低碳新能源微藻生物柴油現(xiàn)狀與創(chuàng)新

1、第九章環(huán)境保護相關領域研究進展低碳新能源微藻生物柴油現(xiàn)狀與創(chuàng)新盧碧林（長江大學地球化學系湖北荊州）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。生物能源中的一個重要產(chǎn)品是生物柴油，但制約其發(fā)展的關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)化研究技術開發(fā)已成為近年來國內外生物能源領域及控制碳排放領域的研究熱點。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，并對該產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展思路進行了分析。關鍵詞微藻生物柴油選育培養(yǎng)一、低碳經(jīng)濟環(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帶來了極大便利，但同時也產(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和酸雨現(xiàn)象，改變了人類生存的氣候及環(huán)境條件，導致生存環(huán)境不斷惡化。我國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，加上國際能源供應緊張，價格持續(xù)飆升，能源生產(chǎn)和消費面臨經(jīng)濟發(fā)展需求和環(huán)境質量改善的雙重壓力。特別是我國能源供需矛盾突出，能源供應短缺和浪費并存，能源結構特征導致嚴重污染，積極開展綠色能源計劃已迫在眉睫。生物質能源作為一種來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)濟發(fā)展帶來的危機，還可以減少主要溫

3、室氣體和污染物的排放，有利于維護生態(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、太陽能、風能、潮汐能、地熱能）都集中在電力行業(yè)，但是現(xiàn)階段太陽能發(fā)電的成本是煤電水電的倍，一些地區(qū)風能發(fā)電價格高于煤電水電。從世界范圍看，預計到年太陽能發(fā)電也只達到世界電力供應的，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、天然氣和煤炭儲量將分別在今后年、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為是世紀世界能源結構戰(zhàn)略性轉變的一個方向和重要組成部分舊。生物柴油是用植物油脂、動物油脂、廢餐飲油等可再生植物油加工制取的新型燃料，國內外眾多學者進行了大量的研究口，以油料

4、和動物脂肪為原料的生物柴油的生產(chǎn)產(chǎn)量占當前的交通運輸燃料需求量的。但生物柴油原料供應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，同時增加耕地進行生物燃料生產(chǎn)，以大量消耗糧食和油料作物為代價的生物燃料開發(fā)，一定程度上引發(fā)了糧食等農(nóng)產(chǎn)品價格的上漲，可能對全球糧食供應帶來嚴重后果。另辟蹊徑，培育出高產(chǎn)、適應性強的優(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。微藻作為一類光能自養(yǎng)型單細胞生物，與油料植物等其他原料相比具有如下優(yōu)點：光合作用效率高、含油量高、生長周期短、單位面積油脂產(chǎn)率高，具有其他油料作物無法比擬的潛在優(yōu)勢一。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，而且可使微藻光

5、自養(yǎng)生長所需的生產(chǎn)成本大幅降低。光自養(yǎng)培養(yǎng)過程可利用廢水中的、等營養(yǎng)，從而可降低水體的富營養(yǎng)化。不與農(nóng)作物爭地、爭水。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)的基金項目：湖北教育廳重點科研項目（項目編號）；國家火炬計劃項目（）；湖北省火炬計劃項目（）中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（）地下水等進行大規(guī)模培養(yǎng)。個體小、木質素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻來生產(chǎn)液體燃料所需的后處理條件相對較低。微藻因此成為低碳經(jīng)濟下第二代生物柴油的首選原料。微藻生物柴油研究現(xiàn)狀從美國年立項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、生物柴油制備等方面取得了較大進展。

6、目前國內外的科學家利用各種方法篩選出了一批生長速度快、脂質含量較高的微藻，分屬于綠藻、硅藻、藍藻、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、細胞融合、葉綠素熒光技術篩選、基因工程育種等。選擇育種是藻類遺傳育種基礎，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。近年來微藻基因工程的研究取得了許多進展。在微藻中表達重要的蛋白、多肽甚至次生產(chǎn)物合成酶體系，通過分子生物學技術阻斷或修飾代謝途徑，已經(jīng)創(chuàng)制具有商業(yè)價值的工程藻

7、株和開發(fā)高價值微藻產(chǎn)品，如美國國家可更新實驗室（）通過現(xiàn)代生物技術建成“工程微藻”，該微藻在實驗室條件下可使“工程微藻”中脂質含量增加到以上，戶外生產(chǎn)也可增加到以上¨刮。利用基因工程技術進行微藻選育采用的方法主要有：外源導入：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入微藻中，其中基因槍法是一個常用技術，用于葉綠體和線粒體的基因傳導已經(jīng)成功使用在綠藻和硅藻中，。篩選標記及其啟動子：篩選標記及其合適的啟動子是建立微藻遺傳轉化系統(tǒng)的兩個先決條件。目前已經(jīng)成功將卡那霉素抗性基因作為篩選標記應用于，馴。而抗生素的耐藥基因、一乙酰化轉移酶基因、硫陰離子輸運蛋白基因一也成功應用到微

