吳立柱, 竇世娟, 從均廣, 楊國軍, 劉建鳳,4*

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071000；2.河北公安警察職業(yè)學(xué)院, 石家莊 050091；3.河北省唐山市豐潤區(qū)農(nóng)業(yè)畜牧水產(chǎn)局, 河北 唐山 063000；4.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071002

由于石油資源的逐漸減少，世界各國都在積極尋找能夠替代石油產(chǎn)品的可再生能源,并不斷取得新成就。生物柴油由于其環(huán)保與可再生性，作為石油的補(bǔ)充替代能源越來越受到關(guān)注，是可再生能源開發(fā)利用的重要發(fā)展方向。美國能源部(United States Department of Energy)預(yù)測到2050年，全球液體燃料油80%將來自木本、草本油料植物和藻類[1]。

生物柴油的原料根據(jù)其來源可分為植物油脂、動(dòng)物油脂、微生物油脂和廢棄油脂等4種。已有研究將2011-2013年檢索出的文獻(xiàn)通過TDA分析工具對關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，得到了篩選頻次高于15的前10種生物柴油生產(chǎn)原料分別為微藻類、麻瘋樹、廢棄油脂、菜籽油、棕櫚油、豆油、葵花油、產(chǎn)油酵母和藍(lán)藻細(xì)菌。其中，微藻類與麻瘋樹是目前研究最多的兩種原料[2]。國際方面，美國在微藻類及藍(lán)藻細(xì)菌的研究全球領(lǐng)先，且對微藻類的研究最多。由于不同國家的國情不同，在原料選擇上也有較大差異，如歐、美等國家多以大豆油、菜籽油、芥末籽油等作為原料來源，日本多以餐飲廢油作為原料來源，東南亞等國基本使用棕桐油。我國目前主要以麻風(fēng)樹油和棕櫚油等木本油脂以及地溝油等廢棄油脂為原料來源[1]。

生物柴油的生產(chǎn)歷史分為三個(gè)階段，其中以主要農(nóng)作物(玉米、小麥、甘蔗和甘薯等)來源的淀粉、糖類、植物油和動(dòng)物油中提取出的生物燃料為第一代生物能源。但這類燃料存在與糧爭地、威脅糧食安全等問題[3]。面對當(dāng)前全球性的糧食危機(jī)，以糧食(小麥、玉米等)為原料生產(chǎn)生物燃料的發(fā)展規(guī)劃必然受到限制。利用農(nóng)業(yè)上的非食用性植物纖維(如玉米桿、稻草、麥稈和樹葉等)和林業(yè)剩余物制取出的生物燃料為第二代生物質(zhì)能源。這些原料的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，一般含量分別為40%～60%、20%～40%和10%～25%，其中纖維素、半纖維素是生產(chǎn)乙醇的主要原料[1]。但這類生物質(zhì)能源存在著原料受生產(chǎn)限制、轉(zhuǎn)化提取工藝復(fù)雜且轉(zhuǎn)化率低等缺點(diǎn)。在這種背景下，第三代生物質(zhì)能源——微藻生物柴油應(yīng)運(yùn)而生。藻類具有產(chǎn)油量高、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且具有不與農(nóng)作物爭奪農(nóng)田和淡水資源的天然優(yōu)勢，是生產(chǎn)生物柴油的最佳原料。

2009年，美國聯(lián)合環(huán)境和能源有限責(zé)任公司首次成功地開發(fā)出了水藻油轉(zhuǎn)換成生物柴油的途徑，該方法經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好[4]。2011年，Algenol生物燃料公司宣布利用藍(lán)綠藻直接生產(chǎn)乙醇的中型一體化生物煉制廠在美國佛羅里達(dá)州奠基開建。我國也于2011年啟動(dòng)了973計(jì)劃重大項(xiàng)目——“微藻能源規(guī)模化制備的科學(xué)基礎(chǔ)”，從藻種選育、微藻能源規(guī)?；苽涞纳飳W(xué)和工程學(xué)等3個(gè)方面對其存在的科學(xué)問題開展研究，為突破產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸、研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化技術(shù)提供相應(yīng)支撐[5]。

可見，生物能源作為一種新型的石油能源的重要替代能源，越來越受到國家和社會的強(qiáng)烈關(guān)注，同時(shí)在能源的研究、利用和開發(fā)等領(lǐng)域存在著激烈的競爭。微藻由于其廣泛性和特殊的特點(diǎn)和優(yōu)勢，被視為最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡谌镔|(zhì)能源，是可再生能源開發(fā)利用的重要發(fā)展方向。本文主要闡述了微藻油脂的生物合成、制備工藝、發(fā)展瓶頸和對策，以期為微藻生物能源的開發(fā)和利用提供理論參考和依據(jù)。

