季 祥，張凱凱，劉 彬，成 杰，鞏東輝，蔡 祿

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 數(shù)理與生物工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

生物質(zhì)是一類在地球上廣泛存在的有機(jī)物質(zhì)，蘊(yùn)藏著豐富的生物質(zhì)能，可通過(guò)多種途徑轉(zhuǎn)化為生物燃料。生物質(zhì)能源的利用不但可緩解能源危機(jī)，還可減少溫室氣體的排放。生物質(zhì)的種類很多，大體可分為樹(shù)木及其廢棄物、農(nóng)作物秸稈、水生植物、城市固體廢棄物、動(dòng)物糞便及尸體等。微藻廣泛存在于海洋、淡水湖泊及陰暗潮濕的地方，可通過(guò)光合作用將CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)儲(chǔ)存在體內(nèi)［1］。與其他類型的生物質(zhì)相比，微藻具有CO2固定效率高、生長(zhǎng)速率快、光合效率高、油脂含量高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)［2-3］。微藻的研究與應(yīng)用涉及食品與醫(yī)藥、化妝品、養(yǎng)殖與飼料、環(huán)境與能源等行業(yè)。微藻被認(rèn)為是緩解未來(lái)能源危機(jī)的潛在備選對(duì)象，但其高額的生產(chǎn)成本成為制約其發(fā)展的主要因素。利用廢水、廢氣代替培養(yǎng)液培養(yǎng)微藻，不但能在一定程度上解決環(huán)境污染的問(wèn)題，還可以節(jié)約生產(chǎn)成本。

本文綜述了利用廢氣、廢水培養(yǎng)微藻，采用油脂提取和生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等技術(shù)由微藻生產(chǎn)生物質(zhì)燃料的研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)單介紹了微藻的綜合化利用工藝。

1 廢氣、廢水培養(yǎng)微藻

微藻可用于環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，環(huán)境保護(hù)主要是利用煙道廢氣和市政污水等培養(yǎng)微藻，以達(dá)到減少CO2排放和凈化污水的目的；環(huán)境監(jiān)測(cè)是利用微藻對(duì)外界環(huán)境的敏感性，通過(guò)監(jiān)測(cè)其在特定環(huán)境下的生理生化反應(yīng)，對(duì)該環(huán)境進(jìn)行初步監(jiān)測(cè)［4］。廢氣、廢水是日常生活中最常見(jiàn)的兩種污染形式，本文主要闡述廢氣、廢水在培養(yǎng)微藻方面的應(yīng)用。

1.1 利用廢氣培養(yǎng)微藻

化石能源不斷消耗，以CO2為主要成分的溫室氣體排放也越發(fā)嚴(yán)重。自2009年起，中國(guó)已成為全球最大的CO2排放國(guó)，預(yù)計(jì)到2030—2035年，我國(guó)CO2年排放量將達(dá)到9.2～9.4 Gt［5］。目前CO2減排措施包括：控制排放源頭、減少能源消耗、調(diào)節(jié)燃料使用方式、改變能源生產(chǎn)形式和CO2捕集等，而通過(guò)微藻的光合作用固定CO2不失為一種很好的方法。

煙道廢氣中含有大量的CO2和NOx，二者直接排放會(huì)引起嚴(yán)重的空氣污染和溫室效應(yīng)。微藻在自養(yǎng)過(guò)程中，可以將CO2進(jìn)行高效固定，并將NOx作為氮源使用，在有效去除兩者的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身的生長(zhǎng)。適于煙道廢氣培養(yǎng)的微藻藻種需具有較高效的CO2固定能力，以及良好的耐受高濃度CO2，NOx，SOx等的能力。Lizzul等［6］發(fā)現(xiàn)Chlorella sorokiniana在通入含12%（φ）CO2煙道廢氣的條件下可正常生長(zhǎng)，能分別降低23%～45%的CO2和25%～30%的CO，而NOx幾乎全部被其吸收利用。Ge等［7］利用含量（φ）為2%～20%的CO2混合氣體培養(yǎng)Botryococcus braunii，發(fā)現(xiàn)其能在不添加任何pH調(diào)節(jié)劑的條件下正常生長(zhǎng)；當(dāng)通入20%（φ）CO2時(shí)，培養(yǎng)到第25 d生物量積累達(dá)到2.31 g/L，該藻株對(duì)于高濃度CO2和pH=8的環(huán)境有極強(qiáng)適應(yīng)性。

