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1、利用微藻制取生物柴油的研究进展朱晗 生物技术07Q2 20073004104摘要 ：随着人口增长的加速，自然资源日益短缺，而且面临着枯竭的危险。传统能源枯竭的焦虑，引起了人们对可再生的生物资源浓厚的兴趣。本文主要讨论了微藻，生物柴油以及利用微藻发酵制取生物柴油的研究进展。关键词: 微藻; 生物柴油; 发酵0 前言生物柴油(Biodiesel)即脂肪酸甲酯, 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动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料，是一种可生物降解、无毒的可再生能源。生物柴油是生物质能的一种，作为一种清洁的低碳燃料,其含硫和含氮量均
2、较低,同时灰分含量也很小,所以燃烧后SO2 、NO 和灰尘排放量比化石燃料要小得多,是可再生能源中理想的清洁燃料之一1。但是由于较高的原材料成本，生物柴油的价格高于传统柴油,因此选取合适的、低成本的植物油脂资源来积极发展和生产生物柴油是发展的总趋势。利用微藻制取生物柴油，不仅能够降低成本，另外，有些微藻会引起水华，赤潮等爆发，消耗水中大量的溶解氧，并会上升至水面而形成一层绿色的黏质物，使水体严重恶臭，水体中生物大量死亡，因此，如果利用此类微藻资源，还减轻环境负荷。自1988 年以来,许多欧洲国家就已经开始将生物柴油作为传统柴油的替代品加以利用，并取得了较好的效果。本文就利用微藻发酵生物柴油的制
3、取进行综述,并讨论了存在的问题及其应用前景。 1 生物柴油生物柴油是典型“绿色能源”，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。目前生物柴油的制取方法主要有以下几种：利用油脂原料合成生物柴油的方法；用动物油制取的生物柴油及制取方法；生物柴油和生物燃料油的添加剂；废动植物油脂生产的轻柴油乳化剂及其应用；低成本无污染的生物质液化工艺及装置；低能耗生物质热裂解的工艺及装置；利用微藻快速热解制备生物柴
4、油的方法；用废塑料、废油、废植物油脚提取汽、柴油用的解聚釜，生物质气化制备燃料气的方法及气化反应装置；以植物油脚中提取石油制品的工艺方法；用等离子体热解气化生物质制取合成气的方法，用淀粉酶解培养异养藻制备生物柴油的方法；用生物质生产液体燃料的方法；用植物油下脚料生产燃油的工艺方法，由生物质水解残渣制备生物油的方法，植物油脚提取汽油柴油的生产方法；废油再生燃料油的装置和方法；脱除催化裂化柴油中胶质的方法；废橡胶(废塑料、废机油)提炼燃料油的环保型新工艺，脱除柴油中氧化总不溶物及胶质的化学精制方法；阻止柴油、汽油变色和胶凝的助剂；废润滑油的絮凝分离处理方法。生物柴油优点很多，如具有良好的环境属性；
5、具有较好的低温发动机启动性能；具有较好的润滑性能； 具有较好的安全性能；具有良好的燃料性能； 具有可再生性能。综观国际上的发达国家如美国、德国、日本，到次发达的南非、巴西、韩国，到发展中的印度、泰国等，均在发展石油替代产业的国际政策制度、技术完善、装置建设和车辆制造等方面提供了良好的借鉴，为中国走特色石油替代之路铺平了道路。特别是巴西经验，更具实际意义2。2 微藻制取生物柴油的优势 微藻是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富、光合利用度高的自养植物，细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等，使在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。藻类具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境适应
6、能力强、生长周期短、产量高等突出特点，从微藻中得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲酯，即生物柴油；在沸石催化剂作用下，微藻通过热化学转化可生产出汽油型燃料；生长在海水中的绿藻，能积累大量游离的甘油以平衡环境中的盐浓度，其甘油的含量可占自身干重的85%3。另外，微藻产量非常高，一般陆地能源植物一年只能收获一到两季，而微藻几天就可收获一代，而且不因收获而破坏生态系统，就单位面积产量来说比玉米高几十倍，不占用可耕地，藻类可以种植在海洋或露天的池塘，因而可利用不同类型的水土资源，具有不与传统农业争地的优势。大量研究表明,微藻油脂的含量随微藻种类的不同有较大差异,且微藻油脂含量及组成会因环境因素的差异而产生变化
7、。由于微藻是单细胞结构，它用用极高的光能利用率和营养吸收率，微藻的生长和产油效率是油料作物如大豆的30100倍。5有研究者对十余株微藻进行筛选,筛选出金藻(Isochrysis sp.)、前沟藻(Amphidiniu sp.)、异湾藻(Heterosigma sp.)和原甲藻(Prorocentrum sp.)等4株富油微藻,其粗脂含量分别为45%、36.7%、35%和29.5%6，微藻生长不会与农业产生竞争关系，它的生产设备可以是封闭的而且不需要土壤，与传统农业相比节水99，可以建在远离水源的非农业土地上。有些微藻还能在盐碱环境下生长，所以一些盐碱化土地也能用作培养微藻的场所。3可见微藻是一
8、种含油量很高，极有前景的一种生物能源。3 利用微藻制取柴油的主要方法生物柴油的制取主要步骤如下图所示： 3.1 产油微藻的选取由于微藻油脂的含量随微藻种类的不同有差异较大，要对微藻进行改造、选育。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因
