淺談藻類制備燃料乙醇的優(yōu)勢與發(fā)展

淺談藻類制備燃料乙醇的優(yōu)勢與發(fā)展

隨著人口的迅速增加和工業(yè)一體化的水平提高，傳統(tǒng)的石材能源變得越來越稀缺。同時(shí)，石材能源燃燒也導(dǎo)致了許多環(huán)境生態(tài)問題，如co2和so2。怎樣減少甚至擺脫對化石能源依賴,改變高能耗與高污染的化石能源支撐的經(jīng)濟(jì)模式,尋求替代品并建立可再生能源支撐下的新型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,已成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。發(fā)展生物能源是解決能源與環(huán)境問題的重要選擇,當(dāng)今生物能源中應(yīng)用最廣的為生物乙醇,其次為生物柴油。目前全球生物燃料產(chǎn)量4000萬噸,其中以玉米和甘蔗生產(chǎn)的燃料乙醇占90%。美國和巴西是國際上生物燃料乙醇生產(chǎn)大國,約占全球總量的70%;我國生物燃料乙醇開發(fā)較晚,產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,僅100多萬噸。生物乙醇具有低毒、易降解,以及燃燒后污染物排放少等優(yōu)點(diǎn),在所需原料的生產(chǎn)過程中固定CO2,具有降低CO2排放、減少溫室效應(yīng)的作用。預(yù)計(jì)生物燃料乙醇在未來發(fā)電、燃料電池以及混合動(dòng)力系統(tǒng)中將擔(dān)當(dāng)重要角色。盡管如此,在全球人口急劇增加背景下,以糧食作物生產(chǎn)燃料乙醇將極易引發(fā)糧食危機(jī),且受其產(chǎn)能所限不可能滿足未來替代化石能源燃料的需求。為此亟需開發(fā)產(chǎn)能更大、以非糧作物制備燃料乙醇的新途徑。在眾多選擇中,藻類特別是海洋藻類生產(chǎn)燃料乙醇,具有不與人爭糧、不與糧爭地以及直接利用海水資源等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到重視。本文圍繞生物(特別是藻類)燃料乙醇國內(nèi)外研究和與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀、所面臨挑戰(zhàn),以及未來發(fā)展等問題予以討論。1農(nóng)業(yè)生物燃料的生產(chǎn)用于生物燃料乙醇制備的原料多種多樣。第一代生物燃料采用玉米、甜菜等農(nóng)作物為原料生產(chǎn)燃料乙醇,該方式是目前燃料乙醇的主要來源,其生產(chǎn)技術(shù)與工藝相對成熟,但也極易導(dǎo)致糧食供應(yīng)量下降,而出現(xiàn)與人口爭奪糧食資源的局面,因此難有可持續(xù)性。同時(shí),農(nóng)作物種植、施肥、噴灑農(nóng)藥等也易發(fā)生土壤板結(jié)、生態(tài)失衡、生物多樣性降低等系列問題[9,10,11,12,13,14]。依賴占用耕地和消耗淡水換取能源植物發(fā)展的生物燃料模式,理論上不可能完全滿足未來能源需求,在人口多、人均水土資源少的我國更不現(xiàn)實(shí)。第二代生物燃料利用富含木質(zhì)纖維素的廢棄物水解發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。農(nóng)作物秸稈、木材加工廢料、樹葉、牛糞等纖維生物質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇,雖然在理論上兼具廉價(jià)與生物量大的優(yōu)勢,但實(shí)際操作中卻存在原料存儲、運(yùn)輸以及水解成本較高等問題,同時(shí)高等植物中木質(zhì)素多,木質(zhì)素與纖維素結(jié)合牢固,難以降解和發(fā)酵,需先將木質(zhì)纖維素水解糖化,成為單糖后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。