低碳新能源微藻生物柴油現(xiàn)狀與創(chuàng)新

1、第九章環(huán)境保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展低碳新能源微藻生物柴油現(xiàn)狀與創(chuàng)新盧碧林（長(zhǎng)江大學(xué)地球化學(xué)系湖北荊州）摘要由于石油資源日益枯竭和化石燃料使用產(chǎn)生的全球生態(tài)環(huán)境變化問題，可再生的、清潔無(wú)污染的綠色替代能源的開發(fā)日益受到人們的重視。生物能源中的一個(gè)重要產(chǎn)品是生物柴油，但制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題是成本過高和原料不足。微藻是第二代生物柴油原料，其生物柴油產(chǎn)業(yè)化研究技術(shù)開發(fā)已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外生物能源領(lǐng)域及控制碳排放領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文概述了用于提取生物燃料的微藻藻種的篩選分離、育種、大規(guī)模培養(yǎng)、采收方法及生物柴油的制備工藝等方面的現(xiàn)狀，并對(duì)該產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展思路進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞微藻生物柴油選育培養(yǎng)一、低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)

2、境下生物新能源發(fā)展背景化石燃料使用給人類社會(huì)帶來(lái)了極大便利，但同時(shí)也產(chǎn)生了全球生態(tài)環(huán)境變化的問題，大量的有害氣體如小。和：等的排放造成了溫室效應(yīng)和酸雨現(xiàn)象，改變了人類生存的氣候及環(huán)境條件，導(dǎo)致生存環(huán)境不斷惡化。我國(guó)隨著改革開放后持續(xù)多年的高速發(fā)展，能源需求大增，環(huán)境污染加劇，加上國(guó)際能源供應(yīng)緊張，價(jià)格持續(xù)飆升，能源生產(chǎn)和消費(fèi)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求和環(huán)境質(zhì)量改善的雙重壓力。特別是我國(guó)能源供需矛盾突出，能源供應(yīng)短缺和浪費(fèi)并存，能源結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致嚴(yán)重污染，積極開展綠色能源計(jì)劃已迫在眉睫。生物質(zhì)能源作為一種來(lái)源廣泛的可再生能源，其開發(fā)利用不僅有助于緩解化石燃料日益枯竭給全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的危機(jī)，還可以減少主要溫

3、室氣體和污染物的排放，有利于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡，改善人類生存環(huán)境¨。目前幾乎所有的可再生能源（如水電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮埽┒技性陔娏π袠I(yè)，但是現(xiàn)階段太陽(yáng)能發(fā)電的成本是煤電水電的倍，一些地區(qū)風(fēng)能發(fā)電價(jià)格高于煤電水電。從世界范圍看，預(yù)計(jì)到年太陽(yáng)能發(fā)電也只達(dá)到世界電力供應(yīng)的，現(xiàn)階段燃料需求占全球能源需求總量的，而全球已探明的石油、天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量將分別在今后年、年和年左右面臨耗盡。因此發(fā)展生物柴油等生物能源被認(rèn)為是世紀(jì)世界能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變的一個(gè)方向和重要組成部分舊。生物柴油是用植物油脂、動(dòng)物油脂、廢餐飲油等可再生植物油加工制取的新型燃料，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究口，以油料

4、和動(dòng)物脂肪為原料的生物柴油的生產(chǎn)產(chǎn)量占當(dāng)前的交通運(yùn)輸燃料需求量的。但生物柴油原料供應(yīng)短缺和成本過高問題成為制約生物柴油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸，同時(shí)增加耕地進(jìn)行生物燃料生產(chǎn)，以大量消耗糧食和油料作物為代價(jià)的生物燃料開發(fā)，一定程度上引發(fā)了糧食等農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的上漲，可能對(duì)全球糧食供應(yīng)帶來(lái)嚴(yán)重后果。另辟蹊徑，培育出高產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良燃料油原料，是生物柴油產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。微藻作為一類光能自養(yǎng)型單細(xì)胞生物，與油料植物等其他原料相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：光合作用效率高、含油量高、生長(zhǎng)周期短、單位面積油脂產(chǎn)率高，具有其他油料作物無(wú)法比擬的潛在優(yōu)勢(shì)一。在光自養(yǎng)培養(yǎng)過程中可固定大量：，符合全球：減排新趨勢(shì)，而且可使微藻光