8、藻中，啟動子方面乙酸輔酶羧化酶基因和葉綠素結合蛋白基因啟動子廣泛在微藻中成功表達外源基因舊¨。相關基因：是脂肪酸生物合成途徑的關鍵限速酶，目前“工程微藻”中脂質含量的提高主要是通過乙酰輔酶羧化酶（）基因在微藻細胞中的高效表達，并于年將基因轉化小環(huán)藻成功。利用基因工程進行新藻種的選育具有目標明確，針對性強等特點，但對于微藻基因工程的研究還處于初級階段，當前已轉化的微藻種類還較少，主要原因是外源基因或經(jīng)體外修飾后的內源基因導入微藻后不能進行基因表達，同時其安全性還有待迸一步驗證。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)而又簡單的微藻培養(yǎng)模式，其優(yōu)點是構建簡單、投資成本低廉及操作簡便，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)嚴重，二氧化碳供給不足，易被真菌、原生動物和其他藻種污染，這些因素都將導致細胞培養(yǎng)密度偏低。產(chǎn)量低、培養(yǎng)面積大、生長因子難控制、：補加困難、收獲成本高、易被其他生物污染和產(chǎn)品質量低等缺點。封閉式光生物反應器有較高的光能利用效率，并且可以進行全天候的連續(xù)或半連續(xù)培養(yǎng)，實現(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)，已成為當今的發(fā)展方向忙川。目前封閉式反應器有多種形式，如發(fā)酵罐式、管式和板式等光生物反應器平

10、板式光生物反應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，這種反應器被認為最適合藻類大規(guī)模培養(yǎng)。一般藻類工業(yè)生產(chǎn)中采用的密閉式反應器多為管式光生物反應器。為了降低反應器成本，也有采用一次性塑料生產(chǎn)光反應器。與開放式光池相比，封閉式光生物反應器無污染，適用于各種微藻的培養(yǎng)；培養(yǎng)過程中，生長參數(shù)容易控制，培養(yǎng)環(huán)境非常穩(wěn)第九章環(huán)境保護相關領域研究進展定；不受外界環(huán)境因素影響，全年生長期較長；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器結構復雜，放大較難，成

11、本較高，技術上也存在一些限制因素。比如當微藻達到較高細胞密度時，光的穿透性受到限制，內部細胞難以得到充分的光照；水壓增加使細胞受損，溫度難控制，反應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，培養(yǎng)基的添加等也限制著該方法的應用。一些藻類能利用有機物（如葡萄糖、醋酸鹽等）作為唯一的碳源和能源進行異養(yǎng)生長。與自養(yǎng)培養(yǎng)方式相比，異養(yǎng)培養(yǎng)過程無需光照，具有較大的培養(yǎng)密度，底物的轉化率高，能實現(xiàn)培養(yǎng)條件的自動化控制，可降低采收和產(chǎn)物提純等下游技術的成本，可以利用傳統(tǒng)發(fā)酵設備生產(chǎn)高價值產(chǎn)品。藻類的異養(yǎng)生長

12、，不僅可提高細胞內脂類的含量，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。但并不是所有微藻都能以有機碳源為底物進行異養(yǎng)生長，同時異養(yǎng)培養(yǎng)微藻失去了光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻生產(chǎn)優(yōu)點，生產(chǎn)過程中不僅不能固定：反而會排放出：；成本高，需要外加碳源；異養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)易被生長速度快的細菌污染。微藻混合培養(yǎng)能利用有機物、碳源，同時進行光合作用。微藻的混合培養(yǎng)過程中，光合自養(yǎng)和化能異養(yǎng)是同步且相對獨立的過程。光照對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)過程的一個限制因素。在正常生產(chǎn)中的藻濃

13、度相對較低，為，并且藻細胞很小、脆弱，易受到損傷破裂。因此用常規(guī)的動力離心、過濾及自然沉淀法不能有效地收集藻體。單獨運用化學絮凝法、過濾法、微氣泡絮凝懸浮法收集微藻都有一定的優(yōu)勢和局限性。指數(shù)生長期末期是微藻的收獲期，應根據(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?？紤]到經(jīng)濟因素，目前一般采用絮凝法、離心法和氣浮法種方法采收微藻。其中化學絮凝法需要針對不同種類的微藻尋找合適的絮凝劑；離心分離法比較簡單，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。酸催化的酯化反應需要較高的溫度，耗能較高；堿催化的特點是轉化率高，但容易產(chǎn)生皂化，且在后處理中容易產(chǎn)生污水；酶催化的缺點是酶的價格較高；超臨界法的特點是反應時間短，轉化率高，產(chǎn)物易分離但其反應設備條件要求高，醇耗量大，生產(chǎn)成本高。目前酸催化的反應條件為、醇油質量比：、反應時間；堿催化的反應條件為、醇油比：、催化劑用量為，反應時間；采用超聲化學技術與固定化半導型納米氧化物催化生產(chǎn)微藻生物柴油也取得進展舊】。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，結合已有的研究結