該過程需大量纖維素酶參與,因而顯著增加了燃料乙醇生產(chǎn)成本。2藻類燃料的制備近30年來,利用藻類制備生物燃料和環(huán)境生物修復(fù)已逐漸被認(rèn)可。1978—1996年,美國能源部率先實(shí)施了水生物種計(jì)劃(ASP),為藻類燃料研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。藻類物種豐富且分布范圍廣,存在自養(yǎng)、異養(yǎng)、兼養(yǎng)等多種代謝方式。無論何種代謝方式,以藻類碳水化合物、蛋白質(zhì)以及脂質(zhì)為原料制備乙醇統(tǒng)稱為第三代生物燃料。藻類生產(chǎn)能源燃料至少在理論上優(yōu)勢明顯、潛力巨大[25,26,27,28,29,30],目前尚處于培育階段,很多難題有待攻克。2.1人工凈化劑人工養(yǎng)殖微藻生物燃料乙醇開發(fā)潛在諸多優(yōu)勢。與高等植物相比,微藻光化學(xué)效率、光能利用率和生產(chǎn)效率更高,據(jù)估計(jì)全球生物量50%均來自海洋微藻;其次,微藻耐受CO2能力強(qiáng),可用于工業(yè)CO2廢氣固定,降低CO2排放;第三,微藻物種豐富,可為不同地區(qū)選擇合適的藻株,開展人工培育提供了豐富選擇;第四,微藻繁殖周期短,能夠在較高密度下生長并吸收CO2和營養(yǎng),在單位時(shí)間內(nèi)獲得比陸地植物更多的生物量;第五,某些微藻可利用自身碳水化合物直接產(chǎn)出乙醇;六,微藻分布廣,在淡水、咸水、海水甚至廢水中都有微藻,可充分利用該優(yōu)勢,將能源開發(fā)與廢水生物凈化結(jié)合,從廢水中吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),并避免與糧食作物和人爭奪稀缺淡水資源。2.2燃料乙醇的制備大型藻類生長速率高、生物量大。甘蔗是陸地上單位面積產(chǎn)能最大、成本最低的能源植物。而大型藻類的生產(chǎn)效率比甘蔗還高,如某些熱帶紅藻日生長速率可達(dá)10%,1周內(nèi)生物量可翻一番,石花菜富含纖維素、葡聚糖和半乳糖,具備高產(chǎn)乙醇的潛力;Khambhaty等報(bào)道了利用長心卡帕藻制備燃料乙醇,按其報(bào)道的酒精得率,我們估測出栽培1hm2該藻可制備8.4t燃料乙醇。綠藻滸苔繁殖速率極快,可形成大規(guī)模綠潮。滸苔含有淀粉和纖維素,可水解發(fā)酵制備燃料乙醇,100g滸苔可轉(zhuǎn)化13.2g乙醇。Adams等比較了大型藻類與陸地植物的生產(chǎn)效率(表1),從中不難得出,利用大型海藻生產(chǎn)燃料乙醇的單位面積年產(chǎn)量遠(yuǎn)高于任何陸地作物。其次,大型海藻生活在水中,受水浮力影響無需合成半纖維素、木質(zhì)素等支撐組分,因此利用大型藻類制備燃料乙醇,無需降解半纖維素和木質(zhì)素等多聚物,從而減少了技術(shù)困難。相對于微藻,大型海藻栽培和收獲方式較為簡單,耗能也低,目前多種大型海藻已成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模栽培。同時(shí),大型藻類生長在海水中,不與糧食作物爭奪淡水資源,并成為生物過濾系統(tǒng)可從海水中吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),降低海水富營養(yǎng)化程度,改善海水質(zhì)量,增加海洋動(dòng)物產(chǎn)量[46,47,48,49,50,51,52,53,54]。