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1、 - 57 - www.ivypub.org/EEA Electrical Engineering and Automation December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.57-68 The Effect Factors of Microalgae Oil Formation and Pre-broken Extraction Technology Ya Li1, Xin Wang1, Bingwei Zhao1, Xiaoyi Yang1,2# 1. School of Energy and Power Engineering, Beihang Univers
2、ity, Beijing, P.R. China, 100191 2. Energy and Environment International Centre, Beihang University, Beijing, P.R. China, 100191 #Email: Abstract Excessive use of fossil fuels has been to detriment of environmental, and now fossil fuels face the threat of depletion. Algae has received much more att
3、ention as the most potential feedstock for renewable biofuel. Microalgae lipid is the main substance to produce biofuel influenced by many factors including medium composition, temperature, and light, pH value, training methods and salinity, which is the focus of this paper. Oil extraction has been
4、a key technology of bio-energy industry. Since microalgae cells are usually characterized by relatively thick cell wall, which poses much difficulty in extracting oil. Broken pretreatment is needed before oil extraction in order to achieve high extraction efficiency. Different broken pretreatment an
5、d oil extraction methods will cause large differences in extraction efficiency. This paper summarized the most commonly used broken pretreatments, extraction techniques and oil extraction efficiency, and then analyzed the development of new technologies, such as subcritical solvent extraction techno
6、logy, ionic liquids extraction technology and electromagnetic pulse extraction technology; as well as their advantages and disadvantages; further the problems that constrain microalgae industrial production, and the methods to improve the microalgae oil content and oil extraction rate have been inve
7、stigated. Keywords: Microalgae Oil; Influencing Factor; Cell Broken Technology; Extractive Technology 微藻油脂形成的影响因素及破壁提取技术 李娅1，王鑫1，赵兵伟1，杨晓奕1,2# 1. 北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191 2. 北京航空航天大学能源与环境国际中心，北京 100191 摘 要：化石能源的过度使用会造成日益严重的坏境问题，并面临着枯竭的威胁。微藻作为生产可再生清洁燃料的良好生物质原料受到越来越多的关注。微藻油脂是制取生物质燃料的主要成分，其含量受到多方面的影响
8、，本文总结了培养基成分、温度、光照、pH 值、培养方式和盐度对微藻油脂含量的影响。微藻油脂提取一直是微藻生物能源产业的关键技术，由于微藻细胞通常细胞壁较厚实，提取油脂成分较困难，在提取油脂前常需要采用破壁预处理才能达到较完全的萃取效果。不同的细胞破壁和油脂提取方法会引起较大差异的油脂提取效率。本文在总结目前常用的细胞破壁技术和油脂提取工艺及其油脂提取效率进展基础上，也分析了目前亚临界溶剂提取技术、离子液体提取技术、脉冲电磁场提取等新兴技术的发展状况，并分析了其优缺点。最后分析了制约微藻作为原料生产生物质燃料产业化生产的问题，和提高微藻油脂含量和油脂提取率应采取的方法。 关键词：微藻油脂；影响因
