生产微生物，并开发新的合成途径。来自燃煤电站富含CO2的烟气将被转化成微生物质。目前正在开发微生物质可能的应用领域，如用作建筑和隔热材料，生产精细化学品和专用化学品。RWE电力公司位于德国Niederausm电厂所在地的煤创新中心已设置了实验装置。CO2转化将采用微生物工程途径，用合成生物学方式实现[8]。
新西兰Aquaflow生物经济公司针对微藻生产的生物柴油，进行了世界首次概念验证。2006年12月，能源部长David Parker以该公司生产的生物柴油为动力，驾驶一部未经改装的标准豪华休旅车，沿着惠灵顿高速公路奔驰。
荷兰AlgaeLink公司是一家拥有工业化藻类培养设备和藻油加工技术的跨国公司。该公司向全球销售其反应器，并提供相关技术支持。2008年4月该公司与荷兰航空公司签订了利用藻油开发航空燃油的协议。
俄罗斯“消息报”2009年5月27日报道，俄科学院微生物研究所和有机化合物研究所研制出利用微生物将CO2转化成无害醋酸的工艺。科研人员在研究中使用了被置于聚乙烯罐内酒精凝胶中的类醋酸无氧微生物，这类微生物是CO2转化成醋酸的生物催化剂。由于凝胶的保护作用，这种生物催化剂可保持多年不变。
从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为‘地球研究更新技术计划’。该项目利用微藻来生物固定CO2，并着力开发密闭式光生物反应器技术。通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2，生产生物质能塬。该项计划共有大约20多家民营公司和政府的研究机构参与，10年间共投资约25亿美元，筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立起了光生物反应器的技术平台，并提出了微藻生物质能源的技术方案。
日本海洋研究开发机构透露，该机构正在开发一项将CO2转化成甲烷的新技术，其关键是将CO2封存到海底煤层中，然后以细菌为媒介将其转化为天然气。这一尝试尚属首次。该机构期望在未来3～
5年内能够完成。
CO2封存技术被认为是减少温室气体排放的有效途径。据日本“读卖新闻”2010年1月4日报道，日本海洋研究开发机构计划把青森县下北半岛附近的海底煤田作为CO2封存场所。在下北半岛附近海底2000m～4000m深处，分布着海绵状的‘褐煤层’。这是一种尚未发育成熟的煤炭层，容易吸收气体和液
体。此前的研究显示，该海域的‘褐煤层’中存在着将CO2转化成甲烷的‘产甲烷菌’。甲烷是天然气的最主要成分，在自然条件下，产甲烷菌在地层中将CO2转化成甲烷需要1亿至100亿年时间。日本研究人员的目的是开发出提高产甲烷菌转化能力的技术，使转化周期缩短至100年以内。该机构预测，分布于日本东北地区到北海道的海底‘褐煤层’，能封存多达2000万t CO2，因此这里将来很可能成为巨大的天然气资源库[9]。
3国内微生物固碳制造新物质能源技术研究动向
上海市科委支持的‘微藻制油’产业化小型示范项目，日前在上海交大生物质能研究中心启动。项目旨在把藻类反应器建在燃煤电厂旁，让绿藻来‘吃掉’电厂排放的大量CO2，并‘吐’出高质量的生物柴油。这项研究一旦取得成功，将为我国微藻制油的产业化奠定基础。项目负责人缪晓玲表示，他们将和企业合作，利用培育绿藻的反应器吸收电厂排放的CO2，通过一系列工艺手段，将温室气体最终转化为生物柴油。“据估计，每产出1t干藻粉，就可减排1.8t CO2。”据悉，中石化、壳牌、埃克森美孚等知名企业都在研发微藻制油。但至今为止，全球还没有产业化中试成功的案例。缪晓玲解释说，这是因为微藻制油的成本还太高，阻碍了产业化进程。在她看来，除了要降低各个生产环节的成本，当务之急是加强对微藻的综合利用。微藻除了能产油，还含有蛋白质、糖类等多种成分，因此可利用它们制成高附加值产品，如食品添加剂、保健品等，从而提高微藻制油的‘产值’，减轻生产成本带来的压力[10]。
山东科技大学针对工业的集中排放，研制了一种塔式立体养殖反应器，进行了中试实验，实现了微藻固碳，并利用副产微藻连续湿式生产生物原油。这项可大规模减排CO2的研究成果已通过鉴定，被认为达到同类研究的国际先进水平。目前，已进入成果转化阶段，准备在我国西南一带建工业示范基地[11]。该技术的主体设备是一种适合微藻生长的塔式立体培养器。含CO2的电厂烟气从塔底分段供入、逐级溶碳脱氧、分段外排；而含藻种的养殖液体从塔顶逐级流到塔底，通过光合作用完成微藻的一个生长周期；塔底微藻与养殖液分离，大部分藻液外排，分离微藻和养殖液，小部分藻液作为藻种，回收的养殖液在补充营养后，用养殖液泵送回塔顶进行再循环，通过微藻连续养殖和CO2减排偶联，最终实现CO2的固定和资源化利用。这个过程采用分级进气的塔式反应器和液体高停留时间塔板，还包括分离装置、泵系统、高压裂解装置、加热炉等设备，整个生产设施立体布置，占地面积小，有助于溶碳脱氧，且对藻类剪切作用较小，能耗不大；解决了溶氧积累问题；易于放大和大规模工业生产。此外，配套设备较简单，投资不高。微藻通过高压水相无相变反应制取生物油，制油成本低；微藻转化所得的生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg，是木材和农作物秸秆的1.5倍。这项技术工业化后，因很难找到足够大空间实现工业化户外养殖，就不可能利用太阳光。因此，电就成了重要的能耗。为此，除了选用高效率LED光源系统，只能是提高微藻密度和生长速度，相对降低能耗和相对提高减排效果。该课题组估算的微藻固碳产油经济效益如下：以60万kW燃煤发电厂为例，年排放CO2260万t。利用这项技术，设CO2捕集封存率为75%，微藻转化率为30%，微藻液化油收率也是30%。估算CO2处理综合成本小于200元/t。捕集CO2：260×75%=195万t；转化微藻：195×30%=58.