利用煙道廢氣培養(yǎng)微藻的同時(shí)，很多學(xué)者也注意到了微藻在沼氣品質(zhì)提升方面的巨大潛力，原理就是利用微藻CO2固定效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提高沼氣中CH4的相對(duì)含量。Kao等［8］利用甲磺酸乙酯對(duì)小球藻進(jìn)行隨機(jī)突變處理，從中篩選出Chlorella sp.MM-2 藻株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它在ρ（H2S）＜100 mg/L、80%（φ）CH4的混合氣體下的生長(zhǎng)能力約為對(duì)照實(shí)驗(yàn)的70%；在通入糞便發(fā)酵產(chǎn)生的脫硫沼氣（約20%（φ）CO2，70%（φ）CH4，ρ（H2S）＜100 mg/L）條件下，CH4相對(duì)含量（φ）由開(kāi)始的70%增至84%～87%。由此可見(jiàn)，該株微藻能在保證其正常生長(zhǎng)的情況下，有效固定CO2，提升沼氣的品質(zhì)。

利用廢氣培養(yǎng)微藻不但可以對(duì)CO2進(jìn)行高效固定，還可以減少溫室氣體排放或提升沼氣的品質(zhì)。微藻培養(yǎng)的核心問(wèn)題在于藻種選育和規(guī)?；a(chǎn)。利用多種手段對(duì)藻株進(jìn)行篩選，尤其是基因工程技術(shù)的引入，可選育出CO2固定效率高、耐受性強(qiáng)、抗污染的優(yōu)勢(shì)藻種，將其應(yīng)用于煙道廢氣中CO2的固定以及NOx和SOx的減排。目前，對(duì)于該方 面的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，若將反應(yīng)器放大則會(huì)引起許多因素的改變，因此對(duì)于工廠煙道廢氣的回收，設(shè)計(jì)適宜的微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器是阻礙利用廢氣培養(yǎng)微藻技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)。

1.2 利用廢水培養(yǎng)微藻

水資源的不斷污染與缺乏成為當(dāng)前一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。近些年，污水排放量呈逐年上升趨勢(shì)，2015年我國(guó)全年污水排放量預(yù)計(jì)將達(dá)到81 Gt［9］。污水中含有大量的病源體污染物、耗氧污染物、植物營(yíng)養(yǎng)物及有毒污染物等，排放到其他水域或滲漏到地下會(huì)引起魚(yú)蝦死亡、地下水源污染等嚴(yán)重后果。建設(shè)大型污水處理廠是凈化污水的最主要途徑，然而近年來(lái)國(guó)內(nèi)外又出現(xiàn)了多種小型污水處理技術(shù)。如處理農(nóng)村或城鎮(zhèn)污水的人工濕地處理技術(shù)、蚯蚓生態(tài)濾池污水處理技術(shù)、高效藻類塘處理技術(shù)等［10］。原理是通過(guò)動(dòng)植物對(duì)水體中一些特定成分的吸收、消耗或固定的方式對(duì)污水進(jìn)行初步處理，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)其自身的生長(zhǎng)或繁殖。

微藻屬于自養(yǎng)生物，可通過(guò)光合作用利用污水中的有機(jī)碳和無(wú)機(jī)氮、磷等物質(zhì)完成自身的生長(zhǎng)與繁殖。Termini等［11］利用廢水處理廠二級(jí)沉降池的未經(jīng)硝化或反硝化處理的上清液對(duì)微藻進(jìn)行培養(yǎng)，該株微藻直接篩選于上述上清液，主要為柵藻屬。他們發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)條件下培養(yǎng)，除氮、除磷的效率均可達(dá)99.9%，生物量積累為0.25 g/d；然而在室外條件下，由于外界環(huán)境的不可控制性，除氮、除磷的效率分別降至90%和80%～90%。Amini等［12］利用煉油廠二級(jí)出水對(duì)5株微藻進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)Chlorella sp.（YG01）有很高的除氮效率（84.11%），兩株Chlamydomonas sp.（YG04和YG05）都可將磷完全去除。