9、素；破壁技术；提取技术 引言 能源是我们日常生活和经济发展中不可或缺的一部分，然而，化石燃料是属于不可再生的一种能源，因此，它的来源等方面都受到很大的限制，并且最终有一天会被用至枯竭1。另外，化石燃料的过度使用会造- 58 - www.ivypub.org/EEA 成日益严重的坏境问题，因此寻找一种清洁可再生的能源已经成为目前全球急需解决的一个问题。以生物质作为原料得到生物质油最终再转化成燃料已引起人们的普遍关注。这种燃料硫、氮的含量很少，避免了因燃烧生成 SO2 和 NO2 而引起的酸雨；并且其燃烧产生的 CO2 适中，避免了 CO2 引起的温室效应；是一种新型可再生的清洁能源。然而，生产成
10、本高是制约生物质油产业化生产的主要问题，而原料成本占据了生产成本中的绝大部分。因此，降低生产成本的关键是寻求充足而廉价的原料及提高转化率，这也是生物质油能否实现产业化生产的关键。与传统的生物质油或燃料乙醇生产过程相比，微藻能源生产过程不会占用农业耕地及消耗大量的粮食作物。与其他油料作物相比，利用微藻培养生产生物质油占地面积最小（表 1），还可利用滩涂地、荒废地等非耕地2，不会威胁到粮食作物的生产。另外，微藻具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高和环境友好等突出特点3。从微藻中提取油脂成分，通过转酯化反应，可制备良好燃性和清洁性的生物燃油。因此，微藻是生产可再生
11、清洁能源的良好生物质原料。本文简要介绍了微藻油脂的形成机制、影响因素及破壁提取技术。 1 微藻油脂的形成机制 产油微藻一般指在一定条件下能将二氧化碳、碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂等碳源转化为藻体内大量贮存的油脂，而且油脂含量超过生物总量 20%的微藻种类4。有效提取微藻油脂的前提是油脂含量高的优良藻种，众多科研人员研究发现，油脂含量较高的微藻主要集中在绿藻、硅藻、金藻等真核微藻5。从表2 可以看出不同种类的产油微藻，其脂质含量有较大的差异，目前作为生物燃料原料的微藻有绿藻、硅藻和部分蓝藻。 表 1 不同植物油脂生产生物柴油效率的比较2 植物油 生物柴油产量 （升/公顷/年） 生产全球生物柴
12、油用 地面积（公顷 106） 用地面积占全球 总面积百分比 用地面积占全球可 耕地面积百分比 棉籽油 325 15002 100.7 756.9 大豆油 446 10932 73.4 551.6 芥子油 572 8524 57.2 430.1 葵花油 952 5121 34.4 258.4 油菜油 1190 4097 27.5 206.7 麻疯树油 1892 2577 17.3 130 棕榈油 5950 819 5.5 41.3 油菜（三酰甘 油含量 30%） 12000 406 2.7 20.5 油菜（三酰甘 油含量 50%） 98500 49 0.3 2.5 表 2 部分微藻的脂质含量4
13、藻类 藻种 脂质含量（%） 硅藻 牟氏角毛藻 中肋骨条藻 33.6 13.3-31.8 绿藻 葡萄藻 小球藻 栅藻 盐藻 25.0-75.0 10.0-48.0 19.6-21.1 17.5-67.0 黄绿藻 微绿球藻 22.7-29.7 定鞭金藻 等鞭金藻 巴夫藻 紫球藻 7.1-33 30.9 9.0-18.8 微藻油脂的生物合成属于初级代谢的一部分，是一个多酶催化的复杂过程（图 1）。微藻油脂的油脂积累大体可分为发酵培养前期和后期两个阶段：发酵培养前期为细胞增殖期，这个时期内微藻消耗培养基中的碳源和氮源，以保证藻体代谢旺盛和增殖过程，并且在这一阶段中微藻细胞也合成油脂，但主要用于细胞骨-
14、 59 - www.ivypub.org/EEA 架的组成，即以体质脂形式存在。发酵培养后期，当培养液中碳源充足而某些营养成分(特别是氮源)缺乏时，藻体细胞分裂速度锐减，微藻不再进行细胞繁殖，而过量的碳元素继续被藻细胞吸收，在细胞质中经糖酵解途径进入三梭酸循环，同时激活甘油三酯的积累过程6。 图 1 微藻利用太阳能和 CO2合成油脂示意图2 2 微藻脂肪形成的影响因素 在微藻的培养过程中，培养基成分、温度、光照、pH 值、培养方式、盐度等都会影响微藻的生长以及其油脂含量与组成， 表 3 为不同培养条件下部分微藻的产生物量和油脂情况。 从表中可看出 CO2量充足时从粒藻的生物生产率、油脂含量和油
15、脂生产率都比 CO2量少时高，充足的氮能促进小球藻的生物生产率但其油脂含量和油脂生产率反而降低，微绿球藻的生物生产率、油脂含量和油脂生产率分别存在一个最适的产出温度。 2.1 培养基成分 表 3 不同培养条件下部分微藻的产油脂情况12 藻种 培养条件 生物生产率 （mg L-1 d- 1） 油脂 含量 （%） 油脂生产率 （mg L-1 d-1） 丛粒藻 10%CO2 废气中有 5.5% 的 CO2 26.55 77 21 24 5.51 20.65 小球藻 充足的氮 氮含量较低 41 36 25 34 10.25 12.24 杜氏藻 高盐含量 50 67 33.5 微拟球藻 持续光照下的 自
16、养 180 30.9 54.8 微绿球藻 半持续自养 15下的自养 20下的自养 25下的自养 497 61.1 126.7 72.7 30.4 14.92 7.90 13.89 151 9.11 10.01 10.10 富油新绿 藻 NaNO3作为氮 源 400 34 133 颗石藻 室外池塘长期 培养 190 33 62.7 培养基的成分对微藻的生长、油脂的含量及组成都有影响，其中培养基中的氮、磷、硅的影响最为显著。普遍认为，氮缺乏会导致微藻油脂的积累7，微藻通常可以利用铵盐、硝酸盐及尿素等作为其氮源。单细胞藻虽对这些盐类都能吸收与利用，但在吸收的速度与利用的程度上是有差别的8,9。沈颂东研究证实10，氮的浓度对小球藻的影响比较复杂,要视氮源而论，当氮源为 NaNO3时，淡水小球藻的生长高峰在氮添加浓度为0.080.16mol/L；而当尿素作为氮源时，淡水小球藻的生长高峰在氮添