1 微藻油脂的組成及生物合成途徑

1.1 微藻油脂的組成成分

微藻含有大量的葉綠素，具有很強(qiáng)的光合作用能力。微藻在一定條件下，可利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭鳛樘荚矗谠弩w內(nèi)合成大量油脂，其合成效率比產(chǎn)量最高的油料作物高20多倍(表1)。油脂主要以生物膜組分和代謝物的形式存在，并以一種儲能物質(zhì)存在于細(xì)胞內(nèi)[7]，為細(xì)胞的代謝提供能量。不同種類微藻的油脂含量差別很大，甚至同一種類不同品系之間也存在較大差別[8]。一般大多數(shù)微藻的脂肪酸含量可達(dá)到細(xì)胞干重的20%～40%，部分微藻(如葡萄藻和裂壺藻等)的含油量可高達(dá)微藻干重的75%。微藻油脂的主要組分是甘油和脂肪酸，其中脂肪酸主要以C12～22的不飽和脂肪酸為主，并存在少量的飽和脂肪酸[9]。測定結(jié)果顯示微藻油脂中主要是C12～24的化合物，以C14、C16和C18為主[9～13]。其碳鏈長度與石油來源的柴油烴類碳原子數(shù)(約10～22)相近。

表1 微藻和幾種常見油料作物產(chǎn)油能力比較[1,6]Table 1 Compairation of oil-producing capacity between microalgae and other oil crops[1,6].

1.2 微藻油脂的生物合成途徑

微藻油脂的合成始于光合作用，光能經(jīng)過微藻光合系統(tǒng)中的PSI和PSII等轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，后經(jīng)過一系列能量傳遞，進(jìn)入卡爾文循環(huán)。在卡爾文循環(huán)中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶催化核酮糖-1,5-二磷酸固定CO2生成3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸可進(jìn)一步生成其他油脂和多糖[14,15](圖1)。由于核酮糖-1,5-磷酸羧化酶與CO2的親和力較低，水環(huán)境中低濃度的無機(jī)碳難以確保光合作用的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，因此很多藻類進(jìn)化出CO2濃縮機(jī)制，以提高核酮糖-1,5-磷酸羧化酶周圍的CO2濃度，再通過C3途徑進(jìn)行碳同化，維持其正常的生理碳需求[17]。除了CO2濃縮機(jī)制外，有些藻類的碳固定還具備C4途徑的一些特征。通過對兩種綠藻(Ostreococcustauri)[19]、綠色鞭毛藻(Ostreococcuslucimarinus)[20]、兩種硅藻假微型海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)[21]和對三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)[22]的基因組分析顯示這些微藻均有可能編碼C4光合作用的所有酶[23,24]。Riebesell[25]基于他人的研究結(jié)果提出了單細(xì)胞硅藻威氏海鏈藻進(jìn)行C4途徑的空間分化模式。高坤山等[17]從進(jìn)化角度闡述和解釋了為什么硅藻存在C4途徑。由此可見這些藻類可能利用了C4途徑進(jìn)行CO2同化。

圖1 藻類利用太陽能合成油脂途徑[14～18]Fig.1 The synthesize pathway of microalgae oil with photosynthesis in microalgae[14～18].

2 微藻生物柴油的制備工藝

微藻生物柴油的制備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，主要包括微藻的選育、培養(yǎng)、收獲和干燥，以及油脂的提取和轉(zhuǎn)化等工藝流程(圖2)。優(yōu)質(zhì)藻種的選育是微藻生物能源技術(shù)的基礎(chǔ)。藻種的選育目標(biāo)是選育和培養(yǎng)出高光效、高抗逆并適應(yīng)工業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)質(zhì)藻種。美國通過ASP計(jì)劃篩選出300余株具潛力的產(chǎn)油藻種。中國海洋大學(xué)和中科院水生生物所亦選育并建立了一定規(guī)模的藻種資源庫。但滿足工業(yè)化培養(yǎng)的藻種資源仍然十分匱乏。微藻的收獲和脫水技術(shù)與生產(chǎn)成本密切相關(guān)。絮凝和沉淀技術(shù)可以將微藻濃度濃縮到1%，回收量可達(dá)80%。通過氣爆技術(shù)可將微藻濃度達(dá)到1%以上，回收量高達(dá)98%[26]。過濾和離心技術(shù)雖然原理簡單，在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但成本較高。利用藻類油脂提取物三酰甘油酯制備生物柴油的常用方法是酯交換法。酯交換法又分為化學(xué)法酯交換法和酶法酯交換法?；瘜W(xué)法酯交換法是在催化劑的存在下，利用甲醇與天然油脂發(fā)生脂交換反應(yīng)，以甲氧基取代長鏈脂肪酸上的甘油基，將甘油基斷裂為3個(gè)長鏈脂肪酸甲脂從而縮短碳鏈長度，降低油料粘度，改善油料的流動(dòng)性能，達(dá)到作為機(jī)動(dòng)燃料的使用要求。酶法酯交換法是利用酶作為催化劑的酯交換反應(yīng)。酶法酯交換法具有專一性強(qiáng)、條件溫和、環(huán)境污染小、催化活性高、反應(yīng)速度快、安全性好等特點(diǎn)，但酶的成本高。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，酶法酯交換法將更具有工業(yè)化前景和發(fā)展?jié)摿?。超臨界法是在超臨界條件下完成酯交換反應(yīng)，該方法通常無需催化劑的參與，轉(zhuǎn)化率高，但對轉(zhuǎn)化條件的要求很高。