此外,利用藻類制備燃料乙醇,還可能獲得其它高聚物、蛋白質(zhì)以及動(dòng)物飼料等諸多副產(chǎn)品,綜合降低燃料乙醇的生產(chǎn)成本。2.3海藻生產(chǎn)技術(shù)的落后藻類燃料乙醇制備并非盡善盡美,也存在很多固有不足與缺陷,主要包括:微藻培養(yǎng)細(xì)胞密度低,一般只占水體的千分之一左右,培養(yǎng)過程需要大量水體;其次,微藻體積很小,僅有幾個(gè)到幾十個(gè)微米,傳統(tǒng)離心、過濾等技術(shù)都難以經(jīng)濟(jì)、有效地收獲微藻;另外,微藻是初級生產(chǎn)力,處于水生態(tài)系統(tǒng)的最底層,易被其它生物攝食,在規(guī)模培養(yǎng)過程中極易因敵害生物和雜藻入侵導(dǎo)致培養(yǎng)失敗;上述缺陷造成微藻培養(yǎng)過程的低效率和高能耗,也是導(dǎo)致目前藻類燃料生產(chǎn)成本居高不下的重要原因。就大型藻類而言,其化學(xué)組分非常復(fù)雜,海藻多糖水解后為多種單糖的混合物,糖類多樣性決定了開發(fā)工藝的復(fù)雜性,也限制了海藻燃料乙醇的生產(chǎn)效率,另外大型海藻栽培受風(fēng)浪和氣候影響更大,在管理上也存在諸多不便之處。因此,如何發(fā)揮藻類優(yōu)勢并彌補(bǔ)其不足,將決定藻類能源開發(fā)的成敗。3藻類原料生產(chǎn)3.1生產(chǎn)生物燃料的1.2特征自然界沒有直接用于制備燃料乙醇的微藻生物質(zhì)原料,需通過人工培養(yǎng)才有可能得到穩(wěn)定供應(yīng)。不同藻種或株系對營養(yǎng)、光照要求不同,對環(huán)境適應(yīng)能力差別很大,其生長速率、產(chǎn)量以及積累碳水化合物的能力等也存在明顯差異,這就導(dǎo)致不同藻種和株系間制備燃料乙醇的潛力存在巨大變動(dòng),因此篩選優(yōu)良藻種是藻類乙醇生產(chǎn)的第一要素。高產(chǎn)乙醇藻種的篩選培育是一個(gè)冗長乏味的工作,需要權(quán)衡很多因素。Brennan等歸納出微藻生產(chǎn)生物燃料的優(yōu)良特征有:培養(yǎng)周期短、細(xì)胞生長快、光合效率高、CO2固定能力高、營養(yǎng)需求較低、耐受剪切力能力強(qiáng)、適宜于開放池規(guī)?；囵B(yǎng)、對溫度和季節(jié)性變化適應(yīng)范圍寬、副產(chǎn)品附加值高、細(xì)胞易絮凝收集。除此之外,我們認(rèn)為優(yōu)良藻株還需具備對光照度劇烈變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力、具有耐污染特性(如具備可適應(yīng)高鹽或高溫或高pH等極端環(huán)境條件之一的能力),以及細(xì)胞易于破壁等諸多特點(diǎn)。然而,上述特征很難在同一藻株上集中體現(xiàn),這也成為制約微藻生物燃料開發(fā)規(guī)?；l(fā)展的重要內(nèi)因。事實(shí)上,從20世紀(jì)70年代美國開始的ASP計(jì)劃,耗時(shí)20年對3000多個(gè)水生藻種進(jìn)行了系統(tǒng)性研究,尚難找到完全符合諸多標(biāo)準(zhǔn)藻種直接用于生物燃料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。無論如何,在大量篩選基礎(chǔ)上,盡可能地選擇兼具更多上述特征的微藻作為出發(fā)藻株,進(jìn)一步結(jié)合誘變和遺傳改良等技術(shù)培育優(yōu)良新品種,有望獲得制備燃料乙醇的微藻良種。3.2開放池培養(yǎng)方式的系統(tǒng)特點(diǎn)在自然環(huán)境中,微藻密度一般很低,盡管全球生物量的50%來自海洋微藻,在實(shí)際中卻無現(xiàn)成的微藻資源直接用于生物燃料開發(fā)。