黃雄超, 牛榮麗

(華僑大學(xué)分子藥物學(xué)研究所, 教育部分子藥物工程中心, 福建 廈門, 361021 )

利用海洋微藻制備生物柴油的研究進(jìn)展

The research progress on preparation of biodiesel from marine microalgae

黃雄超, 牛榮麗

(華僑大學(xué)分子藥物學(xué)研究所, 教育部分子藥物工程中心, 福建 廈門, 361021 )

世界能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加劇, 使越來越多的人開始關(guān)注到清潔的可再生能源。生物柴油是一種新興的可再生生物質(zhì)能, 清潔環(huán)保, 易生物降解, 燃燒后排放的氮氧化物和 CO2少, 且可直接用于現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī), 因此成為了一種良好的化石燃料替代物[1]。歐盟在2010年生產(chǎn)的生物柴油已經(jīng)取代了 5.75%的化石燃料市場(chǎng), 并計(jì)劃到 2020年時(shí)將生物柴油產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展至 10%的市場(chǎng)份額。生物柴油是以動(dòng)植物為原料通過與甲醇等醇類進(jìn)行酯交換反應(yīng)制得的脂肪酸甲酯的總稱。世界范圍內(nèi), 生產(chǎn)生物柴油的傳統(tǒng)原料主要有菜籽油, 向日葵油, 大豆油和棕櫚油, 此外還有其他一些含油脂多的物種,如麻風(fēng)樹、黃連木、文冠果等, 以及動(dòng)物脂肪和餐飲廢棄油脂。但是這些原料生產(chǎn)生物柴油的方式是不可持續(xù)性的, 例如: 由于原材料可用于其他用途而致原材料的競(jìng)爭(zhēng), 生產(chǎn)周期較長(zhǎng), 成本較高, 經(jīng)濟(jì)可行性差, 并可能對(duì)糧食作物的生產(chǎn)構(gòu)成威脅。微藻,是目前制取生物柴油最有希望和前途的原料, 具有分布廣泛、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、油脂含量高等特點(diǎn)。因此微藻生物柴油的開發(fā)研究也成為一項(xiàng)重要的課題。

1 生產(chǎn)生物柴油的海洋微藻

微藻是一種單細(xì)胞的光合作用微生物, 每個(gè)微藻細(xì)胞都可以有效地進(jìn)行光合作用和吸收二氧化碳,并且不需要像維管束植物那樣開放氣孔, 因此光合作用效率高[2]。在適宜的培養(yǎng)條件下, 微藻生物量和脂質(zhì)含量大大超過維管束植物[3], 適合從中提取油脂生產(chǎn)生物柴油。

微藻不僅具有很高的 CO2固定率和 O2產(chǎn)生率,還可以在各種氣候和環(huán)境中生長(zhǎng), 甚至包括沙漠和海濱等不宜農(nóng)耕的地區(qū)。與農(nóng)作物衍生的生物燃料相比, 微藻生物燃料的需求不會(huì)減少食品、飼料供應(yīng),不會(huì)對(duì)現(xiàn)有環(huán)境、作物和水資源等造成威脅。

1.1 富油微藻的種類

富含脂質(zhì)的微藻主要可以分為四個(gè)主要類別:硅藻類、綠藻類、藍(lán)綠藻類和金藻類。不同種類的微藻, 細(xì)胞中的脂質(zhì)含量是不同的(表1)。一般大多數(shù)微藻的脂肪酸含量可以達(dá)到細(xì)胞干重的10%～30%,葡萄藻(Botryococcus braunii)細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)含量甚至可高達(dá)細(xì)胞干重的75%[4]。微藻脂質(zhì)含量的高低對(duì)于生物燃料質(zhì)量的影響是不同的, 因此不同的藻種適合作為不同種類的燃料的原料[5]。

1.2 微藻油脂的組成

微藻和高等植物一樣, 都是以脂肪酸三酰甘油的形式儲(chǔ)存脂質(zhì)。由海藻提取得到的海藻油主要由甘油三酯(占脂質(zhì)質(zhì)量90%～98%)、少量的單甘油酯和雙甘油酯及游離脂肪酸(1%～5%)組成。此外還可能含有極少量殘留的磷脂、葉綠素、胡蘿卜素、生育酚和痕量的水分[6]。