5万t；生产微藻液化油：58.5×30%=17.55万t；产值:17.55×0.25=4.39亿元（油价以2500元/t计）；生产成本：195×0.02=3.9亿元；毛利：4.39-3.9=0.49亿元。在封存和利用CO2的同时，还能产生97.5万t氧气。另外把减排的CO2纳入清洁发展机制(CDM)，还能获得额外收益。因而，经济效益非常看好。
课题组导师山东科技大学教授田原宇说：“一项技术总是会有局限性。”目前，这项技术最大难点是选择高固碳的减排藻种。藻种筛选有4＋1标准：快速生长、适应高浓度CO2与烟气处理极端条件（高温、酸性、CO2、NO x、SO2）、抗高碱性(最适pH8～13)、高密度培养、抗聚结。目前，课题组已与合作伙伴找到了能快速生长的固碳藻种。这种藻的长径比
比较小，容易培养，经20层塔板就能成熟；生长快，得到的生物量大；利用后温室气体减排量大。这项技术另一个缺点是，微藻对环境有一个相对应的适应能力，在高浓度CO2环境中，反而不能正常生长。如果把高浓度的CO2稀释到可以利用的程度，经济上又不合算。田原宇希望未来能和其它科研院所、高校和企业联合，共同推进工业化微藻生物固碳技术的进步和应用[12]。
在第十二届全国催化学术会议(2005.8.1，北京)上，宣读了辛嘉英等人完成的“甲烷氧化细菌生物转化CO2制甲醇”的报告。该项研究工作主要内容是，在甲烷单加氧酶和脱氢酶系的作用下，甲烷氧化细菌M.trichosporiun IMV3011可以把甲烷氧化成CO2，在反应体系中充入一定比例的CO2后，检测到甲醇的积累。混合气中CO2/CH4/O2/N2的体积比为2/1/1/1时，甲醇积累达到最大。在超滤膜反应器中进行
了连续反应，利用反应混合气产生的压力将生成的甲醇从反应体系中分离-连续反应9次后，甲醇的积累没有明显下降。
张长青提出一项涉及生物光合反应堆CO2气体转化装置的实用新型专利[13]。该生物光合反应堆CO2气体转化装置包括与CO2排放源相连接的CO2过滤脱硫装置、CO2储气罐、CO2喷射扰流系统、双循环生物反应塔、光合光源控制系统、调温循环系统、氧气收集塔、微生物分离采收系统和若干管道组成。双循环生物反应塔是由内罐和外罐构成。在内罐内部安装有CO2喷射扰流系统和二极管光合光源控制系统。在外罐底部安装有调温循环系统。氧气收集塔通过管道、气阀、气体离心泵与内罐底部相连接，并在内罐下部通过管道连接有微生物分离采收系统。本方法采用的微生物是一种微藻。方法的优点是利用生物光合反应堆将废弃的CO2完全转化成氧气，同时生产出的微生物悬浮液含有大量活性蛋白质，可作绿色液体肥料和动物饲料；可进行工业化生产，大量处理CO2。
4技术优势
对国内外微生物固碳制造新物质能源技术研究状况进行分析总结，得出该技术路线具有以下显著优势：
（1）微生物可以高效吸收CO2并将其转化成有用的物质能源，为解决当今温室效应引发的环境危机提供一条有效途径；
（2）直接利用太阳能或化学能来进行固碳的方式较其他方法节省了大量的能源；
（3）生成的物质能源是绿色清洁的可再生资源，可以应用到食品、能源工业等领域，避免了其他方法处理后带来的“二次污染”。在当今全球环境严重污染的情况下，开发应用它对保护环境和缓解全球面临的能源危机都十分有利，在保障能源供给、稳定经济发展方面将发挥积极作用。
（4）若能因地制宜地进行培养种植相关微生物，便能“就地取木成油”，而不需勘探、钻井、采矿，也减少了长途运输，成本低廉，易于普及推广。
（5）微生物生长迅速，能通过规模化种植确保产量。
（6）生成的物质能源使用起来要比核电等能源安全得多，不会发生爆炸，泄漏等安全事故。
5存在问题及发展趋势
目前该技术暂时还处于实验室阶段，要将其工业化并大规模推广还存在一定问题：
（1）要选育并训化耐高浓度CO2且能高效吸收CO2的微生物，但目前相关的研究及取得的进展非常稀少；
（2）需要提供适合微生物生长的环境以求获得较高的CO2吸收率，这就对设备的运行提出了较高的要求，即对技术和成本提出了双重的挑战。
针对以上问题，提出了如下今后研究方向：
（1）运用基因工程及训化等手段培养并筛选出高效固碳微生物；
（2）运用混合培养提高微生物固定CO2的能力；
（3）开发和放大高效光生物反应器，进一步提高CO2的处理量。
6结语
微生物将废弃的CO2转化为有用的物质能源从而为解决环境和能源双重危机提供了一条有效途径，是一条具有巨大开发潜力和广阔应用前景的绿色资源可再生技术路线。尽管微生物固碳制造新物质能源目前尚处于研发阶段，但由于各国极为重视、大力投资和科研人员的不懈努力，大规模生产将指日可待。
