能源藻類生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

能源藻類生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

1生物質(zhì)燃料特性為傳統(tǒng)作物生產(chǎn)能源緊張和污染是世界的共同問(wèn)題。隨著石油、煤炭的減少,許多國(guó)家開始把清潔、可再生的生物能源擺在了重要位置。但現(xiàn)階段所使用的生物質(zhì)燃料通常以糧食、油料等作物為原料,由于這些傳統(tǒng)作物價(jià)格高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、運(yùn)輸儲(chǔ)存困難等缺點(diǎn),以傳統(tǒng)作物為原料生產(chǎn)生物質(zhì)燃料不僅成本高,并且占用大量耕地、危及糧食安全,因此大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)燃料需要轉(zhuǎn)換思路,尋找新型生物質(zhì)原料。藻類是一類分布極廣的低等自養(yǎng)生物,通常細(xì)胞內(nèi)含有葉綠體,在光照條件下,利用二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì),以進(jìn)行無(wú)機(jī)光能營(yíng)養(yǎng)。藻類對(duì)環(huán)境條件要求不高,適應(yīng)能力強(qiáng),并具有細(xì)胞增殖快、光能利用率高、生物產(chǎn)量高及不受土地條件限制等優(yōu)點(diǎn),有些微藻含油量可達(dá)50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上,是一種非常具有利用價(jià)值的生物質(zhì)能原料。2國(guó)內(nèi)外研究2.1培訓(xùn)條件研究影響藻類生長(zhǎng)的條件包括光照、營(yíng)養(yǎng)、二氧化碳、溫度和pH值等,通過(guò)找尋相對(duì)合適的培養(yǎng)條件可獲得盡可能多的產(chǎn)量及提高藻細(xì)胞的含油量。2.1.1藻細(xì)胞脂肪含量的測(cè)定光照是藻類生長(zhǎng)最基本條件,通常增強(qiáng)其光合作用可以獲得更多的油脂。Mortenson等對(duì)Chlorellavulgaris和Euglenagracilis的研究表明,增加光強(qiáng)能夠促進(jìn)脂肪酸含量的增加;但石娟等對(duì)小新月菱形藻及等鞭金藻的研究發(fā)現(xiàn),低光照下藻細(xì)胞脂肪含量高,而高光下則相反。所以光照強(qiáng)度與脂含量的關(guān)系在藻種間存在差異。JohanUGrobbelaar等研究了光照/黑暗頻率變化對(duì)微藻光合作用性質(zhì)的影響,結(jié)果顯示光合速率隨光/暗頻率的增加呈指數(shù)增長(zhǎng);藻類不會(huì)適應(yīng)特定的一個(gè)光/暗頻率。研究認(rèn)為,影響光合速率最重要的一個(gè)因素是藻種的光適應(yīng)性——其喜光還是喜暗。通常低頻率的光/暗變化會(huì)被藻類感知為低光照,高頻率則相反。在這種光/暗變化的環(huán)境下,光利用率取決于藻類的光適應(yīng)性,光/暗變化頻率及光照時(shí)間。所以利用光/暗變化來(lái)提高光合作用的效率,要根據(jù)藻種的不同來(lái)選擇頻率,適應(yīng)光環(huán)境的藻種可使用高頻變化的光/暗條件,適應(yīng)暗環(huán)境的藻種則使用低頻變化的光/暗條件,這樣可避免過(guò)多的能耗。2.1.2冰上生長(zhǎng)藻類就溫度來(lái)說(shuō),大多數(shù)藻類最適宜的生長(zhǎng)溫度在20℃～30℃間;也有的藻類在85℃的溫泉中大量繁殖,有的在長(zhǎng)年不化的冰上生長(zhǎng)。目前大部分研究都在室溫條件下進(jìn)行。2.1.3培養(yǎng)基組成對(duì)混養(yǎng)小球藻的影響藻類細(xì)胞生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素包括氮、磷、鐵和硅等,Grobbelaar研究得出一個(gè)近似的微藻生物質(zhì)分子式CO0.48H1.83N0.11P0.01可用于估計(jì)最小營(yíng)養(yǎng)需求。