微藻還能有效去除污水中的COD，Babatsouli等［13］利用Picochlorum sp.和Stichococcus sp.組成的菌-藻團(tuán)對(duì)含鹽廢水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)該菌-藻團(tuán)能在極短的時(shí)間內(nèi)除去水體中的COD，去除率達(dá)99%。董芳芳等［14］比較了多株微藻對(duì)造紙廢水中COD的去除能力，發(fā)現(xiàn)舟形藻和小環(huán)藻對(duì)其去除效率最高，培養(yǎng)18 d后去除率分別達(dá)到87.09%和88.18%。

微藻對(duì)污水中的重金屬有一定的吸附能力，其吸附途徑包括誘導(dǎo)產(chǎn)生金屬硫蛋白對(duì)金屬離子進(jìn)行絡(luò)合；或?qū)⑵湮接诩?xì)胞表面；或用于合成自身生長(zhǎng)的特定化合物等［15］。Kumar等［15］提出微藻是修復(fù)重金屬污染的一種有效生物，并指出多種微藻對(duì)Cd2+，Co2+，Cr3+，Cr6+，Cr2，Cu2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Ni2+，Pb2+，Zn2+等具有一定的吸附能力。Richards等［16］利用Nanochloropsis gaditana，Pavlovalutheri，Tetraselmis chuii，Chaetoceros muelleri處理含有大量重金屬元素的市政垃圾滲濾液，通過(guò)10 d的培養(yǎng)，滲濾液中總重金屬去除率達(dá)95%，還實(shí)現(xiàn)了油脂的大量積累。

因此，利用污水培養(yǎng)微藻，在實(shí)現(xiàn)其生物量和油脂成分積累的同時(shí)，還能有效去除污水中的無(wú)機(jī)氮、無(wú)機(jī)磷、COD和重金屬離子等。

2 微藻制備生物燃料

微藻主要由油脂、蛋白質(zhì)和多糖等有機(jī)物質(zhì)組成，富含大量的生物質(zhì)能。微藻的能源化利用技術(shù)主要包括微生物發(fā)酵、油脂提取或直接熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等，得到的能源形式包括生物乙醇、生物柴油、生物油和生物燃?xì)獾取?/p>

2.1 微藻乙醇

自然界中不同藻種的生理生化特性差別很大，適于作為生產(chǎn)燃料乙醇的藻株需具有較高含量的淀粉及多糖。培養(yǎng)采收后的藻粉需進(jìn)行預(yù)處理，即破壞微藻細(xì)胞壁，使藻體中的糖類釋放，同時(shí)將大分子碳水化合物降解為小分子，以提高發(fā)酵效率。目前使用較多的預(yù)處理方法有稀酸預(yù)處理、酶解法和水熱預(yù)處理等［17］。

經(jīng)預(yù)處理后的微藻生物質(zhì)可通過(guò)酵母等微生物發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。所選菌株一般篩選于多糖類生產(chǎn)企業(yè)的排放污水或污泥，或通過(guò)基因工程技術(shù)進(jìn)行改良。Yoon等［18］利用從瓊脂生產(chǎn)工廠污泥中篩選出的一種半乳糖降解酵母菌株S.cerevisiae9號(hào)對(duì)預(yù)處理后的Gelidium corneum藻抽提物進(jìn)行發(fā)酵處理，經(jīng)過(guò)96 h發(fā)酵后獲得4.58%（w）的乙醇；并指出對(duì)微藻抽提物中的主要成分——半乳糖進(jìn)行酶糖化后，會(huì)減少呋喃、羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物的產(chǎn)生，從而提高乙醇的生產(chǎn)效率。

除釀酒酵母外，還可利用大腸桿菌對(duì)微藻預(yù)處理藻渣進(jìn)行發(fā)酵。Cheng等［19］發(fā)現(xiàn)Chlorella variabilis NC64A可以在氮限制條件下積累碳水化合物；對(duì)經(jīng)病毒感染和酶水解聯(lián)合預(yù)處理后的藻渣，利用E.coli KO11進(jìn)行發(fā)酵，生物乙醇最大產(chǎn)率為0.32 g/g。Kim等［20］利用釀酒酵母S.cerevisiae、重組大腸桿菌E.Coli KO11、整合Z.mobilis產(chǎn)乙醇基因和pflB基因的E.Coli B對(duì)4種水生植物（Ulvalactuca，Gelidium amansii，Laminaria japonica，Sargassum fulvellum）的預(yù)處理產(chǎn)物進(jìn)行發(fā)酵處理，發(fā)現(xiàn)Laminaria japonica經(jīng)酸解后再酶解處理，利用重組大腸桿菌E.Coli KO11 發(fā)酵得到的生物乙醇的產(chǎn)率最大，為0.4 g/g。這是因?yàn)镋.Coli KO11 可利用水解產(chǎn)物中含量較多的甘露醇生產(chǎn)生物乙醇。

