謝友林 黃學(xué)平 萬(wàn) 珊 劉佳麗 劉凡奇 王 駿 陳書(shū)鵬 彭招斌 李立森 陳孝挺

(1.南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院；2.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)學(xué)院)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，金融的迅速膨脹，石化能源對(duì)環(huán)境污染的加劇，各種天災(zāi)不時(shí)出現(xiàn)在我們的生活之中。溫室效應(yīng)、霧霾、百年難遇的洪水、泥石流山體滑坡、各類地震等，造成這些災(zāi)難的很多因素都有出自環(huán)境的改變，由此不斷污染的環(huán)境已經(jīng)逼近我們的生活。中央出臺(tái)防治霧霾的方案，給每個(gè)霧霾嚴(yán)重的省份劃分目標(biāo)，用以降低pm2.5指標(biāo)，隨之出現(xiàn)車輛限行、火電廠改制、重污染企業(yè)改制等等措施。這些措施一致面向石化能源使用和生產(chǎn)過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境的污染問(wèn)題。石化能源已經(jīng)引領(lǐng)了工業(yè)時(shí)代的進(jìn)步，同時(shí)作為不可再生能源，自身也在不斷地消耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已探明的石油儲(chǔ)量按現(xiàn)今的消費(fèi)水平到2040年將枯竭；天然氣儲(chǔ)量?jī)H能維持到2060年；煤炭?jī)?chǔ)量也只能用到200年。照這樣下去，我們失去部分的石油、天然氣和煤炭，還要承擔(dān)石化能源帶來(lái)的環(huán)境污染給我們?cè)斐傻臑?zāi)難。面對(duì)著能源的種種問(wèn)題的同時(shí)，生物質(zhì)能源出現(xiàn)在科研工作者們和各國(guó)政府的面前，有著解決石化能源短缺和污染的能力。經(jīng)過(guò)研究和發(fā)展，微藻生物質(zhì)能源獲得了認(rèn)可。因?yàn)槲⒃逵椭扛?，培養(yǎng)選地等多方面優(yōu)勢(shì)的突出。

1 微藻生物油脂

微藻是一種自養(yǎng)型光合作用生物，利用光合作用的方式將二氧化碳固定在細(xì)胞內(nèi)，并和各類色素吸收的光能結(jié)合轉(zhuǎn)化成生活所需的能量。這種作用有多重優(yōu)勢(shì)，首先可以大量吸收二氧化碳，降低現(xiàn)在高溶度的二氧化碳，從而降低溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)一直都是專家們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，大量的專家都將冰川加速融化和海平面上升，天氣溫度的驟變歸結(jié)為二氧化碳的大量增加所致。加大微藻的培養(yǎng)，可以降低二氧化碳的濃度，從而減少溫室效應(yīng)的影響。再者，微藻將能量固定在細(xì)胞內(nèi)，供細(xì)胞活動(dòng)，多余的能量以油脂等方式存儲(chǔ)下來(lái)，含量是別的生物所不能比的。甚至一些微藻因?yàn)橐子谂囵B(yǎng)，含油量高，單位面積產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)而被稱為新一代能夠?qū)崿F(xiàn)代替石化柴油的生物柴油原料[1]。

1.1 微藻油脂的意義

微藻油脂，主要由20幾種物質(zhì)組成，包含脂類物質(zhì)、脂肪酸類物質(zhì)、烷烴和酚類、烯類物質(zhì)。含量最高的是鄰苯二甲酸二異辛酯，所占70%之多。這些物質(zhì)可以用來(lái)作為聚氯乙烯樹(shù)脂的加工材料。還可用于化纖樹(shù)脂、醋酸樹(shù)脂、樹(shù)脂及橡膠等高聚物的加工，也可用于造漆、染料、分散劑等。軟脂酸與硬脂酸按照一定的比例混合可以得到結(jié)晶的硬脂酸產(chǎn)品[2]。微藻富含油脂、蛋白質(zhì)、維生素，提取出的生物油脂作為生物柴油，大大改善石化柴油的現(xiàn)狀，也是作為一種新型可再生的生物質(zhì)能源和固碳工具，適合解決當(dāng)今的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。微藻還有一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，光合作用產(chǎn)生的油脂是別的產(chǎn)油作物的幾倍。因?yàn)槲⒃宓姆敝吃谥笖?shù)生長(zhǎng)期是成倍的增長(zhǎng)，單位面積的產(chǎn)量更是其他產(chǎn)油作物的7～23倍之多。部分優(yōu)質(zhì)的微藻可達(dá)到80%的含油量[2]。

1.2 微藻選取

微藻油脂含量的豐富，在早前就得到各國(guó)的重視，1978～1996年，美國(guó)能源部就通過(guò)了“水生生物種計(jì)劃”，從3000多種微藻中篩選出300多種含油量較高的微藻[4]；1990～2000年，日本實(shí)行了“地球研究更新技術(shù)計(jì)劃”，挑選了多種因素較好的微藻。