不同培養(yǎng)條件下, 微藻的脂質(zhì)和脂肪酸含量是不同的, Demirbas A等[7]研究了海藻油中脂肪酸占藻體干重的比例, 剛毛藻Cladophora fracta中飽和脂肪酸為 12.5%, 單不飽和脂肪酸為 33.7%, 多不飽和脂肪酸為 50.9%, 游離脂肪酸為 3.6%; 小球藻Chlorella Protothecoides中飽和脂肪酸為 10.8%, 單不飽和脂肪酸為 24.1%, 多不飽和脂肪酸為 62.8%,游離脂肪酸為2.6%。

表1 一些海洋微藻的脂質(zhì)含量

微藻中的脂肪酸主要是由 12-22 C的飽和脂肪酸和不飽和的脂肪酸組成的(表2), 主要以不飽和脂肪酸為主, 此外還存在少量的飽和脂肪酸[8]。從最終制得的微藻生物柴油的質(zhì)量來看, 選擇含飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸高的微藻才是最佳的原料, 因?yàn)椴伙柡椭舅嵫趸俾适桥c雙鍵數(shù)目和位置密切相關(guān)的[9], 如果微藻含有較多的不飽和脂肪酸會(huì)使最終制得的生物柴油的氧化穩(wěn)定性降低。

表2 微藻油脂的不飽和脂肪酸組成

2 工程微藻

工程微藻是指利用基因工程和分子生物學(xué)的技術(shù), 改變脂肪酸的合成和代謝途徑中相關(guān)的基因而得到的高脂肪酸的微藻。微藻中脂肪酸的生物合成途徑不同于高等植物, 微藻中脂肪酸生物合成在葉綠體中進(jìn)行, 通過產(chǎn)生C16或C18脂肪酸, 然后合成細(xì)胞中的各種脂質(zhì), 如細(xì)胞膜和儲(chǔ)存形式的三酰甘油[10]。脂肪酸生物合成途徑中最關(guān)鍵的一步是乙酰輔酶A羧化酶的作用下乙酰輔酶A羧化, 生成丙二酸單酰輔酶A(圖1)。

因此控制乙酰輔酶A羧化酶的活性使其提高就可以促進(jìn)乙酰輔酶 A高效表達(dá), 從而增加微藻細(xì)胞中脂類的積累[11]。在微藻細(xì)胞中accI 基因是控制細(xì)胞編碼合成乙酰輔酶A羧化酶的關(guān)鍵基因,其高效表達(dá)可促進(jìn)脂類的積累, 同時(shí)其活性可被硅元素含量與蛋白合成抑制劑所控制[12]。Martin Wagner等[13]研究了一種光能自養(yǎng)的單細(xì)胞綠藻 Ostreococcus tauri, 在該藻細(xì)胞中存在一種可以在合成三酰基甘油(TAG)過程編碼乙酰輔酶A: 二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶的基因 DGAT2, 通過構(gòu)建 DGAT2基因缺失載體并在酵母中表達(dá), 發(fā)現(xiàn)DGAT2基因能編碼蛋白促進(jìn)飽和和單不飽和脂肪酸形成三酰甘油。

目前工程微藻的技術(shù)路線都是基于脂質(zhì)合成和代謝過程中特定酶的克隆和控制表達(dá)。但由于脂質(zhì)合成復(fù)雜性, 面臨的難題也不少, 首先一個(gè)主要的問題就是如何分離參與TAG和脂肪酸合成的酶, 克隆獲得相應(yīng)的 cDNA序列和基因序列。其次是如何對(duì)不同脂肪酸合成酶進(jìn)行相應(yīng)修飾, 對(duì)參與脂質(zhì)合成的酶進(jìn)行基因誘變和設(shè)計(jì)來調(diào)控油脂脂肪酸組成,得到理想的油脂產(chǎn)品。還有一個(gè)問題就是如何避免通過基因工程調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成的負(fù)面影響, 包括對(duì)微藻生長(zhǎng)發(fā)育和含油量及產(chǎn)量的影響。

工程微藻的技術(shù)水平上存在的一個(gè)瓶頸問題就是外源目的基因的獲得及其在藻體中的表達(dá)。應(yīng)用組學(xué)技術(shù)(如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué))對(duì)微藻基因進(jìn)行快速測(cè)序, 克隆和控制將成為工程微藻研究的一個(gè)重要方向。此外, 應(yīng)用蛋白質(zhì)工程對(duì)脂質(zhì)合成酶進(jìn)行設(shè)計(jì)、修飾和表達(dá)也是工程微藻研究的另一個(gè)突破口。