15、果分析，存在的突出問題是成本過高，技術層面上許多關鍵技術有待突破，開發(fā)應用上相關工程技術需要集成，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)的營運成本為美元，其中包括了固定資產(chǎn)折日、人工、電力、化工原料、維護保養(yǎng)及投資回報等所有經(jīng)營成本【。據(jù)此可測算出，從工程海藻中提取生物柴油在美國的成本為美形桶，相當于人民幣約形，明顯高于現(xiàn)有石化柴油。其次，原料問題也限制該技術的發(fā)展。微藻細胞小、細胞壁大多堅硬，缺乏經(jīng)濟有效的藻體收獲和細胞破壁技術，也是當前面臨的問題。目前，生長快的微藻藻種通常含油量只有一中國環(huán)境科學學會學術年會論

16、文集（），而含油量大于的藻種生長速度較慢，體積小于的細胞不易于收獲。再次，缺乏成熟的工業(yè)化工藝技術?，F(xiàn)有微藻的研究工作多停留在實驗室和小規(guī)模基礎上，關鍵培養(yǎng)裝置的規(guī)模僅僅只有幾百噸，缺少工業(yè)化培養(yǎng)的大型光生物反應器裝置以及適宜于自然陽光和溫度變化條件下的細胞高密度原理與培養(yǎng)技術，如何規(guī)模放大是當前的主要瓶頸。微藻細胞工程培養(yǎng)存在多種渠道的敵害生物污染，嚴重影響培養(yǎng)效率甚至導致徹底失敗，需要建立敵害生物污染綜合防治技術。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)油技術集成平臺，對限制微藻生物能源開發(fā)的關鍵理論和應用技術難點開展多學科攻關，突

17、破關鍵技術，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)化技術工藝和流程，完善政策管理體系。采用系統(tǒng)生物學方法，提高微藻油脂產(chǎn)量。以抗敵害生物污染能力強、生長快、胞內油含量高（含油量）為評價指標，結合適應多種極端或脅迫生理條件（耐鹽堿、光溫脅迫、光氧化脅迫、營養(yǎng)基質脅迫）和具有高值化綜合利用的潛力，采用系統(tǒng)生物學和基因工程方法，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）。多學科交叉，強化微藻培養(yǎng)、采收和分離生產(chǎn)效率。用于微藻培養(yǎng)的光生物反應器是微藻大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的技術平臺，在設計高效的光生物反應器時要充分考慮反應器內、外環(huán)境因素，藻類的生物學特性

18、以及生產(chǎn)成本。反應器的采光面積、體系的循環(huán)方式、光通量密度、溫度、等因素都會對微藻的培養(yǎng)產(chǎn)生很大的影響。通過光生物反應器的設計使反應器增大比表面積，充分利用光能；增強氣液傳質效率，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化效率，保證反應器整體的高效率運轉；選用適宜的材料并根據(jù)所培養(yǎng)藻類的特點確定反應器大小、形狀及結構；反應器的總體積結構應簡潔、實用，并且易于放大。微藻制備生物柴油的過程中，收獲藻體、細胞干燥、裂解和抽提油脂的花費占柴油生產(chǎn)總成本的一。通過用有機溶劑與培養(yǎng)液共混，使細胞內油脂連續(xù)被抽提至有機相，藻細胞仍能保持良好的生長趨勢，經(jīng)蒸餾分離有機溶劑（重復利用）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)中試運行的實際成本，進行微藻生物柴油生產(chǎn)系統(tǒng)中微藻生物柴油、能源微藻胞內生物活性物質等副產(chǎn)品開發(fā)利用（如蛋白質、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估和預測，確定我國不同區(qū)域、不同季節(jié)的微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化成本及進一步優(yōu)化的技術關鍵點。參考文獻，：一：，（）：￥，（）：盧碧林，周玲革，毛治超生物柴油的應用研究進展生物技術，（）：，：惜，：盧碧林，鄔皓，葉婧棉籽油制備生物柴油技術研究糧油加工，：第九章環(huán)境保護相關領域研究進展，：，（）