利用微藻生產(chǎn)生物柴油

1、利用微藻生產(chǎn)生物柴油講解人：張亞文 微藻是最古老的單細(xì)胞植物類生物，能利用太陽光能和二氧化碳，進(jìn)行光合作用并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的從這種生物質(zhì)中即能獲得有用成分，也能得到生物柴油。微藻生物柴油技術(shù)包括富油微藻的篩選和培育、優(yōu)良高油藻種的獲得；然后是富油微藻的培養(yǎng)、生成微藻生物質(zhì)；再經(jīng)過采收、加工轉(zhuǎn)化為微藻生物柴油。目前，人類所用的能源主要是石油、天然氣和煤炭等化石燃料?；剂鲜沁h(yuǎn)古時(shí)期動(dòng)植物遺體沉積在地層中、經(jīng)過億萬年演變而來的，是不可再生能源，其儲量有限。全球已探明石油儲量約為151012t，按現(xiàn)消費(fèi)水平到2040年將枯竭；天然氣儲量約為121012t，僅能維持到2060年；煤炭儲量約為9 827

2、14億t，也僅可用200年。據(jù)俄羅斯官方網(wǎng)站消息)2012年1月22日報(bào)道：2012年，中國共進(jìn)口石油199億萬t，其國內(nèi)石油開采量為189億萬t，這樣計(jì)算，中國513的石油需求依賴于進(jìn)口，超過了50的國際警戒線。據(jù)專家研究分析，中國石油依賴進(jìn)口的量還將繼續(xù)增長，到2020年石油進(jìn)口依存度將達(dá)到65一75!石油對外依存度(凈進(jìn)口量占消費(fèi)量比重)不斷加大，將對我國能源安全構(gòu)成了威脅。能源短缺已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”，積極開展綠色能源計(jì)劃已迫在眉睫，發(fā)展替代能源是保障我國能源安全的重大戰(zhàn)略舉措。近年來，生物柴油作為化石能源的替代燃料，已成為國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的環(huán)?？稍偕茉?。 生物柴

3、油(biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物質(zhì)能的一種，它是生物質(zhì)利用熱裂解等技術(shù)得到的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯。對于生物柴油的原料人們的目光一直集中在傳統(tǒng)的陳化糧、木質(zhì)素、動(dòng)物油脂等領(lǐng)域，而對于開發(fā)前景同樣廣闊、屬水生植物的藻類卻認(rèn)識不足。事實(shí)上，作為一種重要的可再生資源藻類具有其他非藻類可再生資源無可比擬的優(yōu)越性。表1 藻類與非藻類原料的產(chǎn)油估計(jì)量對比原料產(chǎn)油量kg(hm2年)玉米油和棉籽油56 00六、藻類對生長環(huán)境要求簡單、具有不與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)爭地的優(yōu)勢。微藻

4、幾乎能適應(yīng)各種生長環(huán)境，不管是海水或淡水、室內(nèi)或室外，還是一些荒蕪的灘涂鹽堿地、廢棄的沼澤、魚塘、鹽池等都可以種植微藻。七、藻類生物柴油不含石蠟閃點(diǎn)高燃燒性能和效率高于普通柴油，使用時(shí)更安全；同時(shí)可以通過種植、養(yǎng)殖或培養(yǎng)等方式源源不斷地得到新柴油.微藻生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)越性:一、藻類種類多。生態(tài)環(huán)境各異，代謝產(chǎn)物多樣，可以生產(chǎn)多種能源物質(zhì)；藻體生物本身還可以得到再利用，生產(chǎn)出有高附加值的產(chǎn)品，如保健品、藥品、化妝品等。二、光合作用效率高。藻類是光合自養(yǎng)生物，直接將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，能量只需一次轉(zhuǎn)化，光合作用效率高(倍增時(shí)間約35 d)，其太陽能轉(zhuǎn)化率達(dá)到35。三、有利于環(huán)境保護(hù)。藻類生長過程中