利用微藻糖類發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇的主要突破點(diǎn)包括以下3點(diǎn)：1）篩選或改造優(yōu)勢(shì)藻種、優(yōu)化培養(yǎng)條件，使其能大量積累糖類，尤其是可酵解糖類，因?yàn)橛泻芏嗵穷悷o(wú)法被酵母菌等代謝（如木糖等五碳糖）；2）優(yōu)化預(yù)處理方法，使糖類得到充分釋放和回收，并對(duì)糖類進(jìn)行初步分解，提高發(fā)酵效率；3）選擇合適的發(fā)酵菌株，使微藻糖類抽提物能得到充分發(fā)酵，提高乙醇產(chǎn)率。

2.2 生物柴油

生物柴油來(lái)自于動(dòng)植物油脂與醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)獲得的脂肪酸單烷基酯（如脂肪酸甲酯）。與傳統(tǒng)化石柴油相比，生物柴油的燃燒性能更好、基本不含硫和芳烴、閃點(diǎn)高、十六烷值和含氧量高、具有較好的發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)功能等，可部分添加到化石柴油中。動(dòng)植物油脂的獲得主要來(lái)源于大豆油、菜籽油、微藻油脂或餐飲廢油等，微藻油脂的利用可有效解決生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)食物和耕地產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)。

微藻經(jīng)培養(yǎng)得到大量藻粉，藻粉經(jīng)采收、烘干、細(xì)胞壁破碎后，利用有機(jī)溶劑萃取、索式提取、超臨界萃取等技術(shù)對(duì)微藻油脂進(jìn)行富集［21］。富集得到的微藻油脂與醇（甲醇或乙醇）發(fā)生酯交換反應(yīng)制備生物柴油。為加快反應(yīng)速率、提高油脂轉(zhuǎn)化效率，需在反應(yīng)體系中加入適當(dāng)催化劑。依據(jù)催化劑的不同，可將酯交換過(guò)程分為均相催化酯交換法、非均相催化酯交換法、生物催化酯交換法和非催化酯交換法［22］。

均相催化劑的使用會(huì)產(chǎn)生大量廢酸（堿）水，而且具有不可重復(fù)利用、易引起皂化反應(yīng)等缺點(diǎn)，因此其應(yīng)用受到很大限制。非均相催化酯交換法將反應(yīng)物與催化劑分開(kāi)，能提高催化劑的使用效率、降低生產(chǎn)成本。非均相催化劑包括固體堿和固體酸催化劑兩大類。生物酶是一類環(huán)境友好型催化劑，可催化酯交換反應(yīng)的進(jìn)行。Huang等［23］利用重組酵母菌產(chǎn)生脂肪酶GH2，在正己烷體系等適當(dāng)條件下催化Chlorella vulgaris油脂與甲醇（乙醇）的酯交換反應(yīng)，24 h后脂肪酸甲酯（乙酯）的收率均在90%以上。非催化酯交換法是在超臨界甲醇/乙醇體系下生產(chǎn)生物柴油。Nan等［24］優(yōu)化了微藻經(jīng)非催化酯交換法生產(chǎn)生物柴油的反應(yīng)條件，在320 ℃、15.2 MPa、醇油比為19∶1、7.5%（w）水的條件下反應(yīng)31 min，脂肪酸甲酯收率最高，為90.8%；在340℃、17.0 MPa、醇油比為33∶1、7.5%（w）水的條件下反應(yīng)35 min，脂肪酸乙酯收率最高，為87.8%。

