藻类与新能源的关系
摘要：
随着经济的迅速发展，全球性化石资源日益枯竭，液体燃油的供应形势日趋严峻，能源短缺问题已经成为制约世界各国经济发展的重要因素之一［1］资源有限性带来的能源危机以及造成的环境污染问题都在促使人们努力寻找石油的替代燃料，这也大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐。在世界能源危机的影响下,生物质能源由于可再生、低污染等优势,被认为是在未来一个较短时期内最有潜力缓解能源危机的石油替代品。近年来，生物柴油受到了人们的广泛关注，尤其是进入20 世纪90 年代，开发生物柴油替代石化柴油已成为新能源开发的重要途径之一，成为重要的柴油替代品［2］生物柴油的研究得到了广泛的重视，同期生物柴油的研究论文增长了10 倍，SCI 检索论文从2003 年的120 多篇增加到2009 年的1200多篇。已有很多文章对生物柴油的市场、政策、生产及技术做过详细的介绍和综述，Ma 等近几年，生物柴油的研究得到了广泛的重视，同期生物柴油的研究论文增长了10 倍，SCI 检索论文从2003 年的120 多篇增加到2009 年的1200多篇。已有很多文章对生物柴油的市场、政策、生产及技术做过详细的介绍和综述[3]而微藻由于具有生物量大、光合效率高、生长周期短、油脂含量高和环境友好等优点,有望破解后石油时代的能源危机。重点阐述了产油微藻的种类,提高微藻油脂含量的策略,微藻细胞的采收技术,微藻油脂的提取和
转酯化反应等内容;分析了微藻生物柴油产业发展中亟待解决的一些问题。目前，藻类生物柴油是一个研究热点，具有广阔的开发利用前景。
关键词：微藻 ,生物柴油，新能源。
1利用微开发生物质能源的优势藻
就全球来说,藻类是一种数量巨大的可再生资源。地球上的生物每年通过光合作用可固定8 ×1010 t碳,生产14. 6 ×1010 t生物质,其中一半以上可归功于藻类的光合作用。利用微藻发生物质能源的优势可总结如下[4]
1 环境适应能力强,生长要求简单,营养需求低,可直接转化利用CO2、无机盐和有机废水等
2 微藻光合效率高,倍增时间短,单位面积的产率高出高等植物数十倍。
3 培养微藻不占用耕地,可利用海滩、盐碱地和荒漠等土地进行大规模培养,可利用海水盐碱水、荒漠地区地下水和有机废水进行培养。
4 微藻含有很高的油脂,特别是一些微藻在异养或营养限制条件下脂肪含量可
高达20% ～70%,按藻细胞含30%油脂(干重)计算, 1 hm2 土地的年油脂产量是玉米的341倍,大豆的132倍,油菜籽的49倍。影响藻类油脂合成的因素很多，通过改变藻类的培养条件和采用分子生物学技术均可进一步增加藻类的油脂含量。在适当的培养条件下，减少藻类培养基质中的氮元素，可以增加某些藻类的油脂含量，如眼点拟微球藻(Nannochloropsis oculata)和小球藻(Chlorella vulgaris) [5]微藻
没有根、茎、叶的分化,不产生无用生物量,加工工艺相对简单,易于粉碎和干燥,预处理成本相对较低。
6 微藻热解比农林废弃物简单,而且所得生物质燃油热值高,是木材或农作物秸秆的1. 6倍。
7 微藻燃料清洁,环境友好,燃烧时不排放有毒有害气体。
8 微藻能高效固定CO2 ,有助于减缓温室气体排放。
9 大多微藻生长极其迅速，一般能在24 h 内使自身生物量加倍，而在指数生长期内生物量倍增时间竟能缩短至3.5 h[6]。藻类生长周期很短，一般2~5d 便可完成一个世代，并且可终年生长。因此，可以每天收获，为生物柴油的生产提供了连续的原料供应。微藻的光合作用效率高，可以高密度种植，每英亩的年产量是产量最高的油料作物的7~31倍[7]巨大的生物量为制备生物柴油奠定了原料基础。与藻类相比，传统油料作物生长缓慢，生活周期长，并且只能在一年中的某个时期收获，受外界影响大，其产量远远不能满足我国经济发展对能源的需求。
2 微藻的选育及规模培养
利用微藻生产生物能源并不是一个新的研究方向。1978—1996 年，美国能源部就资助了一个利用微藻生产生物柴油的项目“水生物种计划———藻类生物柴油”( “Aquatic Species Program Biodiesel fromAlgae”，简称“ASP”) ，对3 000 余种微藻资源进行了油脂含量的普查，筛选出300 多种微藻［8］。Hu等通过对历年发表的文献中含油微藻含量进行了统计分析，并比较了不同生长条件下油脂积累的变化( 见表2) 。
表2 不同藻属的油脂含量比较%
藻属正常生长条件胁迫条件( 光胁迫、营养胁迫)
绿藻属 22． 5 45． 7
硅藻属 22． 7 44． 6
其他藻属 27． 1 44． 6
蓝藻属 9． 8
优质的含油微藻是能源微藻技术的基础，微藻的选育需要满足生长快、油脂含量高、油脂组成品质好。其次要易于培养、抗污染能力强、营养要求低、易于采集加工。[ 9 ]近年来，以中国科学院各研究所为代表的相关研究机构在藻种的筛选领域已开展了大量的工作，目前筛选出富油富烃微藻66 株。从筛选结果来看，尽管野生型藻株性状稳定，但在光合效率、生长速度以及抗逆性和能量产出等方面仍无法满足工业化生产的需要，相关性状有待进一步提高。随着藻类生物学相关研究的不断深入，近年来人们越来越倾向于利用现代分子遗传技术对藻株进行遗传改造，有针对性地对藻株的特定性状进行改进，对微藻进行光合效率、生长速度、抗逆性以及能源产品产量等相关性状的改良研究。迄今为止，虽然转基因藻类的商业应用还未见报道，但有几个基因工程藻类取得初步的成果。如美国选育的转基因硅藻藻株Cyclotella cryptica 和Navicula saprophila［10］.Apt 小组将人血红蛋白的糖转移蛋白基因导入表达，从而使其能够在黑暗条件下异养生长，发展了一个很有希望的新技术用于三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum 的异养大规模培养［11］。侯李君等通过将蓝藻正反义pepcA 基因导入对大肠杆菌中脂类合成的调控的研究发现: 转反义pepcA 片E． coli 中PEPC 酶活性降低到野生菌的30． 2%，蛋白质合成减少23． 6% ，脂类合成增加了46． 9%; 而转正义pepcA 片段E． coli PEPC 酶活性是野生菌的2． 38 倍，蛋白质合成增加了14. 5% ，脂类合成减少了49． 6% ; 转基因菌中十八碳酸的含量明显增加。
收获藻种是生产生物柴油的一个关键环节，在整个生产工艺过程中占有较大的经济消费比重。收集藻种时要根据培养系统中藻细胞的密度、大小、外界环境因素及技术水平等因素来选择具体方法。目前，收集藻类一般有重力沉淀、离心沉淀、过滤、浮式离心以及絮凝等方法[12]这几种方法一般结合使用，以最大限度地收集微藻生物量，避免浪费并保证藻种的纯度。藻类收集效率与其生长速度之间存在