圖1 葉綠體中脂肪酸合成途徑

由于工程微藻是按人類的需要改變了藻體細(xì)胞中的脂質(zhì)積累量和不同脂肪酸的組成, 這樣生產(chǎn)出來的生物柴油在產(chǎn)量上都相比于普通微藻有較大提高。Wang等[14]利用基因工程培育了一種的缺少ADP-葡糖焦磷酸化酶的萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)變種, 該變種經(jīng)過48 h缺氮培養(yǎng)后, 最終細(xì)胞中三酰甘油含量達(dá)到 17ng/cell, 而同等條件下的野生型僅為10 ng/cell。而利用工程微藻生產(chǎn)的生物柴油是否符合生物柴油標(biāo)準(zhǔn), 在燃燒性能上是否有較大提高等尚未見報(bào)道, 需要繼續(xù)深入研究。

3 微藻的生長(zhǎng)與培養(yǎng)系統(tǒng)

微藻的培養(yǎng)規(guī)模和生長(zhǎng)速率的問題是制約微藻(包括工程微藻)工業(yè)化發(fā)展的另一個(gè)瓶頸, 即如何在微藻高密度大規(guī)模的培養(yǎng)的同時(shí)不能降低微藻的生長(zhǎng)速率。

自然界中, 微藻的生長(zhǎng)分主要為自養(yǎng)和異養(yǎng),另外還有少量混養(yǎng)。光能自養(yǎng)微藻需要以光和 CO2進(jìn)行光合作用, 而異養(yǎng)微藻不需要光, 在黑暗條件下可以利用有機(jī)碳為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)。光能自養(yǎng)微藻生長(zhǎng)需要光照、CO2、水和無機(jī)鹽, 溫度一般需要保持在20～30℃。異養(yǎng)微藻則需要含有機(jī)碳的培養(yǎng)基,其中還要添加營(yíng)養(yǎng)元素, 包括N、P、Fe和一些微量元素。不同的生長(zhǎng)條件(如光照, 溫度, pH, 鹽分等)對(duì)藻體脂質(zhì)的積累量有很大影響。對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn), 微藻需要采用特定的培養(yǎng)系統(tǒng), 以保證微藻油脂產(chǎn)生率和產(chǎn)油穩(wěn)定性。

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)主要可以分為開放式和密閉式兩種。它們各自有不同的特點(diǎn), 選擇培養(yǎng)系統(tǒng)的時(shí)候,需要綜合考慮微藻生長(zhǎng)特性, 氣候狀況, 土地用水等多種因素。

3.1 開放式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

開放式培養(yǎng)系統(tǒng)就是在戶外利用陽光進(jìn)行微藻培養(yǎng), 因此擴(kuò)大規(guī)模比較容易, 成本較低。但是開放式培養(yǎng)系統(tǒng)容易受外界環(huán)境的影響, 如光照強(qiáng)度,光照時(shí)間, 溫度和天氣。也容易受到其他藻種、細(xì)菌及致病微生物的污染。開放式培養(yǎng)系統(tǒng)可以分為大池型、開放式槽體、圓形培養(yǎng)池和跑道型培養(yǎng)池(圖2)四種形態(tài)。美國(guó)在位于加利福尼亞州的卡利帕特里亞(Calipatria)的建立了世界最大的生產(chǎn)螺旋藻的跑道型培養(yǎng)池, 占地約440 000 m2。美國(guó)紐約新能源研究所在海灣地域?qū)ｉT建池養(yǎng)殖海藻, 每平方米水面平均每天可獲 500多克的藻體, 含類脂物量 67%以上, 每年可從藻體中提取燃料油122L。

圖2 跑道型微藻培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖

3.2 密閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)是指利用培養(yǎng)基在密閉的容器內(nèi)進(jìn)行微藻培養(yǎng)。密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)可分為發(fā)酵槽型(圖3)、培養(yǎng)袋型、平板型光生化反應(yīng)器和管型光生化反應(yīng)器。這種培養(yǎng)系統(tǒng)可以提高產(chǎn)量60%～300%,產(chǎn)率較高, 適用各種藻種, 微藻品質(zhì)穩(wěn)定, 后續(xù)分離純化成本也可以減少, 且該系統(tǒng)不易被雜菌污染。但是該系統(tǒng)設(shè)備成本較高, 不易擴(kuò)大培養(yǎng)規(guī)模。美國(guó)Solix公司正在開發(fā)一種間隔排列板的膜封閉池(encosed chambers)系統(tǒng), 該裝置可完全避免冒泡供氧, 而改用透氣膜來進(jìn)行氣體交換, 使微藻生長(zhǎng)速率和產(chǎn)量大大提高。