這些營(yíng)養(yǎng)元素加入的種類及加入量直接影響藻類的生長(zhǎng)情況和代謝產(chǎn)物,因此國(guó)內(nèi)外在這方面研究較多。國(guó)內(nèi)的朱亮等研究了不同磷濃度對(duì)淡水藻類生長(zhǎng)的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)TP<0.10mg/L,藻的生長(zhǎng)最終發(fā)展為磷限制,而過(guò)高磷含量的輸入(TP=1.65mg/L)并沒有進(jìn)一步促進(jìn)藻類的生長(zhǎng),TP=0.10mg/L的水體是實(shí)驗(yàn)中適合藻類生長(zhǎng)的最佳濃度?？姇粤岬韧ㄟ^(guò)改變培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分,將甘氨酸降至0.1g/L,另加入10g/L葡萄糖,使自養(yǎng)的綠色小球藻細(xì)胞進(jìn)行異養(yǎng)生長(zhǎng)。異養(yǎng)微藻脂類化合物含量高達(dá)細(xì)胞干重的55%,是自養(yǎng)藻細(xì)胞的4倍。清華大學(xué)應(yīng)用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)(異養(yǎng)發(fā)酵技術(shù))控制有機(jī)與無(wú)機(jī)C、N的供給,也獲得了異養(yǎng)小球藻。張薇等針對(duì)ChlorellapyrenoidosaNo.2研究了培養(yǎng)基組成對(duì)其細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂積累的影響。結(jié)果表明,最適培養(yǎng)基配合其他優(yōu)化條件培養(yǎng)7d,生物量和油脂含量分別由優(yōu)化前的3.73g/L和40.15%提高到6.56g/L和59.90%,油脂產(chǎn)量提高了162%。這些方法都以外加有機(jī)碳源作為營(yíng)養(yǎng)方式,使藻類自養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱水愷B(yǎng),雖然提高了含油量,但同時(shí)也提高了養(yǎng)殖成本。因此在外加有機(jī)碳的來(lái)源的選擇上可對(duì)一些含糖廢水、有機(jī)食品廢水加以利用,同時(shí)也起到治理污染的作用。介于自養(yǎng)與異養(yǎng)之間的混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)國(guó)內(nèi)也有研究。混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)外加有機(jī)碳源作為補(bǔ)充碳源,與光合自養(yǎng)及異養(yǎng)培養(yǎng)相比,既可提高藻細(xì)胞密度,又不會(huì)影響色素等光誘導(dǎo)產(chǎn)物的合成。田華在實(shí)驗(yàn)中考察了三種主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)碳源NaHCO3、氮源NaNO3、磷源K2HPO4的最佳添加量,結(jié)果顯示NaHCO38.4g/L、NaNO32.0g/L、K2HPO40.1g/L時(shí)即可滿足混合營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)的基本要求。上述研究中,不管哪種營(yíng)養(yǎng)方式或營(yíng)養(yǎng)元素多少量合適都基于營(yíng)養(yǎng)充足的前提。但美國(guó)的水生生物計(jì)劃(ASP)研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)缺乏可引起油脂的大量積累,但這時(shí)在環(huán)境壓力下細(xì)胞分裂停止,生長(zhǎng)速率下降。在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,細(xì)胞含油量的提高更多的被細(xì)胞生長(zhǎng)速率的降低所抵消,結(jié)果是總產(chǎn)油量并未見長(zhǎng)。