5、自養(yǎng)生長(zhǎng)所需的生產(chǎn)成本大幅降低。光自養(yǎng)培養(yǎng)過程可利用廢水中的、等營(yíng)養(yǎng)，從而可降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化。不與農(nóng)作物爭(zhēng)地、爭(zhēng)水。微藻可利用灘涂、鹽堿地、荒漠以及海水、鹽堿水和荒漠地區(qū)的基金項(xiàng)目：湖北教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)）；國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目（）；湖北省火炬計(jì)劃項(xiàng)目（）中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（）地下水等進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)。個(gè)體小、木質(zhì)素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻來(lái)生產(chǎn)液體燃料所需的后處理?xiàng)l件相對(duì)較低。微藻因此成為低碳經(jīng)濟(jì)下第二代生物柴油的首選原料。微藻生物柴油研究現(xiàn)狀從美國(guó)年立項(xiàng)微藻生物柴油方面的研究開始，微藻生物柴油在藻種篩選與選育、大規(guī)模培養(yǎng)、采收技術(shù)、生物柴油制備等方面取得了較大進(jìn)展。

6、目前國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家利用各種方法篩選出了一批生長(zhǎng)速度快、脂質(zhì)含量較高的微藻，分屬于綠藻、硅藻、藍(lán)藻、金藻和紅藻等¨，為低成本的生物燃料的生產(chǎn)提供了原料支持。微藻的分離、純化方法主要有微吸管分離法、水滴分離法、稀釋分離法和平板分離法等。微藻育種方法主要有選擇育種、誘變育種、細(xì)胞融合、葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)篩選、基因工程育種等。選擇育種是藻類遺傳育種基礎(chǔ)，誘變育種是微藻育種中使用最多的一種方法¨，基因工程育種是微藻育種最有效的方法。近年來(lái)微藻基因工程的研究取得了許多進(jìn)展。在微藻中表達(dá)重要的蛋白、多肽甚至次生產(chǎn)物合成酶體系，通過分子生物學(xué)技術(shù)阻斷或修飾代謝途徑，已經(jīng)創(chuàng)制具有商業(yè)價(jià)值的工程藻

7、株和開發(fā)高價(jià)值微藻產(chǎn)品，如美國(guó)國(guó)家可更新實(shí)驗(yàn)室（）通過現(xiàn)代生物技術(shù)建成“工程微藻”，該微藻在實(shí)驗(yàn)室條件下可使“工程微藻”中脂質(zhì)含量增加到以上，戶外生產(chǎn)也可增加到以上¨刮。利用基因工程技術(shù)進(jìn)行微藻選育采用的方法主要有：外源導(dǎo)入：目前采用基因槍法、玻璃珠法、金剛砂法和電擊法等能將外緣導(dǎo)入微藻中，其中基因槍法是一個(gè)常用技術(shù)，用于葉綠體和線粒體的基因傳導(dǎo)已經(jīng)成功使用在綠藻和硅藻中，。篩選標(biāo)記及其啟動(dòng)子：篩選標(biāo)記及其合適的啟動(dòng)子是建立微藻遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的兩個(gè)先決條件。目前已經(jīng)成功將卡那霉素抗性基因作為篩選標(biāo)記應(yīng)用于，馴。而抗生素的耐藥基因、一乙酰化轉(zhuǎn)移酶基因、硫陰離子輸運(yùn)蛋白基因一也成功應(yīng)用到微

8、藻中，啟動(dòng)子方面乙酸輔酶羧化酶基因和葉綠素結(jié)合蛋白基因啟動(dòng)子廣泛在微藻中成功表達(dá)外源基因舊¨。相關(guān)基因：是脂肪酸生物合成途徑的關(guān)鍵限速酶，目前“工程微藻”中脂質(zhì)含量的提高主要是通過乙酰輔酶羧化酶（）基因在微藻細(xì)胞中的高效表達(dá)，并于年將基因轉(zhuǎn)化小環(huán)藻成功。利用基因工程進(jìn)行新藻種的選育具有目標(biāo)明確，針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但對(duì)于微藻基因工程的研究還處于初級(jí)階段，當(dāng)前已轉(zhuǎn)化的微藻種類還較少，主要原因是外源基因或經(jīng)體外修飾后的內(nèi)源基因?qū)胛⒃搴蟛荒苓M(jìn)行基因表達(dá)，同時(shí)其安全性還有待迸一步驗(yàn)證。微藻多為光合自養(yǎng)，自養(yǎng)微藻的大規(guī)模培養(yǎng)多采用傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)、封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)和封閉式的發(fā)酵罐生