4 微藻生物柴油的制備工藝

傳統(tǒng)的生物柴油制備方法主要有直接混合法[15],微乳液法[16], 高溫裂解法[17]和酯交換法[18]。直接混合法和微乳液法雖然制備工藝較簡(jiǎn)單, 但制得的生物柴油質(zhì)量不高, 黏度較高。高溫裂解法制得的生物柴油與普通柴油性質(zhì)相近, 但該法工藝復(fù)雜, 反應(yīng)溫度高, 不易控制, 需要消耗大量熱能, 同時(shí)裂解設(shè)備比較昂貴, 成本較高。

圖3 發(fā)酵槽型微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

酯交換法是指將油脂與甲醇或乙醇等醇類在催化劑的作用下, 發(fā)生酯交換反應(yīng), 得到脂肪酸甲酯或乙酯的方法。酯交換法由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單, 成本較低, 成為生物柴油工業(yè)生產(chǎn)上最廣泛使用的方法。

4.1 反應(yīng)原理

油脂中的主要成分是甘油三酯, 酯交換反應(yīng)就是通過醇類分子的甲氧基取代甘油三酯上的甘油基,將甘油三酸酯鍵斷裂, 形成三個(gè)脂肪酸甲酯或乙酯(圖4), 從而縮短碳鏈, 降低黏度, 改善生物柴油的燃燒性能, 使其達(dá)到各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)。

從反應(yīng)式可以看出, 酯交換反應(yīng)使一個(gè)可逆平衡反應(yīng)。三酰甘油與醇的理論摩爾比是1 : 3, 但實(shí)際中一般要使用1 : 6, 確保醇過量, 有利于提高反應(yīng)產(chǎn)率。從原料投入與生物柴油產(chǎn)出的質(zhì)量關(guān)系可以看出, 理論上1 kg的油脂反應(yīng)可以得到1 kg的生物柴油。

圖4 三酰甘油的酯交換反應(yīng)

4.2 催化劑類型

生產(chǎn)生物柴油的酯化反應(yīng)的催化劑分為均相催化劑和非均相催化劑。均相催化劑是生產(chǎn)上生產(chǎn)生物柴油最主要的催化劑, 它包括酸催化劑和堿催化劑。均相酸催化劑一般有H2SO4、HCl、H3PO4和苯磺酸等。一般酸催化劑的用量為1%～5%, 催化的酯交換率高, 適合游離脂肪酸和水分含量較高的油脂,但是酸催化反應(yīng)速率較慢, 對(duì)反應(yīng)設(shè)備有腐蝕性?？姇粤岬萚19]用濃硫酸催化異養(yǎng)微藻細(xì)胞中提取的油脂得到了高質(zhì)量的生物柴油。鐘鳴等[20]以磷酸為催化劑, 地溝油與甲醇為原料, 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出最佳反應(yīng)條件為醇油摩爾比為30 : 1, 反應(yīng)溫度70℃, 催化劑為原料油的8%時(shí), 生物柴油產(chǎn)率達(dá)85%以上。

均相堿催化劑有 NaOH, KOH, NaOCH3、KOCH3、Ba(OH)2、有機(jī)堿等。一般堿催化劑的用量不超過 1%, 反應(yīng)迅速, 但要求原料油脂里水分和游離脂肪酸含量極低, 否則會(huì)產(chǎn)生皂化反應(yīng)是催化劑失活而影響得率。西班牙馬德里康普斯頓大學(xué)的研究人員[21]比較了用NaOH、KOH、NaOCH3和KOCH3四種不同的均相催化體系對(duì)葵花籽油酯交換反應(yīng)的催化效果, 通過四種催化劑制得的生物柴油純度在99.5%～99.8%, NaOH和KOH的生物柴油得率分別為86.71%和91.67%, NaOCH3和KOCH3的生物柴油的得率分別為99.33%和98.46%。雖然甲醇鹽催化劑的催化效率很高, 但是甲醇鹽易吸潮, 難于操作, 且價(jià)格較貴。制得的生物柴油除碘值較高外, 其他質(zhì)量指標(biāo)均符合德國(guó)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)(DIN 51606)。劉偉偉[22]等研究了 Ba(OH)2催化酯交換反應(yīng)的效果, 生物柴油轉(zhuǎn)化率可達(dá) 94.27%, 且 Ba(OH)2可通過 BaSO4沉淀形式回收。