美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的實(shí)驗(yàn)也表明細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂累計(jì)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系是十分微妙的,通過(guò)控制藻類的“饑餓”時(shí)間及收獲時(shí)間,也可能實(shí)現(xiàn)總油量的凈增長(zhǎng)。2.1.4曝氣藻類種類曝氣方式也會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。朱亮的研究結(jié)果顯示晝間曝氣會(huì)縮短淡水藻類的生長(zhǎng)周期,夜間曝氣對(duì)藻類生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。劉春光等也利用水族箱微宇宙研究了藻類在不同曝氣條件下的生長(zhǎng)和種類變化,試驗(yàn)結(jié)果顯示,晝間曝氣藻類生長(zhǎng)最好,其次為完全曝氣,四種處理間優(yōu)勢(shì)種有一定變化,其中晝間曝氣下藻類種類數(shù)明顯減少。從以上的研究結(jié)果可以看出,普遍情況下晝間曝氣最利于藻類的生長(zhǎng),但曝氣方式改變引起的藻種改變也要加以考慮,需要根據(jù)選擇的高含油量藻種來(lái)選擇相應(yīng)合適的曝氣方式。2.1.5氣調(diào)和氣體濃度對(duì)藻種生長(zhǎng)的影響CO2是藻類光合作用必不可少的物質(zhì),在培養(yǎng)中補(bǔ)充適當(dāng)?shù)腃O2可以促進(jìn)藻類生長(zhǎng),同時(shí)也起到減少溫室氣體的作用。從經(jīng)濟(jì)成本上說(shuō),有很多廉價(jià)CO2可供利用,因此添加CO2氣體的主要問(wèn)題是“量”。劉玉環(huán)等利用火電廠煙道氣培養(yǎng)微藻Scenedesmusdimorphus的研究表明,通入體積分?jǐn)?shù)33.3%CO2和體積分?jǐn)?shù)66.7%空氣比通入正常空氣或通入比其含有更多CO2的空氣更有利于微藻的生長(zhǎng)。而Yeoung-SangYun等的研究發(fā)現(xiàn)Chlorellavulgaris生長(zhǎng)受CO2氣體濃度的影響與接種培養(yǎng)時(shí)的CO2條件有關(guān)。當(dāng)藻種在只通入空氣的條件下接種時(shí),最佳生長(zhǎng)的CO2體積分?jǐn)?shù)為5%;當(dāng)接種時(shí)通入5%體積分?jǐn)?shù)CO2時(shí),這時(shí)通入任何濃度的CO2(體積分?jǐn)?shù)≤15%)都能促進(jìn)藻類生長(zhǎng),且CO2固定率可達(dá)26.0g/m3·h。鑒于以上研究,不同藻種對(duì)CO2的具體需求量是不同的,但可在最初培養(yǎng)時(shí)通入低濃度的CO2使藻種適應(yīng),進(jìn)而逐漸提高通入量,在促進(jìn)藻類生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上可最大程度的處理溫室氣體CO2。2.1.6初始nacl對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂含量的影響對(duì)于海藻來(lái)說(shuō),鹽度也是其生長(zhǎng)環(huán)境中一項(xiàng)重要影響因素。有研究表明含有較多疏水成分如油脂、脂肪酸以及脂肪酸酯的藻細(xì)胞可經(jīng)液化后獲得更高的油產(chǎn)量,因此MutsumiTakagi等希望可以通過(guò)改變不同鹽度條件來(lái)增多藻細(xì)胞內(nèi)油脂和三酰甘油的含量以增加液化產(chǎn)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,初始NaCl濃度在1.0M以下時(shí)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)沒有影響,NaCl濃度超過(guò)1.0M后,細(xì)胞生長(zhǎng)受到顯著的抑制;初始NaCl濃度在1.0M以下時(shí),不同濃度水平下細(xì)胞生長(zhǎng)情況相似,但濃度1.0M下得到的胞內(nèi)油脂和三酰甘油濃度明顯要比濃度0.5M下得到的高。