只有在人工培養(yǎng)條件下,通過優(yōu)化培養(yǎng)條件,獲得較高的細(xì)胞密度和單位面積產(chǎn)量才具開發(fā)意義。微藻培養(yǎng)最常見的有2種培養(yǎng)系統(tǒng):開放池和封閉式光生物反應(yīng)器。不同微藻培養(yǎng)系統(tǒng),在培養(yǎng)因子參數(shù)控制、污染、水蒸發(fā)、產(chǎn)量、后續(xù)加工、建造成本以及操作成本上均存在很大差異。Chen等和Brennan等分別對微藻不同培養(yǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)做了詳細(xì)的綜述。其中,開放池系統(tǒng)造價(jià)便宜、易于建造和操作,是目前最常見的微藻培養(yǎng)方式。根據(jù)其形狀、坡度等特點(diǎn),開放池培養(yǎng)系統(tǒng)又細(xì)分為3類:跑道池、圓形池和斜面池。跑道池建造和維持成本較低,也是目前微藻培養(yǎng)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的;圓形池建造成本相對較高,攪拌過程能耗高,CO2供給復(fù)雜,土地利用率低,在規(guī)?；囵B(yǎng)中目前已很少采用;斜面池藻細(xì)胞密度和產(chǎn)量高,但藻液流動(dòng)需依賴機(jī)械泵,故培養(yǎng)能耗大。開放池培養(yǎng)方式的缺陷主要有溫度控制難,易受雜藻和敵害生物污染,同時(shí)水蒸發(fā)量大,CO2利用率低,培養(yǎng)效果不穩(wěn)定,細(xì)胞密度低,造成收獲能耗大。只有某些可適應(yīng)極端條件的藻類(如螺旋藻、鹽藻)和快速生長小球藻適用于開放池培養(yǎng)。封閉式光生物反應(yīng)器可彌補(bǔ)開放池的某些不足。目前使用最廣泛的封閉式光生物反應(yīng)器包括管式、平板式、柱狀等類型,封閉式光生物反應(yīng)器也存在水平、傾斜、垂直等多種方式。相比于開放池,封閉式光生物反應(yīng)器污染幾率相對低,可控性更強(qiáng),采光面積大,可實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng)。然而,封閉式光生物反應(yīng)器卻存在管道內(nèi)pH、溶解氧和CO2不均也難以有效交換,藻細(xì)胞易于貼壁生長,管道清洗困難以及建造和維護(hù)成本較高等系列問題。將開放池與光生物反應(yīng)器串聯(lián)耦合,充分發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)其固有不足的培養(yǎng)模式近年來受到了廣泛關(guān)注。在該培養(yǎng)模式中,為減少污染,首先利用光生物反應(yīng)器技術(shù),將微藻培養(yǎng)到一定細(xì)胞密度,然后再將高細(xì)胞密度的藻液轉(zhuǎn)到開放池中,誘導(dǎo)微藻合成所需要的物質(zhì)。3.3麟菜類和江類海藻相對微藻培養(yǎng)而言,大型藻類栽培技術(shù)相對成熟也較簡單。在傳統(tǒng)栽培中,育苗環(huán)節(jié)技術(shù)相對密集,育苗主要包括孢子育苗(如海帶和紫菜)和營養(yǎng)繁殖(如麒麟菜類和江蘺類海藻)方式。大型藻類栽培主要依賴筏式養(yǎng)殖。藻體一般采取人工或半人工方法,通過切苗、拔苗、夾苗等方式進(jìn)行收獲和分苗栽培。藻體收獲后,一般借助自然光晾曬獲得干藻,然后儲存用于工業(yè)化生產(chǎn)。在大型藻類栽培過程中,為了獲得更高的單位面積產(chǎn)量,常常根據(jù)藻種以及養(yǎng)殖區(qū)等實(shí)際狀況,確定具體養(yǎng)殖密度、深度和養(yǎng)殖周期,同時(shí)密切關(guān)注大型海藻生長狀況,避免受到病害影響,并針對不同地區(qū)和養(yǎng)殖藻種類型等采取具體防范措施,減少損失。