非均相催化劑包括負(fù)載型固體酸堿催化劑、金屬氧化物、酶催化劑、分子篩、離子交換樹脂等。魯明波等[23]優(yōu)化了Lipozyme TLIM固定化脂肪酶催化酯交換反應(yīng)合成脂肪酸甲酯的生產(chǎn)工藝, 轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)到94%。Ayato Kawashima等[24]研究了多種不同的非均相催化劑對(duì)于酯交換反應(yīng)的催化效果,制備了包括鈣、鋇、鎂、鑭等金屬元素在內(nèi)的13種不同金屬氧化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在溫度為 60℃, 醇油摩爾比為 6 : 1, 反應(yīng) 10 h的條件下, 含鈣催化劑如CaTiO3, CaMnO3, Ca2Fe2O5, CaZrO3和 CaO-CeO2的堿性和催化活性最高, 脂肪酸甲酯的得率為 79% ～92%。再將這些含鈣催化劑經(jīng)過重復(fù)酯交換反應(yīng)次數(shù)的催化耐久性試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)CaZrO3和CaO-CeO2的分別經(jīng)過5次和7次酯交換反應(yīng)后脂肪酸甲酯得率都高達(dá)80%。非均相催化劑催化酯交換反應(yīng)活性較高、選擇性好、易于與產(chǎn)物分離、可循環(huán)利用、對(duì)設(shè)備腐蝕性較小。但是用非均相催化劑進(jìn)行酯交換反應(yīng)式常需要苛刻的操作條件, 如高溫高壓, 而且非均相催化劑極易被空氣中的二氧化碳和水污染而失活,使用壽命較短, 同時(shí)非均相催化劑機(jī)械強(qiáng)度較差,制備成本也比較昂貴。

4.3 新型生產(chǎn)工藝

超臨界酯交換法是一種將油脂或醇在超臨界狀態(tài)下進(jìn)行酯交換反應(yīng)制得脂肪酸酯的方法。原理是當(dāng)流體的溫度和壓力處于臨界溫度和臨界壓力之上時(shí), 會(huì)形成一種施加任何壓力都不會(huì)凝聚的超臨界狀態(tài)。這種超臨界流體既可以作為反應(yīng)介質(zhì), 又可以參與反應(yīng), 油和醇可以完全混合, 形成單相體系, 因此反應(yīng)速率快, 轉(zhuǎn)化率高。日本京都大學(xué)的研究人員[25]開發(fā)出一種菜籽油與超臨界甲醇酯交換反應(yīng)得到脂肪酸甲酯的新工藝, 將菜籽油在溫度 270℃, 壓力17 MPa, 油醇摩爾比1 : 14(體積比1 : 6)的條件下經(jīng)超臨界甲醇處理 15 min, 最終生物柴油的得率高達(dá)97%, 并且可以回收20%的甘油。超臨界法制備脂肪酸酯產(chǎn)率很高, 速度快, 反應(yīng)不需催化劑或只需要少量催化劑, 無皂化副反應(yīng)且后續(xù)處理簡(jiǎn)單, 但是超臨界制備生物柴油的方法需要在高溫高壓條件下進(jìn)行, 因此能耗高, 用于工業(yè)生產(chǎn)還需要進(jìn)行更深入的研究。