9、產(chǎn)。敞開式跑道式培養(yǎng)是傳統(tǒng)而又簡(jiǎn)單的微藻培養(yǎng)模式，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)建簡(jiǎn)單、投資成本低廉及操作簡(jiǎn)便，但開放式培養(yǎng)過程受光照、溫度等自然環(huán)境影響較大，并且水分蒸發(fā)嚴(yán)重，二氧化碳供給不足，易被真菌、原生動(dòng)物和其他藻種污染，這些因素都將導(dǎo)致細(xì)胞培養(yǎng)密度偏低。產(chǎn)量低、培養(yǎng)面積大、生長(zhǎng)因子難控制、：補(bǔ)加困難、收獲成本高、易被其他生物污染和產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點(diǎn)。封閉式光生物反應(yīng)器有較高的光能利用效率，并且可以進(jìn)行全天候的連續(xù)或半連續(xù)培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)光合生物的高密度培養(yǎng)并獲得較高的單位面積或體積生物量產(chǎn)量，適合微藻的大量和高密度培養(yǎng)，已成為當(dāng)今的發(fā)展方向忙川。目前封閉式反應(yīng)器有多種形式，如發(fā)酵罐式、管式和板式等光生物反應(yīng)器平

10、板式光生物反應(yīng)器光合作用效率較高，能得到較高密度的藻體（）陋。柱式光生物反應(yīng)器可分為鼓泡式和氣升式兩種，由于混合效果好，單位體積氣體傳遞速率高以及培養(yǎng)條件易控等優(yōu)勢(shì)，這種反應(yīng)器被認(rèn)為最適合藻類大規(guī)模培養(yǎng)。一般藻類工業(yè)生產(chǎn)中采用的密閉式反應(yīng)器多為管式光生物反應(yīng)器。為了降低反應(yīng)器成本，也有采用一次性塑料生產(chǎn)光反應(yīng)器。與開放式光池相比，封閉式光生物反應(yīng)器無(wú)污染，適用于各種微藻的培養(yǎng)；培養(yǎng)過程中，生長(zhǎng)參數(shù)容易控制，培養(yǎng)環(huán)境非常穩(wěn)第九章環(huán)境保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展定；不受外界環(huán)境因素影響，全年生長(zhǎng)期較長(zhǎng)；比表面積大，光能利用率高，可以維持較高的培養(yǎng)密度而且容易收獲。但密閉式光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，放大較難，成

11、本較高，技術(shù)上也存在一些限制因素。比如當(dāng)微藻達(dá)到較高細(xì)胞密度時(shí)，光的穿透性受到限制，內(nèi)部細(xì)胞難以得到充分的光照；水壓增加使細(xì)胞受損，溫度難控制，反應(yīng)器表面和傳感器上的生物附著等問題。封閉式的發(fā)酵罐培養(yǎng)可以大量培養(yǎng)隱甲藻（）等異養(yǎng)藻，但是對(duì)于其他的自養(yǎng)藻卻很不利。該發(fā)酵罐培養(yǎng)需要較高的操作技術(shù)，培養(yǎng)基的添加等也限制著該方法的應(yīng)用。一些藻類能利用有機(jī)物（如葡萄糖、醋酸鹽等）作為唯一的碳源和能源進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。與自養(yǎng)培養(yǎng)方式相比，異養(yǎng)培養(yǎng)過程無(wú)需光照，具有較大的培養(yǎng)密度，底物的轉(zhuǎn)化率高，能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)條件的自動(dòng)化控制，可降低采收和產(chǎn)物提純等下游技術(shù)的成本，可以利用傳統(tǒng)發(fā)酵設(shè)備生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)品。藻類的異養(yǎng)生長(zhǎng)