利用微藻油脂制取生物柴油的關(guān)鍵是使油脂得到大量富集，其中，篩選和培育富油藻種、控制培養(yǎng)條件是兩個(gè)有效的途徑。通過(guò)基因改造培育“工程微藻”可使油脂得到大量積累，微藻油脂的主要成分甘油三酯（TAG）的合成需要多種酶的參與，其中，乙酰輔酶A羧化酶是其合成途徑中的限速酶，其表達(dá)量的增加可加速TAG的合成和積累。通過(guò)限制某些營(yíng)養(yǎng)成分、添加微量元素等培養(yǎng)條件也可以實(shí)現(xiàn)油脂的大量積累［3，21］。提高生物柴油收率的另一個(gè)途徑是選擇和設(shè)計(jì)合適的催化劑、優(yōu)化油脂轉(zhuǎn)化技術(shù)和工藝，以縮短反應(yīng)時(shí)間、提高轉(zhuǎn)化效率。

2.3 生物油

生物油是將生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)得到的液體產(chǎn)物，制備生物油最常用的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)有常壓熱解液化和加壓液化。常壓熱解液化是在常壓下，以特定的升溫速率達(dá)到預(yù)定溫度并停留一定時(shí)間，經(jīng)冷凝裝置最大限度地獲得液體產(chǎn)物的過(guò)程。按升溫速率不同，熱解過(guò)程可分為閃速熱解、快速熱解和慢速熱解?？焖贌峤鈱?duì)設(shè)備要求較高，液體收率高；慢速熱解的液體收率較低，但對(duì)設(shè)備要求較低。如通過(guò)快速熱解Chlorella vulgaris可獲得72%的生物油［25］；而通過(guò)慢速熱解Spirulina sp.僅獲得46%的生物油［26］。高壓液化是在溶劑存在下，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度、壓強(qiáng)、停留時(shí)間等條件制備液體燃料的技術(shù)。選擇水為溶劑，即水熱液化法，可避免其他溶劑對(duì)產(chǎn)物或環(huán)境造成影響，同時(shí)降低藻粉干燥過(guò)程中的能量消耗［27］。

通過(guò)直接熱化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得的生物油品質(zhì)較低，主要表現(xiàn)在含氧量和水含量高、熱值低等。為提高其品質(zhì)，常采用催化加氫、催化裂解、乳化、催化酯化、水蒸氣重整、萃取和膜分離等技術(shù)［28］對(duì)其進(jìn)行精制。精制過(guò)程中主要發(fā)生以下變化：氧元素以CO2，CO，H2O的形式去除，氫元素通過(guò)加入的方式提高，特定成分通過(guò)萃取或膜分離技術(shù)富集，化學(xué)鍵斷裂發(fā)生特定重整等。精制后的生物油含氧量降低、碳和氫元素含量增高、熱值增大、芳烴等期望化合物的含量增加。

通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)由微藻制備生物油的主要突破點(diǎn)包括以下3方面：1）優(yōu)化熱化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑，即設(shè)計(jì)適宜的熱化學(xué)反應(yīng)器、優(yōu)化反應(yīng)條件；2）設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工廠使用的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置，以用于工業(yè)化生產(chǎn)生物油；3）設(shè)計(jì)和優(yōu)化生物油提質(zhì)工藝，制備高品質(zhì)生物油等。

2.4 生物燃?xì)?/h3>

利用微藻生物質(zhì)制備生物燃?xì)獾姆椒òㄎ⑸锇l(fā)酵產(chǎn)沼氣和H2，光合作用產(chǎn)H2和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)可燃?xì)怏w等。

微藻細(xì)胞內(nèi)含大量的有機(jī)成分，通過(guò)厭氧發(fā)酵經(jīng)水解、酸化和產(chǎn)甲烷3個(gè)階段產(chǎn)生以CH4為主的沼氣，其中，涉及到纖維素分解菌、蛋白質(zhì)水解菌、醋酸菌、產(chǎn)甲烷菌等多種微生物。其中，產(chǎn)酸階段伴隨著H2的釋放，產(chǎn)甲烷菌可利用H2將CO2還原成CH4［29］。對(duì)微藻生物質(zhì)的預(yù)處理可以改變產(chǎn)氣成分和含量，如去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4產(chǎn)率高于全組分藻粉，因?yàn)樵谀承┙M分去除時(shí)破壞了細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)、增加了有機(jī)質(zhì)的水解［30］。但在油脂提取過(guò)程中，有機(jī)溶劑的用量過(guò)大會(huì)影響產(chǎn)沼氣微生物的生長(zhǎng)和活性，如H2和CH4的產(chǎn)量會(huì)隨三氯甲烷含量的增加而降低［29］。