物理強(qiáng)化酯交換法是一種新型的酯交換強(qiáng)化輔助方法, 主要包括超聲輔助[26], 微波輔助[27]和水力空化[28]等反應(yīng)過程強(qiáng)化技術(shù)。在生物柴油生產(chǎn)過程中, 由于原料油和醇會(huì)出現(xiàn)部分不互溶現(xiàn)象, 使酯交換速率減慢, 產(chǎn)率降低。采用合適的強(qiáng)化技術(shù)可以增加兩相界面的面積, 減少傳質(zhì)阻力, 從而極大地提高酯交換反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。日本的研究人員 Le Tu Thanh等[29]使用超聲頻率為 20Hz的連續(xù)超聲反應(yīng)器強(qiáng)化以KOH為催化劑的廢棄餐飲油脂的酯交換反應(yīng), 分兩步進(jìn)行酯交換, 整個(gè)過程的醇油摩爾比為4 : 1, KOH加入量為1%, 反應(yīng)物通過超聲反應(yīng)器進(jìn)行超聲強(qiáng)化的時(shí)間為0.93min, 最終生物柴油的產(chǎn)率高達(dá) 93.8%, 制得的生物柴油符合日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS K2390)和歐盟標(biāo)準(zhǔn) (EN 14214)。Nicholas EL等[30]用微波強(qiáng)化酯交換反應(yīng), 加入 1%的 KOH催化劑后, 使用600W的微波功率加熱反應(yīng)混合物到50℃,3.5min后轉(zhuǎn)化率就達(dá)到98%以上。反應(yīng)規(guī)模擴(kuò)大10倍也未有任何負(fù)面影響。印度的研究人員[31]研究了利用水力空化技術(shù)強(qiáng)化堿催化酯交換反應(yīng)合成生物柴油的過程, 發(fā)現(xiàn)在油醇摩爾比為1 : 4.5, NaOH為油脂質(zhì)量1%, 溫度保持45～55℃的條件下, 30 min內(nèi)生物柴油得率達(dá)到了80%。

4.4 微藻生物柴油的生產(chǎn)

微藻生物柴油的生產(chǎn)包括藻種篩選——微藻培養(yǎng)——藻體收集與干燥——油脂提取——油脂酯交換——生物柴油精制——甘油的回收利用。

藻體的收集與干燥是生產(chǎn)生物柴油的前提, 而且直接決定了原料部分的生產(chǎn)成本。藻體的收集方法主要有離心分離、絮凝、過濾、沉降、浮選和電泳[32]。接著將濕的藻體經(jīng)過高溫快速干燥或真空干燥脫水, 得到便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)原料。

微藻脂質(zhì)的提取主要有氯仿-甲醇法, 超聲輔助法, 凍融法和索式提取法。這些方法都需要用到大量的有機(jī)溶劑, 提取的油脂得率與溶劑配比, 提取時(shí)間和溫度等相關(guān)。除了使用有機(jī)溶劑溶解細(xì)胞中的油脂外, 還可以使用高壓滅菌、球磨法、微波輔助、聲波降解和添加10%NaCl溶液等方法[33]裂解細(xì)胞形成液體燃料直接用于酯交換。

生物柴油的精制通常需要經(jīng)過水洗, 脫色, 除臭等去除生物柴油中殘留的酸、甲醇、催化劑和其他雜質(zhì)等, 降低生物柴油酸值, 得到色澤澄清的精制生物柴油。副產(chǎn)物粗甘油可以通過離子交換法、減壓蒸餾法和膜過濾法等除去有色雜質(zhì), 精制甘油不僅可作溶劑、軟化劑和干燥劑等, 還可以制備1,3-丙二醇等化工原料。

5 生物柴油質(zhì)量的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

生物柴油的生產(chǎn)需要一定的標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠, 而標(biāo)準(zhǔn)化也是生產(chǎn)柴油進(jìn)入市場(chǎng)的前提, 因此隨著生產(chǎn)柴油的發(fā)展, 生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立和實(shí)施也日益顯得重要。

生物柴油的質(zhì)量指標(biāo)可以分為兩大類。第一類指標(biāo)與石油柴油相同, 包括密度、黏度、閃點(diǎn)、殘?zhí)剂?、十六烷值和灰分等[34]。另一類指標(biāo)與石油柴油不同, 包括甲醇含量、甘油三酯、游離脂肪酸和含磷量等。這些指標(biāo)與原料工藝過程有關(guān), 是衡量生物柴油的雜質(zhì)成分[35]。

由于生物柴油制備原料受產(chǎn)地、氣候等的影響和制備工藝的不一致, 目前國(guó)際上尚無統(tǒng)一的生產(chǎn)和使用標(biāo)準(zhǔn)。但是不同國(guó)家都根據(jù)本國(guó)生物柴油發(fā)展特點(diǎn)和制備工藝水平制定了各自的生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)生物柴油的主要質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范。