微藻形體微小，只有在顯微鏡下，方能查看其大致形狀和結(jié)構(gòu)組成，所以要選出含油脂高的微藻不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單工程。在現(xiàn)今的微藻分離和提取方式中，主要有樣品系列稀釋法、水滴分離法、固體培養(yǎng)基分離法、微吸管分離法等。分離和提純好微藻后，將各類微藻進(jìn)行培養(yǎng)，來(lái)檢驗(yàn)各種微藻的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行平行對(duì)照培養(yǎng)，觀察微藻繁殖的速度，不同的微藻繁殖速度不一樣，產(chǎn)量不一樣。試驗(yàn)中分時(shí)間段測(cè)定微藻的重量和數(shù)量，對(duì)比各種微藻的數(shù)據(jù)差異。選出一些高繁殖速度的微藻，以后的生產(chǎn)培養(yǎng)中可以達(dá)到減少培養(yǎng)面積和相同時(shí)間提高產(chǎn)量的的目標(biāo)。選擇出的優(yōu)質(zhì)微藻，能迅速繁殖，能耐高溶度二氧化碳，能在簡(jiǎn)易和相對(duì)惡劣的地理?xiàng)l件下快速繁殖，這是在微藻生物質(zhì)能源生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，我們還以不同的養(yǎng)料來(lái)培養(yǎng)微藻，觀察不同成分的養(yǎng)料對(duì)于微藻繁殖的影響，更好的選擇一種或多種優(yōu)質(zhì)微藻。目前：在各項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)油脂含量較高的微藻主要有硅藻、綠藻、金藻等[5]。

1.3 微藻油脂的測(cè)定方法

目前常用的測(cè)定微藻油脂的方法包括有機(jī)溶劑提取法、索氏提取法、尼羅紅熒光光譜測(cè)定法、蘇丹黑染色法、超臨界CO2提取法和離子液體提取法、質(zhì)量法等。在以上這些方法中，以尼羅紅熒光光譜法來(lái)介紹微藻油脂的測(cè)定。尼羅紅熒光光譜法是基于尼羅紅的激光特性來(lái)進(jìn)行操作。尼羅紅有兩個(gè)能結(jié)合運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)，一是尼羅紅能夠結(jié)合脂類物質(zhì)，包括脂和三酰甘油及游離脂肪酸；一是尼羅紅也是一種熒光燃料，在不同的波長(zhǎng)的光照下與脂類結(jié)合會(huì)顯示不同的顏色，如在543nm的激發(fā)光照射下，顯示波長(zhǎng)為598nm的桔紅色熒光，在450-500nm的激發(fā)光照射下，顯示波長(zhǎng)大于528nm的金黃色熒光。當(dāng)環(huán)境的極性減弱時(shí)，最大發(fā)射峰會(huì)藍(lán)移，選擇合適的激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)，可以區(qū)分細(xì)胞中的極性脂和中性脂[6]。運(yùn)用尼羅紅熒光光譜法還得注意破壁處理，因?yàn)橛椭愇镔|(zhì)在細(xì)胞內(nèi)，尼羅紅不能很好的透過(guò)細(xì)胞壁與油脂類結(jié)合，在這項(xiàng)技術(shù)中，可以選擇二甲基亞砜，用以提高微藻溶液的極性，方便尼羅紅穿過(guò)細(xì)胞壁。

熒光分光光度計(jì)是一種用于掃描液相熒光標(biāo)記物所發(fā)出的熒光光譜的一種儀器。從各個(gè)角度反映了分子的成鍵和結(jié)構(gòu)情況。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的測(cè)定，可以做一般的定量分析。當(dāng)使用尼羅紅熒光光譜法測(cè)定時(shí)，主要運(yùn)用熒光分光光度計(jì)得出各類關(guān)系曲線，總結(jié)藻內(nèi)油脂與微藻細(xì)胞的密度、微藻干重、吸光度、熒光峰值的關(guān)系，進(jìn)行分析總結(jié)，得出結(jié)論?？刂颇崃_紅和二甲基亞砜的用量是整個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)中隨著二甲基亞砜體積分?jǐn)?shù)的增大，脂發(fā)射峰的相對(duì)熒光強(qiáng)度逐漸上升，當(dāng)二甲基亞砜體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，相對(duì)熒光強(qiáng)度達(dá)到最大[7]。

1.4 微藻的含油脂量

表1 微藻的含油脂量[8]

2 微藻油脂的提取方法

常用的油脂提取方法有酯交換技術(shù)、有機(jī)溶劑直接萃取、索氏提取法、超臨界CO2、反復(fù)凍融乙醇提取法、離子液體提取法、亞臨界溶劑提取法和酶提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法等。以下部分微藻油脂的提取方法：