微藻光合作用產(chǎn)氫的原理：光合作用系統(tǒng)Ⅱ光解水釋放的電子或機(jī)體中有機(jī)物分解產(chǎn)生的電子，經(jīng)類囊體膜上的電子傳遞體傳遞給產(chǎn)氫相關(guān)的酶類，還原質(zhì)子產(chǎn)生H2［31］。微藻光合作用產(chǎn)氫受多種因素影響，如微藻藻株、光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度、培養(yǎng)體系含氧量等［32］。藻株的選擇直接決定產(chǎn)氫效果，光照強(qiáng)度適度增加會(huì)提高產(chǎn)氫效率，體系中含氧量過(guò)高會(huì)使相關(guān)產(chǎn)氫酶的活性受到抑制以至失活。

常用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物燃?xì)獾姆椒ㄓ袩峤鈿饣退疅釟饣?。熱解氣化是在無(wú)氧條件下，利用較高的溫度（800～900 ℃）直接對(duì)微藻進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化處理，在此過(guò)程中常加入適宜的催化劑，以獲得含大量H2和CO的熱解氣體。水熱氣化技術(shù)是在超臨界水體系下，將含水量較高的生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為清潔燃?xì)?，在微藻氣化研究中越?lái)越受關(guān)注。Sanchez-Silva等［33］通過(guò)控制條件將Nannochloropsis gaditana進(jìn)行水熱液化，可獲得約含50%（φ）H2和35%（φ）CO的可燃?xì)怏w。在反應(yīng)體系中加入適當(dāng)催化劑可以改變產(chǎn)物品質(zhì)，提高H2等理想組分的比例。

此外，微藻還被用于與其他生物質(zhì)或煤炭共氣化。微藻生物質(zhì)中含有大量堿金屬化合物，能對(duì)其他生物質(zhì)或煤產(chǎn)生催化裂解作用，以提高熱解產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量。如在藍(lán)桉樹(shù)（Eucalyptus globulus）生物質(zhì)中加入適量鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）能提高CH4和H2的比例［34］。

微藻轉(zhuǎn)化為生物燃?xì)庥卸喾N工藝路徑和設(shè)備，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物燃?xì)鈱?duì)設(shè)備的要求較低，反應(yīng)條件較溫和，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，工作效率不高；采用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)微藻進(jìn)行氣化處理，但對(duì)設(shè)備要求較高，生產(chǎn)成本也相對(duì)較高。

3 微藻的綜合化利用

廢氣、廢水培養(yǎng)微藻制備生物燃料是微藻在環(huán)境和能源領(lǐng)域綜合化利用的典型工藝，該工藝路線（見(jiàn)圖1）的實(shí)施與應(yīng)用主要從以下幾方面入手：

1）篩選和培育優(yōu)勢(shì)藻種和菌株。藻種是運(yùn)行整套工藝的最基本條件，用于發(fā)酵的微生物菌株直接影響生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的效率。選育藻種（菌株）的方法包括從自然界直接選育和通過(guò)人工誘變選育等，尤其是基因工程技術(shù)的應(yīng)用，使定向選育藻種（菌株）成為可能。

2）控制培養(yǎng)條件，實(shí)現(xiàn)特定組分的積累。通過(guò)控制微藻的培養(yǎng)條件，可實(shí)現(xiàn)某些組分的大量富集，為下一步工藝的進(jìn)行提供基礎(chǔ)。

3）微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。利用廢氣、廢水大規(guī)模培養(yǎng)微藻反應(yīng)器的設(shè)計(jì)遵循的原則是提高CO2固定效率和污水凈化能力、降低微藻貼壁生長(zhǎng)程度以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的大量富集等。

4）廢氣、廢水的預(yù)處理。煙道廢氣攜帶大量熱量，直接排放到大氣中會(huì)造成能源的浪費(fèi)，因此可將其接入到微藻干燥系統(tǒng)中，對(duì)藻粉進(jìn)行干燥處理。廢水可作為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的冷卻水使用，減少水資源的浪費(fèi)。

5）特定組分提取工藝的優(yōu)化。微藻主要由蛋白質(zhì)類、糖類和脂類組成，通過(guò)優(yōu)化其提取工藝，可降低生產(chǎn)成本、減小環(huán)境污染、利于生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化。

6）生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化條件的優(yōu)化。該轉(zhuǎn)化體系包括光合作用產(chǎn)氫系統(tǒng)、酯交換系統(tǒng)、微生物發(fā)酵系統(tǒng)、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等，優(yōu)化其轉(zhuǎn)化條件，可獲得產(chǎn)量高、品質(zhì)好的生物燃料。

利用微藻的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的緊密連接，可在一定程度上緩解環(huán)境污染和能源危機(jī)給社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)的雙重壓力。

圖1 能源微藻綜合化利用工藝路線Fig.1 Process of microalgae comprehensive utilization.