德國(guó)是最早推廣生物柴油的國(guó)家, 也是生物柴油生產(chǎn)量最大的國(guó)家, 早在1997年就頒布了生物柴油的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)DNI V 51606。而統(tǒng)一的歐盟生物柴油標(biāo)準(zhǔn)EN14214是于2000年制定的, 2003年開始生效,可取代歐洲成員標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)各成員國(guó)單獨(dú)制定的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)則是最早將生物柴油投入商業(yè)應(yīng)用的國(guó)家, 制定的生物柴油標(biāo)準(zhǔn) ASTM D 6751于2002年開始正式實(shí)施。此后美國(guó)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)不斷進(jìn)行了修訂, 目前有效版本是 2008年修訂的ASTM D 6751-08。

我國(guó)也于2007年1月正式發(fā)布了第一個(gè)生物柴油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20828—2007《柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油(BDl00)》, 該標(biāo)準(zhǔn)于2007年5月1日開始正式實(shí)施。

目前, 世界其他各國(guó)如澳大利亞、巴西、泰國(guó)等評(píng)判生物柴油質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)基本上是參照歐盟或美國(guó)生物柴油標(biāo)準(zhǔn)制定的。但是世界各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)組織也正競(jìng)相努力, 以期率先制定出一種真正獲得各國(guó)普遍認(rèn)同的的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。

6 微藻制備生物柴油的現(xiàn)狀與前景

生物柴油作為新興的能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)成為能源研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題, 尤其是微藻生物柴油。科技部于 2009 年開始啟動(dòng)微藻能源方面的 863重點(diǎn)項(xiàng)目, 在“十二五”期間將在973計(jì)劃及863計(jì)劃中對(duì)微藻能源予以立項(xiàng)支持。中國(guó)科學(xué)院著名院士閔恩澤一直極力倡導(dǎo)開展微藻生物柴油的研究,由其倡議的中石化和中科院合作項(xiàng)目“微藻生物柴油成套技術(shù)的開發(fā)項(xiàng)目”目前正在進(jìn)行小試研究, 預(yù)計(jì)2015年進(jìn)行戶外中試裝置研究, 2020年建設(shè)工業(yè)示范裝置。而近年來, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、暨南大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等一些科研單位和大專院校也在積極開展微藻生物柴油的研究, 并在微藻篩選和培養(yǎng)方面已取得一定的成果。國(guó)家海洋局第一研究所鄭力課題組, 暨南大學(xué)張成武課題組, 中國(guó)海洋大學(xué)的潘克厚課題組等都從事從各種微藻中篩選高油脂含量的藻種和對(duì)某些藻種進(jìn)行分子生物學(xué)改造方面的研究。華東理工大學(xué)李元廣課題組自1995年以來, 在科技部 863、科技攻關(guān)、科技支撐等項(xiàng)目支持下, 一直開展微藻高密度高產(chǎn)率培養(yǎng)技術(shù)和新型光生物反應(yīng)器開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化研究, 現(xiàn)在正進(jìn)行光生物反應(yīng)器開發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬研究[36]。中科院大連化物所張衛(wèi)課題組開拓了微藻生物能源的發(fā)展方向, 主要從事微藻產(chǎn)氫和微藻培養(yǎng)技術(shù)方面的研究。上海交通大學(xué)的繆曉玲教授、清華大學(xué)的吳慶余教授的研究團(tuán)隊(duì)主要從事微藻異養(yǎng)培養(yǎng), 油脂提取和生物柴油加工方面的研究, 通過異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)獲得高脂質(zhì)的小球藻, 脂類化合物占細(xì)胞干重的55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)), 而自養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻脂類化合物僅為細(xì)胞干重的 14.57%, 酸催化制備的微藻生物柴油品質(zhì)達(dá)到ASTM標(biāo)準(zhǔn)[37]。

表3 一些國(guó)家的生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際石油柴油標(biāo)準(zhǔn)

目前微藻生物柴油的工藝開發(fā)還處于初步的中試研究階段。清華大學(xué)的劉德華教授研究團(tuán)隊(duì)建立的生物酶法生產(chǎn)生物柴油的關(guān)鍵技術(shù)工藝, 生物柴油純度可達(dá) 90%左右[38], 現(xiàn)已在河北等地進(jìn)行中試生產(chǎn)。北京化工大學(xué)譚天偉教授利用微藻與微生物聯(lián)合培養(yǎng)產(chǎn)生的脂肪酶, 開發(fā)的反應(yīng)和分離耦合的連續(xù)酶法轉(zhuǎn)化油脂合成生物柴油新工藝, 生物柴油轉(zhuǎn)化率達(dá)96%以上, 品質(zhì)達(dá)到歐洲標(biāo)準(zhǔn)[39]。