5、吸收的二氧化碳與燃燒過程中排出的二氧化碳的數(shù)量相等，藻類生物燃料的生產(chǎn)和使用不增加溫室氣體二氧化碳的排放，可以保持碳平衡。藻類生產(chǎn)的生物柴油中硫和氮的含量較少，燃燒時(shí)不會(huì)排放出有毒害氣體(SO2：和NO)，不污染環(huán)境。四、加工工藝相對簡單。微藻沒有葉、莖、根的分化，不產(chǎn)生無用生物量，易被粉碎和干燥，預(yù)處理的成本比較低。而且微藻熱解所得生物質(zhì)燃油熱值高，是木材或農(nóng)作物秸稈的16倍。五、微藻生物產(chǎn)量與產(chǎn)油率高。藻類繁殖快，培養(yǎng)周期短，一般陸地能源植物1年只能收獲12季而微藻幾天就可收獲1代，而且不因收獲而破壞生態(tài)系統(tǒng)，可獲得大量生物量。藻類與非藻類原料的產(chǎn)油估計(jì)量對比如下(表1)。 油微藻的篩選及

6、工程微藻的構(gòu)建 富油微藻的篩選 早在20世紀(jì)70年代，全球第1次暴發(fā)石油危機(jī)的時(shí)候，美國卡特政府就實(shí)施了一項(xiàng)名為“水生生物物種計(jì)劃藻類生物柴油”(簡稱ASP)的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目從海洋和湖泊中分離出3 000余株微藻，并從中篩選出300多株生長速度快、脂質(zhì)含量較高的微藻，經(jīng)過馴化，其中一些藻類的光合生產(chǎn)率已經(jīng)達(dá)到50 g(m2d)，含油率甚至達(dá)到80。一般來說，體內(nèi)的油脂超過干重20的微藻稱為富油微藻，到目前為止。藻類專家已經(jīng)測定了幾百種富油微藻，它們隸屬于金藻綱、紅藻綱、綠藻綱、褐藻綱、藍(lán)藻綱、黃藻綱、硅藻綱、隱藻綱和甲藻綱，品種不同的富油微藻油脂含量不同(表2)。甚至同一品種不同品系之間差異

7、也很大。目前，作生物柴油原料的微藻有綠藻、硅藻和部分藍(lán)藻如葡萄藻、杜氏鹽藻、小球藻、菱形藻、柵藻雨生紅球藻等。 我國研究微藻的基礎(chǔ)力量較強(qiáng)擁有一大批淡水和海水微藻種質(zhì)資源，在微藻大規(guī)模養(yǎng)殖方面走在世界前列。中國海洋大學(xué)擁有海洋藻類種質(zhì)資源庫。已收集了600余株海洋藻類種質(zhì)資源目前保有油脂含量接近70的微藻品種。在山東省濱州市無棣縣實(shí)施的裂壺藻(油脂含量50，DHA含量40)養(yǎng)殖項(xiàng)目正在建設(shè)一期工程。中科院海洋研究所獲得了多株油脂含量在30-40的高產(chǎn)能藻株微藻產(chǎn)油研究取得了重要進(jìn)展。孫珊用凍融法對10余株微藻進(jìn)行篩選。篩選出金藻、前溝藻、異灣藻和原甲藻等4株富油微藻。其粗脂含量分別為45、36

8、7、35和295。表2 不同種類徽藻含油的比較微藻種類葡萄藻細(xì)柱藻杜氏鹽藻小球藻三角拇指藻菱形藻裂壺藻微擬球藻含油量（占干重%）25-7516-372320-3520-3045-4750-7731-68富油微藻油脂的合成與工程微藻的構(gòu)建富油微藻油脂的合成與工程微藻的構(gòu)建參與微藻油脂合成的有2個(gè)主要的催化酶。即乙酰輔酶A羧化酶(ACCase)和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)。這2種酶的相對活性影響著微藻脂類代謝途徑的走向：丙酮酸合成后，ACCase催化底物乙酸輔酶A進(jìn)入脂肪酸合成途徑；乙酸輔酶A的濃度累積激活了PEPC，催化丙酮酸合成草酸乙酸進(jìn)入氨基酸生物合成途徑。抑制PEPC活性有助于提高

9、ACCase催化底物進(jìn)入脂肪酸途徑。酶促反應(yīng)是脂肪酸合成和氧化過程中限制速率的關(guān)鍵調(diào)節(jié)步驟，因此，ACCase是脂肪酸生物合成途徑的關(guān)鍵限速酶。 目前，正在研究選擇合適的分子載體，采用分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)，使ACC基因在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)，再進(jìn)一步將修飾的ACC基因引入微藻中以獲得更高效的表達(dá)。美國再生能源國家實(shí)驗(yàn)室 于1995年將ACCase基因轉(zhuǎn)化小環(huán)藻成功，這是一個(gè)重要突破。2005年，趙桂蘭等用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將反義PEPC基因?qū)舜蠖沟幕蚪M，獲得了穩(wěn)定的超高油轉(zhuǎn)基因大豆品系。因此，采用反義技術(shù)調(diào)控PEPC代謝途徑，可能是提高脂肪酸含量的另一種有效方法。利用基因工程技術(shù)改變微