4 結(jié)語(yǔ)

制約微藻在能源領(lǐng)域利用的最主要因素是成本過(guò)高、技術(shù)水平單一等。利用煙道廢氣、市政污水培養(yǎng)微藻在實(shí)驗(yàn)室水平上已獲得成功，而微藻通過(guò)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)可高效轉(zhuǎn)化為生物燃料。將兩種技術(shù)耦合利用，可有效降低微藻的培養(yǎng)成本、減少環(huán)境污染、緩解能源危機(jī)。

微藻綜合化利用技術(shù)已擁有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的工藝和設(shè)備的放大成為最急需解決的難題。放大過(guò)程中會(huì)伴隨著多種參數(shù)的改變，影響工藝路線的進(jìn)行，因此在今后的研究中應(yīng)側(cè)重于工藝及設(shè)備的放大，以利于工業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)。

［1］Demir bas A.Use of Algae as Biofuel Sources［J］.Energy Conv Manag，2010，51（12）：2738-2749.

［2］Chisti Y.Biodiesel from Microalgae Beats Bioethanol［J］.Trends Biotechnol，2008，26（3）：126-131.

［3］Scott S A，Davey M P，Dennis J S，et al.Biodiesel from Algae：Challenges and Prospects［J］.Currt Opin Biotechnol，2010，21（3）：277-286.

［4］王海英，蔡妙顏，郭祀遠(yuǎn).微藻與環(huán)境監(jiān)測(cè)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27（3）：98-101.

［5］Yuan Jiahai，Xu Yan，Hu Zheng，et al.Peak Energy Consumption and CO2Emissions in China［J］.Energy Policy，2014，68：508-523.

［6］Lizzul A M，Hellier P，Purton S，et al.Combined Remediation and Lipid Production Using Chlorella Sorokiniana Grown on Wastewater and Exhaust Gases［J］.Bioresour Technol，2014，151：12-18.

［7］Ge Yaming，Liu Junzhi，Tian Guangming.Growth Characteristics of Botryococcus Braunii 765 Under High CO2Concentration in Photobioreactor［J］.Bioresour Technol，2011，102（1）：130-134.

［8］Kao Chien-Ya，Chiu Sheng-Yi，Huang Tzu-Ting，et al.A Mutant Strain of Microalga Chlorella sp.for the Carbon Dioxide Capture from Biogas［J］.Biomass Bioenergy，2012，36：132-140.

［9］孔亦舒，劉秀麗.中國(guó)廢水排放量預(yù)測(cè)研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39（3）：5-7.

［10］曹群，佘佳榮.農(nóng)村污水處理技術(shù)綜述［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2009，34（3）：118-121.

［11］Termini J D，Prassone A，Cattaneo C，et al.On the Nitrogen and Phosphorus Removal in Algal Photobioreactors［J］.Ecological Eng，2011，37（6）：976-980.

［12］Amini S R，Najafabady N M，Shaker S，et al.Removal of Nitrogen and Phosphorus from Wastewater Using Microalgae Free Cells in Bath Culture System［J］.Biocatal Agricul Biotechnol，2014，3（2）：126-131.

［13］Babatsouli P，F(xiàn)odelianakisa S，Paranychianakisa N，et al.Single Stage Treatment of Saline Wastewater with Marine Bacterial-Microalgae Consortia in a Fixed-Bed Photobioreactor［J］.J Hazard Mater，2015，292：155-163.

［14］董芳芳，程凱，許敏，等.藻類對(duì)造紙廢水中COD的去除效率研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（1）：166-169.

［15］Kumar K S，Dahms H U，Won E J，et al.Microalgae—A Promising Tool for Heavy Metal Remediation［J］.Ecotox Environ Safe，2015，113：329-352.