圖2 微藻生物柴油的制備工藝流程圖Fig.2 The manufacturing technology of microalgae biodiesel.

3 微藻制備生物柴油的瓶頸及對策

盡管微藻生物柴油具有巨大的優(yōu)勢，但利用微藻生產(chǎn)生物柴油還處于初級階段，仍然存在微藻的培養(yǎng)方法不夠完善、采收過程繁瑣、生物柴油制備技術(shù)欠佳等問題，目前主要瓶頸是生產(chǎn)成本高昂，使微藻生物柴油的產(chǎn)業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)。降低生產(chǎn)成本是亟待解決的核心問題，目前用微藻生產(chǎn)生物柴油主要在以下幾個(gè)方面存在問題和瓶頸[27]：①藻類油脂的含量和構(gòu)成是決定生物柴油產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，滿足工業(yè)化需求的優(yōu)質(zhì)藻種的選育是微藻生物柴油制備的必要條件；②高密度、高油脂的微藻培養(yǎng)體系的研究是降低收獲成本、提高回收率必要條件；③優(yōu)化藻類的分離工藝是降低成本的技術(shù)關(guān)鍵；④微藻生物柴油項(xiàng)目的投產(chǎn)和工業(yè)化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)規(guī)模較小，需要各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和科研機(jī)構(gòu)的整合、協(xié)調(diào)和平衡發(fā)展。綜合上述問題和瓶頸，可通過以下措施來解決，以充分提高其經(jīng)濟(jì)性和與化石柴油的競爭力：①通過基因工程手段發(fā)展工程微藻，提高微藻的生長速率和生物質(zhì)含量；②優(yōu)化和完善生物柴油轉(zhuǎn)化技術(shù)；③加強(qiáng)副產(chǎn)品的回收和高附加值產(chǎn)品的開發(fā)和利用；④利用藻類對土地要求較低的特點(diǎn)，合理規(guī)劃藻類養(yǎng)殖場所；⑤微藻的培養(yǎng)可利用城市的廢液和廢氣作為微藻生產(chǎn)的培養(yǎng)原料，以達(dá)到生物能源和廢液(氣)循環(huán)再利用的目的。如結(jié)合污水治理、化工廠排放的有機(jī)酸和氨氮廢水、食品加工廠的廢棄物來培養(yǎng)藻類，利用發(fā)電廠排出的二氧化碳作碳源提高碳固定量。

4 展望

中國石油天然氣集團(tuán)公司石油化工研究院胡徐騰教授建議我國的生物能源的發(fā)展分為近中遠(yuǎn)三個(gè)階段：以廢棄油脂、棉籽油及工業(yè)棕櫚油為原料制備生物柴油是近期目標(biāo)；利用荒山、鹽堿地等邊際土地大力發(fā)展小桐子、黃連木、千年桐等木本油料資源制備生物柴油是中期目標(biāo)；開展微藻技術(shù)和農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)液化-氣化技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)未來生物柴油產(chǎn)業(yè)的持續(xù)化、規(guī)?；l(fā)展是長期目標(biāo)[1]。由于藻類具有產(chǎn)油量高、生長速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、不與農(nóng)作物爭奪農(nóng)田和淡水資源等優(yōu)勢，被認(rèn)為是生產(chǎn)生物柴油的最佳原料。從20世紀(jì)80年代第一代生物柴油的提出和迅速蓬勃發(fā)展，到以微生物油脂為原料的第三代生物柴油技術(shù)的相繼成熟并不斷取得重大突破，作為一種無限可再生且對環(huán)境友好的清潔燃料，微藻的研究為替代能源的開發(fā)利用、解決人類的能源和環(huán)境等問題都具有深遠(yuǎn)的意義。

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