10、藻細(xì)胞的生理結(jié)構(gòu)，調(diào)控微藻脂肪酸合成途徑，提高微藻脂肪酸的合成能力。從而制備出高產(chǎn)量、高含油量的優(yōu)良工程微藻。微藻的大規(guī)模培養(yǎng) 微藻生產(chǎn)系統(tǒng)的具體生產(chǎn)過程包括以下幾個(gè)步驟：微藻大規(guī)模培養(yǎng)、藻油提取、轉(zhuǎn)酯反應(yīng)、生物柴油后處理。其中，最關(guān)鍵的步驟是微藻的大規(guī)模培養(yǎng)。根據(jù)工程和流體力學(xué)的特性，微藻類的大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)一般可以分為兩大類：開放式培養(yǎng)系統(tǒng)和封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)。開放式培養(yǎng)系統(tǒng)一般是指室外露天的人工制造的培養(yǎng)池或特定環(huán)境下的小規(guī)模湖泊；封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)也被稱為光生物反應(yīng)器，是目前流行的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)，有柱狀、平板式、管道式等多種形式，具有培養(yǎng)環(huán)境可人工控制、光利用效率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)微藻的

11、高密度、大規(guī)模培養(yǎng)。與微生物發(fā)酵相比，微藻培養(yǎng)的生物量濃度較低，大規(guī)模培養(yǎng)的生物量濃度僅為0530 gL左右。表3兩種微藻培養(yǎng)方法的比較培養(yǎng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)開放式賽道池塘培養(yǎng)造價(jià)低廉，建設(shè)費(fèi)用低，容易清洗表面形成的生物膜;維持費(fèi)用，成本比較低；大氣中的二氧化碳可以滿足生產(chǎn)需要；技術(shù)成熟，便于工業(yè)規(guī)劃生產(chǎn)。開放培養(yǎng)容易產(chǎn)生雜菌污染；生產(chǎn)效率低，占地面積大；細(xì)菌濃度低，后處理工作量大；易受周圍自然環(huán)境的影響；自然蒸發(fā)消耗大量的水。封閉式光生物反應(yīng)器封閉培養(yǎng)，純種培養(yǎng)，不易染雜菌；生產(chǎn)效率高，占地面積小；細(xì)胞濃度高，便于后處理；封閉，不易受周圍自然環(huán)境的影響；封閉系統(tǒng)，水消耗少。建設(shè)費(fèi)用，維持費(fèi)用高；表

12、面易形成生物膜，降低透光性；需要大量二氧化碳，如發(fā)電廠尾氣；技術(shù)先進(jìn)但不夠成熟，工業(yè)化生產(chǎn)很困難。微藻的脫水與采收 脫水是微藻采收過程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。微藻個(gè)體較小，除個(gè)別種類之外。一般直徑只有十幾微米，一般的固液分離方法很難適用于微藻；另外，與一般微生物不同。微藻細(xì)胞周圍大多富含糖，當(dāng)微藻細(xì)胞達(dá)到一定濃度時(shí)呈現(xiàn)出非牛頓流體特性，給采收工作帶來了很大的困難。因此，開發(fā)高效率、低能耗采收裝置已成為微藻生物技術(shù)中另一個(gè)主要的研究內(nèi)容。微藻能源的開發(fā)前景 生物燃料的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段,第0代生物燃料一彷徨時(shí)代，受到化石燃料的排擠；第1代生物燃料一糧食時(shí)代，以糧食為原料，飽受非議和限制；第2代生物燃料一纖維素時(shí)代，正處在大力發(fā)展階段；第3代生物燃料一微藻時(shí)代，利用藻生產(chǎn)生物燃料，目前在微藻能源產(chǎn)業(yè)化方面需要集中解決的是技術(shù)問題，如優(yōu)質(zhì)富油藻種的培育、適于藻類液化反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、液態(tài)產(chǎn)物的分離和收集、液化過程中固體和氣體產(chǎn)物的回收和循環(huán)利用、能耗的降低等。利用微藻大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)生物柴油在國內(nèi)是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。隨著對藻種選育研究和微藻改造工程的繼續(xù)深入，培養(yǎng)