MutsumiTakagi等又研究了初始NaCl濃度1.0M下額外添加NaCl對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和油脂含量的影響,結(jié)果表明這種情況下油脂含量會(huì)升高而伴隨著細(xì)胞量的輕微下降。因此可以通過(guò)在藻細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中逐步添加鹽含量來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)脂類的含量,但需要找到最優(yōu)的添加量及添加時(shí)間。2.2關(guān)于培訓(xùn)的研究在光生物反應(yīng)器方面,微藻培養(yǎng)主要有開放式和封閉式兩種光生物反應(yīng)器。2.2.1增加了觀體水平、材料在微藻培養(yǎng)中的應(yīng)用,提高了土開放式光生物反應(yīng)器即指開放池培養(yǎng)系統(tǒng),具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),主要有淺水池、循環(huán)池、跑道式池和池塘四種類型。而易受污染、難以保持溫度、光利用率低下等缺點(diǎn)使得開放式的反應(yīng)器難以實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng),采收成本較高,只能用于螺旋藻、小球藻等少數(shù)能耐受極端環(huán)境的微藻培養(yǎng)。ASP就在羅斯維爾及新墨西哥分別建立了1000m2的池塘。通過(guò)這些池塘的運(yùn)行,證明了長(zhǎng)期、可靠的藻類培養(yǎng)在開放系統(tǒng)中是可行的。但這兩個(gè)成功的連續(xù)培養(yǎng)都是讓土著藻種自然占據(jù)生長(zhǎng)空間,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)挑選出的優(yōu)勢(shì)藻種在戶外無(wú)法保持較高耐受力,長(zhǎng)勢(shì)不好。連續(xù)培養(yǎng)的成功卻不代表連續(xù)高產(chǎn),這是由于所在地低溫天氣的限制,因此戶外開放式培養(yǎng)的合適選址也有不小的困難。2.2.2光生物反應(yīng)器co-與開放式光生物反應(yīng)器相比,封閉式光生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)在于:無(wú)污染,培養(yǎng)條件穩(wěn)定;培養(yǎng)密度高,易收獲;有較高的光照面積與培養(yǎng)體積之比,光能和CO2利用率較高。一般封閉式光生物反應(yīng)器有:管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發(fā)酵罐、浮式薄膜袋等。下表列出了3種常見反應(yīng)器的具體應(yīng)用情況。盡管封閉式光生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)了許多優(yōu)點(diǎn),但其相對(duì)高的投資成本及其本身復(fù)雜的設(shè)計(jì)卻不利于大規(guī)模的工程推廣。就其深入研究的意義多是在實(shí)驗(yàn)室層面的,利用其提供的良好培養(yǎng)環(huán)境來(lái)更好地研究藻類的生長(zhǎng)及各種特性,亦或是建立模型,為戶外池的設(shè)計(jì)提供參考。2.3生物酶活性的檢測(cè)無(wú)論是從培養(yǎng)條件或反應(yīng)器入手去提高藻類的產(chǎn)量和含油量都是對(duì)外部環(huán)境研究,而從影響藻類生長(zhǎng)特性的內(nèi)因來(lái)看,就要對(duì)分子生物學(xué)及遺傳工程展開研究。通過(guò)藻類某些基因的改變或加入某些新基因可使藻類表現(xiàn)出需要的特性。NREL的研究人員就試圖尋找油脂合成的關(guān)鍵酶,這些酶的活性會(huì)直接影響油脂合成的速率,當(dāng)酶的活性升高時(shí),碳更多地進(jìn)入脂類合成途徑。在1988年,研究人員發(fā)現(xiàn)了乙酰輔酶A羧化酶。在硅缺乏引起的油脂積累過(guò)程中,這種酶的活性升高,同時(shí)控制該酶的基因編碼也增多了表達(dá)。