3.4藻體收獲技術(shù)組合的確定藻類收獲加工是規(guī)?；囵B(yǎng)的下一環(huán)節(jié)。微藻顆粒通常微小、重量輕,從液體中有效地分離微藻細(xì)胞非常困難,并造成采集收獲過程消耗能大。盡管目前有多種微藻收獲技術(shù),無論微孔膜過濾、化學(xué)絮凝,還是懸浮、離心等任何一種方法,在其優(yōu)點(diǎn)背后也都存在明顯缺陷與不足,很難適用于所有微藻收獲。如何將上述多種技術(shù)組合,發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢并彌補(bǔ)其不足,應(yīng)用于微藻細(xì)胞收集,降低收獲能耗和成本,是微藻生物燃料產(chǎn)業(yè)化中需重點(diǎn)研究解決的命題,同時(shí)在藻種選育過程中,盡可能多地兼顧到藻體收獲指標(biāo),選擇細(xì)胞體積相對較大或藻體與水體比重差異較大的微藻種質(zhì),便于采用過濾、重力或懸浮技術(shù)完成采收,也減少能耗和設(shè)備投資。相對而言,大型藻類的收獲成本低且操作簡便,目前一定程度上依賴于靠天吃飯,大藻收獲需要把握時(shí)機(jī)并關(guān)注天氣變化,收獲后及時(shí)晾曬防止藻體腐爛。隨著大型藻類規(guī)模擴(kuò)大,有必要研制機(jī)械化快速加工干燥的技術(shù),盡可能擺脫靠天吃飯的限制局面。對于藻類能源生產(chǎn)而言,任何加工干燥和破壁處理都將增加能耗和成本,因此探討半濕法制備燃料乙醇技術(shù)是減少能耗和降低生產(chǎn)成本的重要方式。4燃料乙醇的制備無論是大型藻類還是微藻均具有儲存淀粉、纖維素等碳水化合物的能力,通過工程培養(yǎng)先獲得制備能源燃料的原料,然后利用機(jī)械(超聲波、機(jī)械剪切等)或者酶解細(xì)胞壁方法得到所需的碳水化合物,再進(jìn)行糖化和發(fā)酵制備燃料乙醇。上述發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝,可分為先水解后發(fā)酵的二步法和同步糖化發(fā)酵法。藻類所含碳水化合物為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多糖或雜多糖,為提高碳水化合物利用率,發(fā)酵前需對其糖化處理。糖化過程可采用酸或酶處理水解。糖化后的發(fā)酵需選用適宜的發(fā)酵菌株或菌群,該步驟是制備燃料乙醇的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。若能選擇到菌株或菌群,可分泌酶用于分解多糖或雜多糖,同時(shí)又利用單糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,上述二步法就可合并為同步糖化發(fā)酵。在同步糖化發(fā)酵過程中,多糖或雜多糖水解產(chǎn)生的葡萄糖或其它還原糖在發(fā)酵過程中不斷消耗,因而可避免高濃度單糖對酶活性的反饋抑制,大幅度提高糖化水解效率。該方法中水解與發(fā)酵的適宜溫度通常不一致,只有在工程菌株(或菌群)溫度適應(yīng)范圍較寬時(shí),才可選擇到兼顧這二個(gè)過程都合適的溫度范圍,乙醇制備效率才較高。另外,菌株或菌群需具備耐受較高酒精濃度的能力。在發(fā)酵過程中乙醇濃度不斷上升,進(jìn)而抑制水解發(fā)酵酶的活性,導(dǎo)致乙醇制備效率逐步下降;如果發(fā)酵液中乙醇濃度偏低,會引起后面蒸餾能耗過大和高成本,最終限制了藻類乙醇制備的經(jīng)濟(jì)可行性。蒸餾是藻類燃料乙醇生產(chǎn)的最后步驟。通過蒸餾,將濃度較低(<10%~15%)酒精溶液中的雜質(zhì)去除掉,獲得濃度更高的液態(tài)乙醇。高濃度的液態(tài)乙醇(95%)可與化石燃料按照一定比例混合使用,也可直接用作燃料。