由此可見, 我國(guó)未來微藻生物柴油深入研究就主要集中在以下三個(gè)領(lǐng)域: 一是微藻的生物學(xué)研究,包括篩選和收集藻種, 以獲得高油脂的微藻種類;研究微藻的生理學(xué)和生物化學(xué)特性, 通過分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)提高微藻的產(chǎn)油率; 二是微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的發(fā)展研究, 將實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的培養(yǎng)系統(tǒng)擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)還有很多問題需要解決;三是資源可利用性的分析研究, 包括下游副產(chǎn)物的回收利用, 如藻體殘?jiān)睦? 甘油的回收精制等。

從生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用方面來說,利用微藻油脂進(jìn)行生物柴油也是十分可行的, 也是實(shí)現(xiàn)完全替代石化柴油的最佳途徑。而能否實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化主要的難點(diǎn)就是如何降低生產(chǎn)成本, 解決這個(gè)問題主要可以從以下三方面來進(jìn)行。一是建立合理的微藻良種選育和評(píng)價(jià)體系, 設(shè)計(jì)、優(yōu)化并放大高效低成本的光生物反應(yīng)器, 開發(fā)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化工藝并放大; 二是通過開發(fā)利用生物柴油生產(chǎn)過程中的各種廢棄物, 使其產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 并減少對(duì)環(huán)境的污染。在微藻培養(yǎng)過程中使用的培養(yǎng)基可以作為肥料, 或用于微生物發(fā)酵和產(chǎn)生沼氣。此外利用工業(yè)廢水、廢氣培養(yǎng)微藻進(jìn)行油脂生產(chǎn)不僅能夠處理廢水、廢氣等而起到環(huán)境保護(hù)的作用, 還可以盡量降低油脂的生產(chǎn)成本; 三是微藻生物精煉, 從提取油脂后的藻體中分離出蛋白質(zhì)、多糖、色素、多不飽和脂肪酸(如DHA、EPA)等高附加值微藻生物活性物質(zhì), 并將其深入開發(fā)新產(chǎn)品。純化精制生物柴油生產(chǎn)過程中的甘油副產(chǎn)物用于化妝品、醫(yī)藥行業(yè), 或?qū)⒏视娃D(zhuǎn)化成丙二醇等化工原料, 以增加產(chǎn)值, 最終最大限度實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的循環(huán)發(fā)展。

微藻生物柴油現(xiàn)在的發(fā)展十分迅速, 且潛力巨大。歐美等國(guó)家的微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的起步早, 已經(jīng)開始進(jìn)入從實(shí)驗(yàn)室走向中試和工業(yè)生產(chǎn)的階段。而其他如巴西、印度、日本、韓國(guó)、泰國(guó)等國(guó)家的政府都制定了生物柴油研發(fā)計(jì)劃, 對(duì)生物柴油給予強(qiáng)有力的政策支持和資金投入。世界上的大部分能源科研機(jī)構(gòu)和石油公司對(duì)微藻生物柴油研發(fā)的人力和資金投入也在不斷加大。我國(guó)的微藻生物柴油研發(fā)還處于初級(jí)階段, 與其他新興產(chǎn)業(yè)一樣, 國(guó)家政策還沒有形成支持生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)效機(jī)制。我國(guó)海域廣闊, 大部分有待開發(fā), 若將這些海域充分利用起來大量培養(yǎng)海洋微藻, 可以帶來十分巨大的經(jīng)濟(jì)利益和生態(tài)效益, 這對(duì)于緩解我國(guó)石油緊缺現(xiàn)狀, 保障我國(guó)能源安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境都有十分重要的意義。

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TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1000-3096(2012)01-0108-09

2010-12-28;

2011-03-16

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(40506031), 廈門市科技項(xiàng)目(xm090905)

黃雄超(1987-), 男, 湖北孝感人, 碩士研究生, 從事海洋生物資源的利用研究, 電話 0592-6162996, E-mail:huangxc505518@163.com; 牛榮麗, 通信作者, 副教授, E-mail:niurongli05@yahoo.com.cn

康亦兼)