于是研究人員開始分離這種酶,并克隆了酶的基因,然后在硅藻和綠藻中成功地表達(dá)了外來(lái)的基因。此后NREL不僅著重研究控制油脂合成的關(guān)鍵酶,還研究有關(guān)碳水化合物合成的關(guān)鍵酶,希望能抑制這些酶的活動(dòng),使碳更多地流向油脂合成而不用于碳水化合物合成。2.4陽(yáng)離子聚合物法藻細(xì)胞的收集也是個(gè)重要的問(wèn)題,因?yàn)樵寮?xì)胞非常小,本身密度與水接近,且培養(yǎng)液很稀,要收獲一定量的藻細(xì)胞就要處理大量的液體。收集主要的手段有離心、絮凝沉淀或過(guò)濾等,但沒有哪一個(gè)手段能適合所有的情況?？偟膩?lái)說(shuō),對(duì)于價(jià)值較低的產(chǎn)品可以使用重力沉降的方法,或是配合絮凝進(jìn)行,但對(duì)于價(jià)值較高的產(chǎn)品則使用離心的方法。絮凝是最簡(jiǎn)易的方法,常用的凝聚劑有多化合價(jià)的金屬鹽、陽(yáng)離子聚合物、預(yù)聚合的金屬鹽等:如廢水處理中廣泛地使用明礬來(lái)絮凝藻細(xì)胞;1～10mg/mL的陽(yáng)離子聚合物可促使淡水藻絮凝。RichardMKnuckey等采用絮凝的方法濃縮藻液用于水產(chǎn)飼養(yǎng),先用NaOH調(diào)節(jié)pH到10～10.6,再加入一種非離子態(tài)的聚合物MagnaflocLT-25,最后中和后可濃縮到200～800倍,效率在80%以上,且不會(huì)破壞細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)。離心收集可用于大多數(shù)的藻類,其快速高效,但能耗大。收集的效果取決于細(xì)胞本身的沉積性能、沉積物高度及保持時(shí)間。Mohn的研究中,使用自洗圓盤離心機(jī)對(duì)Scenedesmus、Coelastrumproboscideum進(jìn)行一步式固液分離,連續(xù)進(jìn)料,間斷離心,濃縮了10倍,能耗為1kW/h·m3;使用噴嘴壓料離心機(jī)對(duì)Scenedesmus、C.proboscideum進(jìn)行連續(xù)離心分離,也濃縮了10倍以上,能耗0.9kW/h·m3。過(guò)濾法相對(duì)只適宜像Spirulinaplatensis的較大藻種。如使用箱式壓濾機(jī)對(duì)C.probosci-deum進(jìn)行濃縮,所得泥餅中固體含量為27%。其他方法如中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所的曾文爐等使用連續(xù)泡沫分離法采收微藻細(xì)胞,該方法效率高、能耗低、操作條件溫和且生物活性損失小。2.5有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益分析要使培養(yǎng)藻類并制取生物燃料產(chǎn)業(yè)化,還有必不可少的一項(xiàng)前提工作就是從總體上去衡量可行性,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(包括藻類培養(yǎng)、生長(zhǎng)管理、運(yùn)輸至生產(chǎn)工廠、干燥、產(chǎn)物分離、物質(zhì)循環(huán)利用、廢物處理、最終產(chǎn)品運(yùn)輸和銷售等)作出分析,在盈利的基礎(chǔ)上才能付諸實(shí)踐。ASP的系統(tǒng)分析包括了資源評(píng)估和工程設(shè)計(jì)/成本分析兩部分。資源評(píng)估結(jié)合了適合的氣候,土地及資源實(shí)用性、CO2利用成本等方面進(jìn)行了分析,但分析結(jié)果不夠全面,只是得出了大體的觀點(diǎn)——存在大量潛在的土地、水和CO2資源可用于藻類的培養(yǎng),因?yàn)樵S多氣候不適宜耕作的地區(qū),藻類卻可以生長(zhǎng),并且培養(yǎng)藻類所需水資源比傳統(tǒng)產(chǎn)油作物少得多,同時(shí)CO2也得以處理。而工程設(shè)計(jì)/成本分析的結(jié)果卻表明在當(dāng)時(shí)基于藻類生產(chǎn)生物柴油的成本與石油的工程生產(chǎn)成本相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。不