另外,藻類發(fā)酵制備燃料乙醇后的廢料,還可進(jìn)一步用于動(dòng)物養(yǎng)殖飼料,綜合降低燃料乙醇的制備成本。2和廉價(jià)的鹽水資源,同時(shí)燃料乙醇生產(chǎn)過程避免了細(xì)胞收獲干燥等環(huán)節(jié)。因此,公司預(yù)期乙醇產(chǎn)量高達(dá)6000加侖/公頃(1美國加侖≈3.785升),每加侖的目標(biāo)價(jià)位低于1美元(即每升價(jià)格低于2元人民幣)。5顯微藻體的制備如上所述,利用微藻原料制備燃料乙醇過程相對比較復(fù)雜,需經(jīng)過細(xì)胞破壁處理、淀粉提取、水解糖化和發(fā)酵生產(chǎn)酒精等多個(gè)步驟。減少上述任何過程無疑會降低藻類制備燃料乙醇的能耗和制備成本。某些微藻在黑暗條件下具有異養(yǎng)有機(jī)物(如糖類)的能力。Ueda等報(bào)道了富含多糖的微藻細(xì)胞可在黑暗厭氧條件下直接產(chǎn)出乙醇。事實(shí)上,黑暗厭氧條件下能產(chǎn)乙醇的微藻很多,主要有綠藻綱的衣藻和小球藻,以及藍(lán)藻綱中的螺旋藻、顫藻和微囊藻。Hirano等探討了多種微藻在黑暗厭氧條件下直接轉(zhuǎn)化細(xì)胞內(nèi)淀粉為乙醇的可能性,其中萊茵衣藻UTEX2247和Sak-1藻株具有較高的乙醇轉(zhuǎn)化率(30%~40%)。Ueno等利用海水小球藻發(fā)酵,在30℃時(shí)每克干重藻泥制備乙醇的產(chǎn)量值為450μmol。事實(shí)上,藻類異養(yǎng)生產(chǎn)燃料乙醇的能量最終來源是光合作用所固定的太陽光能。在無氧黑暗條件下發(fā)酵的產(chǎn)能效率,在理論上遠(yuǎn)沒有光合作用直接固定CO2并轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的效率高。目前還沒有分離出直接通過光合作用生產(chǎn)燃料乙醇的藻類,通過現(xiàn)代基因工程手段,有望獲得具有該能力的超級藻種。Deng和Coleman將運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌的丙酮酸脫羧酶基因(pdc基因)和乙醇脫氫酶基因II(adh基因)通過載體pCB4,導(dǎo)入到聚球藻PCC7942藻株中,這兩個(gè)基因在編碼核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶的操縱子rbcLS的啟動(dòng)子控制下,在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)高水平表達(dá),轉(zhuǎn)基因聚球藻光合作用固定的碳可直接轉(zhuǎn)化為乙醇并溶解到培養(yǎng)基中。6糧食生產(chǎn)設(shè)備的要求目前燃料乙醇制備主要依賴于糧食作物,其整個(gè)工藝流程和發(fā)酵設(shè)備都已相對成熟。而藻類燃料乙醇工作還處于早期實(shí)驗(yàn)階段,無論藻種及所含碳水化合物類型,還是生產(chǎn)過程和制備工藝流程都未完全明確,其規(guī)模也遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)化制備水平,因此尚無成熟的生產(chǎn)設(shè)備可直接借鑒?；谠孱惖奶厥庑院蛷?fù)雜性,理論上也不可能簡單地復(fù)制糧食作物生產(chǎn)乙醇的設(shè)備,直接用于藻類燃料乙醇開發(fā)。