12、，不僅可提高細(xì)胞內(nèi)脂類的含量，而且也是提高其生物量的有效途徑。這種培養(yǎng)方式避免了光自養(yǎng)培養(yǎng)過程中光抑制或光限制等問題，降低了能耗，節(jié)約了成本，為工業(yè)化大規(guī)模高密度培養(yǎng)微藻奠定了基礎(chǔ)。但并不是所有微藻都能以有機(jī)碳源為底物進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)，同時(shí)異養(yǎng)培養(yǎng)微藻失去了光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)過程中不僅不能固定：反而會(huì)排放出：；成本高，需要外加碳源；異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)易被生長(zhǎng)速度快的細(xì)菌污染。微藻混合培養(yǎng)能利用有機(jī)物、碳源，同時(shí)進(jìn)行光合作用。微藻的混合培養(yǎng)過程中，光合自養(yǎng)和化能異養(yǎng)是同步且相對(duì)獨(dú)立的過程。光照對(duì)兩條代謝途徑都有影響，但影響程度不同。微藻生物量的采收過程是生產(chǎn)過程的一個(gè)限制因素。在正常生產(chǎn)中的藻濃

13、度相對(duì)較低，為，并且藻細(xì)胞很小、脆弱，易受到損傷破裂。因此用常規(guī)的動(dòng)力離心、過濾及自然沉淀法不能有效地收集藻體。單獨(dú)運(yùn)用化學(xué)絮凝法、過濾法、微氣泡絮凝懸浮法收集微藻都有一定的優(yōu)勢(shì)和局限性。指數(shù)生長(zhǎng)期末期是微藻的收獲期，應(yīng)根據(jù)微藻的特性選擇不同的方法和試劑，將其從培養(yǎng)液中分離出來(lái)?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，目前一般采用絮凝法、離心法和氣浮法種方法采收微藻。其中化學(xué)絮凝法需要針對(duì)不同種類的微藻尋找合適的絮凝劑；離心分離法比較簡(jiǎn)單，但成本較高；氣浮法采收小球藻成本較低，又可連續(xù)化操作，適合大生產(chǎn)的需要，但是氣浮法需要向藻液中鼓人大量的氣體，采收效果受到絮凝劑用量、和充人的氣泡密度等因素影響。酯交換法是當(dāng)前制備

14、生物柴油的常用方法。根據(jù)催化劑類型的不同，酯交換法主要分酸催化、堿催化、生物酶催化和超臨界催化四種。酸催化的酯化反應(yīng)需要較高的溫度，耗能較高；堿催化的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)化率高，但容易產(chǎn)生皂化，且在后處理中容易產(chǎn)生污水；酶催化的缺點(diǎn)是酶的價(jià)格較高；超臨界法的特點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)物易分離但其反應(yīng)設(shè)備條件要求高，醇耗量大，生產(chǎn)成本高。目前酸催化的反應(yīng)條件為、醇油質(zhì)量比：、反應(yīng)時(shí)間；堿催化的反應(yīng)條件為、醇油比：、催化劑用量為，反應(yīng)時(shí)間；采用超聲化學(xué)技術(shù)與固定化半導(dǎo)型納米氧化物催化生產(chǎn)微藻生物柴油也取得進(jìn)展舊】。三、微藻生物柴油研究開發(fā)中存在問題目前微藻生物柴油的研究和開發(fā)處于起步階段，結(jié)合已有的研究結(jié)

15、果分析，存在的突出問題是成本過高，技術(shù)層面上許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，開發(fā)應(yīng)用上相關(guān)工程技術(shù)需要集成，組織管理上支撐資金配套政策亟須完善。首先，高成本是目前限制該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。根據(jù)的數(shù)據(jù)，每公頃海藻的生物柴油生產(chǎn)系統(tǒng)的營(yíng)運(yùn)成本為美元，其中包括了固定資產(chǎn)折日、人工、電力、化工原料、維護(hù)保養(yǎng)及投資回報(bào)等所有經(jīng)營(yíng)成本【。據(jù)此可測(cè)算出，從工程海藻中提取生物柴油在美國(guó)的成本為美形桶，相當(dāng)于人民幣約形，明顯高于現(xiàn)有石化柴油。其次，原料問題也限制該技術(shù)的發(fā)展。微藻細(xì)胞小、細(xì)胞壁大多堅(jiān)硬，缺乏經(jīng)濟(jì)有效的藻體收獲和細(xì)胞破壁技術(shù)，也是當(dāng)前面臨的問題。目前，生長(zhǎng)快的微藻藻種通常含油量只有一中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論