(1)小球藻、柵藻一般采用高溫高壓法、珠研磨法、微波法、超聲波10%氯化鈉溶液等方法破壁，再用氯仿-甲醇提取[9]；

(2)杉藻、馬尾藻一般采用超聲波或鹽酸鹽緩沖液破壁處理，再用氯仿-甲醇或二氯甲烷-甲醇提取[10]；

(3)南極冰藻一般采用索式提取法，以乙醇溶劑提取[11]；

(4)微囊藻一般采用二甲醚溶劑提取[12]；

(5)微綠球藻一般采用超聲波處理、微淀、磁性攪拌方式破壁處理，再以氯仿-甲醇、甲醇或正乙烷提取[13]；

從上述的提取方法，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同特點(diǎn)是需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破壁處理。微藻的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)保護(hù)著細(xì)胞完整，更是將油脂包裹在細(xì)胞內(nèi)，只有先將細(xì)胞破碎才能用其他方法進(jìn)行提取，微藻細(xì)胞是微小，不容易對(duì)單個(gè)細(xì)胞做一些大的處理。國(guó)內(nèi)外微藻油脂破壁提取技術(shù)主要有物理破壁方法：高壓均質(zhì)法、機(jī)械超微粉碎破壁技術(shù)、反復(fù)凍融法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法、脈沖電磁場(chǎng)法；化學(xué)與生物化學(xué)破壁方法：酸熱化學(xué)破壁提取技術(shù)、化學(xué)滲透法、酶溶法；其他、超臨界流體提取技術(shù)、亞臨界流體提取技術(shù)[14][15]。在這些破壁處理方法中有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，有的操作簡(jiǎn)單，但效果不佳或效率不高；有的操作復(fù)雜，處理效果很好，可以滿足提取的要求。這就需要去選擇一種好的技術(shù)方法來(lái)達(dá)到多方面的優(yōu)勢(shì)，可以做到將時(shí)間、效率、工藝方便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)相結(jié)合。

2.1 微藻油脂——脈沖電場(chǎng)破壁法

介紹一種比較新型的破壁處理方法——脈沖電場(chǎng)破壁法，脈沖電場(chǎng)破壁法的原理是利用高壓脈沖電穿孔機(jī)理，使細(xì)胞壁和細(xì)胞膜瞬間發(fā)生破壞，處理細(xì)胞的時(shí)間上很有優(yōu)勢(shì)。在這項(xiàng)技術(shù)中，突出的是“電穿孔”理論，就如在細(xì)胞壁上進(jìn)行穿孔，以達(dá)到對(duì)細(xì)胞的破壁處理效果?！半姶┛住笔鞘辜?xì)胞在電脈沖的作用下，對(duì)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的雙層形成微孔，通透性突然增大，致使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏和死亡。這項(xiàng)技術(shù)在廢啤酒酵母細(xì)胞上做過(guò)細(xì)致的研究[16]，目的是從酵母細(xì)胞內(nèi)提取蛋白質(zhì)和核酸物質(zhì)。高壓脈沖電穿孔技術(shù)對(duì)細(xì)胞壁的處理有著多重優(yōu)勢(shì)，首先，高壓脈沖電穿孔耗能低，過(guò)程也不產(chǎn)生高熱量，節(jié)省相當(dāng)一部分能源；再者，處理液可以連續(xù)流動(dòng)，處理大批量的源物質(zhì)，不產(chǎn)生微藻細(xì)胞碎片；時(shí)間消耗短；細(xì)胞的破壞程度不會(huì)像機(jī)械破壁那樣完全破碎細(xì)胞，更好地保護(hù)蛋白質(zhì)等的活性，不易引起蛋白質(zhì)和核酸變性。脈沖電場(chǎng)破壁法作為一種新型的微藻破壁技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)明顯。研究過(guò)后，用于提取物質(zhì)是一個(gè)好的方法。

3 結(jié)論

微藻油脂作為新型能源的一種，在過(guò)去幾十年的研究中，這項(xiàng)能源逐漸得到重視。眼觀各國(guó)，微藻生物油脂最大的投資項(xiàng)目在英國(guó)。2008年，英國(guó)碳基金公司用2600萬(wàn)英鎊的投資來(lái)解決微藻生物柴油的相關(guān)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施。由此投資量加大，微藻生物油脂吸引著眾多人的眼球，但到現(xiàn)在并沒(méi)有處于全方位運(yùn)用的階段，因?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)的突破有待研究。要獲得微藻生物油脂從而制作成可代替石化能源的生物柴油，還要經(jīng)過(guò)一個(gè)相對(duì)繁瑣的研究實(shí)踐階段，選優(yōu)質(zhì)藻、培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)藻、提取藻內(nèi)油脂、加工成可用的油成品。各個(gè)階段需要新的、可靠的技術(shù)出現(xiàn)。以上介紹的各種技術(shù)有些還停留在實(shí)驗(yàn)階段，幾種相對(duì)較好的技術(shù)也需要不斷地實(shí)踐，從實(shí)踐中改進(jìn)和提高。如上提到的脈沖電場(chǎng)破壁法、尼羅紅熒光光譜測(cè)定法等等，也是現(xiàn)階段存在的一項(xiàng)項(xiàng)好技術(shù)。微藻生物能源有著巨大的潛力，當(dāng)各環(huán)節(jié)的技術(shù)難關(guān)突破、穩(wěn)固后，能減輕能源的需求和降低石化能源對(duì)環(huán)境的污染。

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