盡管如此,藻類與糧食燃料乙醇制備過程的差異主要在于前期生物質(zhì)原料生產(chǎn)和加工,特別需要研制適宜于藻類高密度培養(yǎng)、造價(jià)低廉的新型簡易光生物反應(yīng)器,以及可規(guī)模化收獲和濕法細(xì)胞破壁的系列設(shè)備,盡可能地減少藻體干燥和碳水化合物提取環(huán)節(jié),節(jié)省設(shè)備投資和能源消耗;至于藻類燃料乙醇生產(chǎn)后期的制曲、糖化和發(fā)酵等過程,與糧食作物制備燃料乙醇的工藝大致相似,可在借鑒基礎(chǔ)上,針對具體微生物菌種與發(fā)酵工藝特點(diǎn)等加以改造,研發(fā)適宜于藻類燃料乙醇生產(chǎn)的設(shè)備。綜上所述,藻類燃料乙醇開發(fā)的大致工藝流程可概括為圖1。7微藻燃料乙醇制備技術(shù)研究展望同其它工業(yè)生產(chǎn)一樣,成本決定著藻類燃料乙醇是否能夠商業(yè)化。降低大規(guī)模藻類燃料乙醇制備成本,也一直是該領(lǐng)域首先考慮解決的任務(wù)。從成本構(gòu)成上講,藻類燃料成本主要發(fā)生在生物質(zhì)原料生產(chǎn)和降解過程,降低價(jià)格需要依賴于技術(shù)創(chuàng)新與突破。為此,在進(jìn)入規(guī)模化推廣前有必要開展以下研究:微藻培養(yǎng)過程的敵害生物綜合防御與控制技術(shù)。微藻規(guī)模化生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生敵害生物污染,任何掠食動(dòng)物和其它雜藻污染都將導(dǎo)致整個(gè)培養(yǎng)失敗,也限制了微藻培養(yǎng)的規(guī)?；瘮U(kuò)大。分別從物理、化學(xué)、生物和工程管理等角度開展工作,構(gòu)建敵害生物綜合防御體系,經(jīng)濟(jì)、高效地控制敵害生物污染,降低其危害,是擴(kuò)大微藻培養(yǎng)規(guī)模和穩(wěn)定地獲得燃料乙醇原料必須解決的命題。目前這方面國內(nèi)外尚無有效措施,應(yīng)是下一步努力突破的重點(diǎn)。廉價(jià)的糖化水解酶生產(chǎn)技術(shù)。分解淀粉、纖維素以及其它碳水化合物的水解酶價(jià)格過高。如何采用生物反應(yīng)器技術(shù)高效培養(yǎng)生產(chǎn)水解酶的微生物,降低糖化水解酶成本,是有效降低藻類燃料乙醇制備成本的途徑之一。篩選和培育適宜于燃料乙醇制備的抗逆藻株。用于微藻燃料乙醇制備的藻種,不僅在組分上適宜于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,而且還應(yīng)具有強(qiáng)的抗逆能力。一般而言,能夠在極端條件下生長的藻類其競爭者相對較少,可減少掠食動(dòng)物和其它雜藻污染機(jī)會。理論上,以可抗極端條件的微藻為出發(fā)藻株,經(jīng)誘變和基因操作處理,可望培育出適宜于燃料乙醇生產(chǎn)的理想突變株。選育可直接將淀粉或纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的特殊微藻。利用微藻種類多、分布廣、代謝多樣化特性,從自然界篩選在光合作用進(jìn)行過程中,兼具分解淀粉和纖維素并直接轉(zhuǎn)化為乙醇的微藻,或利用突變與基因工程手段培育這樣的藻株,將淀粉酶和纖維素酶基因轉(zhuǎn)化到藻細(xì)胞中,淀粉和纖維素合成酶上調(diào)表達(dá),無需或只少許加入酶即獲得單糖,將大大降低燃料乙醇生產(chǎn)成本,有利于藻類燃料乙醇產(chǎn)業(yè)化。建立微藻高密度培養(yǎng)技術(shù)。自然界微藻密度很低,細(xì)胞密度只有101~103。目前人工培養(yǎng)的微藻細(xì)胞密度一般在104~106,未來需要建立高密度培養(yǎng),維持細(xì)胞密度在107~109,甚至更高。微藻高密度培養(yǎng),將細(xì)胞密度提高比普通培養(yǎng)高1~3個(gè)數(shù)量級,在生物量不變的情況下,無疑將大幅度降低培養(yǎng)體積和設(shè)施投資,也更易于操作,大幅減少生物污染機(jī)