16、文集（），而含油量大于的藻種生長(zhǎng)速度較慢，體積小于的細(xì)胞不易于收獲。再次，缺乏成熟的工業(yè)化工藝技術(shù)。現(xiàn)有微藻的研究工作多停留在實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)?；A(chǔ)上，關(guān)鍵培養(yǎng)裝置的規(guī)模僅僅只有幾百噸，缺少工業(yè)化培養(yǎng)的大型光生物反應(yīng)器裝置以及適宜于自然陽(yáng)光和溫度變化條件下的細(xì)胞高密度原理與培養(yǎng)技術(shù)，如何規(guī)模放大是當(dāng)前的主要瓶頸。微藻細(xì)胞工程培養(yǎng)存在多種渠道的敵害生物污染，嚴(yán)重影響培養(yǎng)效率甚至導(dǎo)致徹底失敗，需要建立敵害生物污染綜合防治技術(shù)。另外，生物柴油產(chǎn)業(yè)化還存在投入資金不足、政策滯后等問題。四、微藻生物柴油的發(fā)展方向建立工業(yè)化微藻產(chǎn)油技術(shù)集成平臺(tái)，對(duì)限制微藻生物能源開發(fā)的關(guān)鍵理論和應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)開展多學(xué)科攻關(guān)，突

17、破關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝和流程，完善政策管理體系。采用系統(tǒng)生物學(xué)方法，提高微藻油脂產(chǎn)量。以抗敵害生物污染能力強(qiáng)、生長(zhǎng)快、胞內(nèi)油含量高（含油量）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合適應(yīng)多種極端或脅迫生理?xiàng)l件（耐鹽堿、光溫脅迫、光氧化脅迫、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)脅迫）和具有高值化綜合利用的潛力，采用系統(tǒng)生物學(xué)和基因工程方法，開展能源微藻藻種的選育（包括誘變育種，特別是分子生物學(xué)改造等），確定適合于不同氣溫條件下培養(yǎng)的能源微藻藻種（尤其是低溫藻種）。多學(xué)科交叉，強(qiáng)化微藻培養(yǎng)、采收和分離生產(chǎn)效率。用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器是微藻大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)平臺(tái)，在設(shè)計(jì)高效的光生物反應(yīng)器時(shí)要充分考慮反應(yīng)器內(nèi)、外環(huán)境因素，藻類的生物學(xué)特性

18、以及生產(chǎn)成本。反應(yīng)器的采光面積、體系的循環(huán)方式、光通量密度、溫度、等因素都會(huì)對(duì)微藻的培養(yǎng)產(chǎn)生很大的影響。通過光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)使反應(yīng)器增大比表面積，充分利用光能；增強(qiáng)氣液傳質(zhì)效率，保證穩(wěn)定的最大生物量產(chǎn)率；提供高效光源，盡可能保持最高的光能轉(zhuǎn)化效率，保證反應(yīng)器整體的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)；選用適宜的材料并根據(jù)所培養(yǎng)藻類的特點(diǎn)確定反應(yīng)器大小、形狀及結(jié)構(gòu)；反應(yīng)器的總體積結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)潔、實(shí)用，并且易于放大。微藻制備生物柴油的過程中，收獲藻體、細(xì)胞干燥、裂解和抽提油脂的花費(fèi)占柴油生產(chǎn)總成本的一。通過用有機(jī)溶劑與培養(yǎng)液共混，使細(xì)胞內(nèi)油脂連續(xù)被抽提至有機(jī)相，藻細(xì)胞仍能保持良好的生長(zhǎng)趨勢(shì)，經(jīng)蒸餾分離有機(jī)溶劑（重復(fù)利用）和油脂，是新的研究方向。優(yōu)化系統(tǒng)，降低微藻生物柴油生產(chǎn)系統(tǒng)成本。根據(jù)中試運(yùn)行的實(shí)際成本，進(jìn)行微藻生物柴油生產(chǎn)系統(tǒng)中微藻生物柴油、能源微藻胞內(nèi)生物活性物質(zhì)等副產(chǎn)品開發(fā)利用（如蛋白質(zhì)、多糖、色素、多不飽和脂肪酸等微藻源系列產(chǎn)品）以及包括：減排、富含和的廢水處理等產(chǎn)生的收益等的綜合評(píng)估和預(yù)測(cè)，確定我國(guó)不同區(qū)域、不同季節(jié)的微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化成本及進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。參考文獻(xiàn)，：一：，（）：￥，（）：盧碧林，周玲革，毛治超生物柴油的應(yīng)用研究進(jìn)展生物技術(shù)，（）：，：惜，：盧碧林，鄔皓，葉婧棉籽油制備生物柴油技術(shù)研究糧油加工，：第九章環(huán)境保護(hù)相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展，：，（）