9、在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。2另外，在我国，清华大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其脂含量高达细胞干重的55（质量分散），是自养藻细胞的4倍。此外，清华大学还应用细胞培养技术（异养发酵技术）控制有机与无机C、N的供给，获得叶绿素消失、细胞变黄的异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大量增加，蛋白质含量下降。与未经转化的自养藻相比，异养藻细胞和粗脂肪含量提高了4倍以上。中科院植物研究所和中科院水生生物研究所的科研人员借鉴美国的经验教训，在较短的时间内，通过基因工程开发出了高产的油藻品种。青岛海洋大学经过十
10、几年的淡水及海水藻类物质的研究，也已积累了丰富的海洋藻类开发和产业化的经验5。3.2 微藻大规模培养微藻类的大规模培养系统一般可以分为两大类：开放式培养系统和封闭式培养系统。开放式培养系统一般是指室外的露天人工制造的培养池或特定环境下的小规模湖泊，其优点是造价低廉、操作简便、生产成本较低，但由于培养环境不稳定、培养条件无法控制，培养效率较低，只能用于螺旋藻、小球藻、盐藻等少数特定微藻的培养。封闭式培养系统也被称为光生物反应器，是目前流行的微藻培养系统，有柱状、平板式、管道式等多种形式，具有培养环境可人工控制、光利用效率高、操作简单等优点，可以实现微藻的高密度、大规模培养。5培养方式优点缺点开放
11、式赛道池塘培养建设费用低容易清洗表面形成的生物膜维持费用低大气中的CO2就能满足生产需要技术成熟，便于工业规划生产开放培养，容易产生杂菌污染生产效率低占地面积大细菌浓度低，后处理工作量大易受到周围自然环境影响自然蒸发消耗大量水封闭式光生物反应器封闭培养，纯种培养，不易染杂菌生产效率高占地面积小细胞浓度高，便于后处理封闭，不易受周围自然环境影响封闭系统，水消耗少建设费用高表面易形成生物膜，降低透光性维持费用高需要大量CO2，如发电厂尾气技术先进但尚不够成熟，工业化应用有困难 表1：两种微藻培养方法的比较清华大学微藻生物能源实验室发明了微藻异养发酵生产生物柴油的新技术，其技术特征在于：通过对一种特
12、别藻株特殊品系的筛选和代谢途径的改变，Chlorella protothecoides 0710 strain 由光合自养转变为化能异养，细胞由绿变黄，生长繁殖更快，油脂含量提高3至4倍，达细胞干重的61以上。又将工业界成熟的发酵技术应用于高油脂异养微藻的生产，进一步提高发酵规模和细胞密度，现细胞发酵密度超过了100g/L，获取了大量异养干藻粉后提取油脂，经转酯化反应生成了高质量的生物柴油。创新点在于：微藻异养发酵生产生物柴油新技术，打通了以糖、淀粉、有机废水、二氧化碳等为原料、工业自动化条件下高效生产生物柴油的新途径；异养藻细胞发酵产量和油脂含量不断创造新高(细胞干重100 g/L，含油量6
13、0)，提高了该技术工业化生产的经济性； 且正在研究在发酵前引入利用CO2和光合作用来减少糖或淀粉的消耗，以降低成本同时减少温室气体的排放。7微藻作为生物能源的原料,如果要具有很强的竞争力那么就必须具有很高的生物量和脂质的积累,许多生长条件对微藻细胞脂质含量的积累都可以产生影响,如pH、氮元素的缺乏、光照强度、温度等培养的一般条件都会对积累有影响。目前的研究表明还存在着很多影响脂质积累的因素存在。培养基中盐度的不同对某些微藻脂质的积累产生影响。Rao等对产烃葡萄藻的研究发现不同的盐度对微藻的总脂含量产生不同程度的影响。Chiu等研究了CO2 浓度对微绿球藻的生长和脂质积累的影响。他们通入不同浓度
14、的CO2 发现2% CO2 与通入空气相比可以提高微绿球藻的比生长速率和生物量,而更高浓度CO2 则会抑制微绿球藻的生长。并且收获指数期、稳定期早期和稳定期的微藻细胞进行脂质含量的测定, 脂质含量分别占干重的30. 8% ,39. 7%和50. 4%。铁离子对微藻的生长和脂质的积累存在影响,如Liu等对铁离子对小球藻生长和脂质积累的影响进行了研究他们发现当小球藻生长达到对数生长末期时加入铁离子可以延长对数生长期,进而增大了生物量。而培养到对数末期的小球藻收集后接种到含有不同浓度铁离子浓度的新鲜培养基中后,细胞中脂质含量有了不同程度的升高,当铁离子浓度达到1. 2 1025 mol /L 时脂质
15、的含量达到了干重的56. 6%是其他含有低铁离子浓度培养基的37倍。清华的大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂质含量的异养小球藻细胞,脂质含量达到细胞干重的55% ,是自养藻细胞的4倍8。3.3 微藻生物量的采收20 世纪80 年代,人们便开始采用酯化反应和催化裂解反应将藻细胞内的脂类转化为内燃机燃料,但这2 种方法所得产物性能受脂类组成的影响很大,而且要求藻类的脂类含量要很高,否则难以获得经济效益。为了充分利用藻细胞的所有组分,人们开始采用热解技术来将藻细胞转化成高能量密度的液态燃料。1993 年,Ginzburg成功地用蛋白质含量高的盐藻( Dunaliella) 作液化热解材料获得了低硫、低氮含量的优质油,促进了人们对微藻热解产油的研究。缪晓玲和吴庆余利用流化床热解反应器对小球藻( Chllorella protothecoides) 和微囊藻( Microcystis) 进行快速热解实验,分别获得17.5 %和23.7 %的油产率,对所得热解油进行分析表明,燃油饱和烃平均质量分数为11.4 % ,非烃平均质量分数为31.17 %; 小球藻和微囊藻液体燃油饱和烃组分的碳分布分别位于C1030和C1020之间,均以C1719为主峰;与木材热解油相比,微藻热解油的C、H含量更高,而O 含量较低,因此微藻热解生物质燃油的