［16］Richards R G，Mullins B J.Using Microalgae for Combined Lipid Production and Heavy Metal Removal from Leachate［J］.Ecol Model，2013，249：59-67.

［17］李謝昆，周衛(wèi)征，郭穎，等.微藻生物質(zhì)制備燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)生物工程雜志，2014，34（5）：92-99.

［18］Yoon Min Ho，Lee Yoon Woo，Chun Han Lee，et al.Simultaneous Production of Bio-Ethanol and Bleached Pulp from Red Algae［J］.Bioresour Technol，2012，126：198-201.

［19］Cheng Yushen，Zheng Yi，Labavitch J M，et al.Virus Infection of Chlorella Variabilis and Enzymatic Sacchari fi cation of Algal Biomass for Bioethanol Production［J］.Bioresour Technol，2013，137：326-331.

［20］Kim Nag-Jong，Li Hui，Jung Kwonsu，et al.Ethanol Production from Marine Algal Hydrolysates Using Escherichia Coli KO11［J］.Bioresour Technol，2011，102（16）：7466-7469.

［21］郝宗娣，楊勛，時(shí)杰，等.微藻生物柴油的研究進(jìn)展［J］.上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，22（2）：282-288.

［22］張峰齊，糾敏，汪倫記.生物柴油制備方法研究進(jìn)展［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工，2013（9）：40-45.

［23］Huang Jinjin，Xia Ji，Jiang Wei，et al.Biodiesel Production from Microalgae Oil Catalyzed by a Recombinant Lipase［J］.Bioresour Technol，2015，180：47-53.

［24］Nan Yue，Liu Jiuxu，Lin Ronghong，et al.Production of Biodiesel from Microalgae Oil（Chlorella Protothecoides）by Non-Catalytic Transesteri fi cation in S upercritical Methanol and Ethanol：Process Optimization［J］.J Supercrit Fluid，2015，97：174-182.

［25］Belotti G，Caprariis B D，F(xiàn)ilippis P D，et al.Effect of Chlorella Vulgaris Growing Conditions on Bio-Oil Production via Fast Pyrolysis［J］.Biomass Bioenergy，2014，61：187-195.

［26］Chaiwong K，Kiatsiriroat T，Vorayos N，et al.Study of Bio-Oil and Bio-Char Production from Algae by Slow Pyrolysis［J］.Biomass Bioenergy，2013，56：600-606.

［27］Barreiro D L，Prins W，Ronsse F，et al.Hydrothermal Liquefaction（HTL）of Microalgae for Biofuel Production：State of the Art Review and Future Prospects［J］.Biomass Bioenergy，2013，53：113-127.

［28］Xiu Shuangning，Shahbazi A.Bio-Oil Production and Upgrading Research：A Review［J］.Renew Sust Energ Rev，2012，16（7）：4406-4414.

［29］Yun Yeo-Myeong，Cho Si-Kyung，Jung Kyung-Won，et al.Inhibitory Effect of Chloroform on Fermentative Hydrogen and Methane Production from Lipid-Extracted Microalgae［J］.Int J Hydrogen Energ，2014，39（33）：19256-19261.

［30］Ramos-Suárez J L，Carreras N.Use of Microalgae Residues for Biogas Production［J］.Chem Eng J，2014，242：86-95.

［31］He Meilin，Li Ling，Liu Jianguo.Isolation of Wild Microalgae from Natural Water Bodies for High Hydrogen Producing Strains［J］.Int J Hydrogen Energ，2012，37（5）：4046-4056.

［32］Rashid N，Rehman M，Memon S，et al.Current Status，Barriers and Developments in Biohydrogen Production by Microalgae［J］.Renew Sust Energ Rev，2013，22：571-579.

［33］Sanchez-Silva L，López-González D，Garcia-Minguillan A M，et al.Pyrolysis，Combustion and Gasi fi cation Characteristics of Nannochloropsis Gaditana Microalgae［J］.Bioresourc Technol，2013，130：321-331.

［34］Yang Kai-Cheng，Wu Keng-Tung，Hsieh Ming-Huan，et al.Co-Gasi fi cation of Woody Biomass and Microalgae in a Fluidized Bed［J］.J Taiwan Inst Chem E，2013，44（6）：1027-1033.