微藻生产生物柴油的前景与挑战

微藻 生产 生物柴油 的前景 与挑 战
周新虹 ，池朝 华 ，蔡 钒 ，廖 伟 东，叶 强
（ 福建师范大学 工业微生物 教育部７ 程研究 中心 ，生命科学 学院 ，福建省现代发酵 技术 工程研究中心 ，福建 福州 ３ ０ ０ ） － ５ １８ 摘要 ：介绍 了微藻 生产 生物柴油 的优势及研究进 展 ，分析 了微藻生物柴 油产业所 面Ｉ 临的问题 ，提 出了微藻生物柴油 产业发展 战略意见 ：从 藻种 的选育和培养 ，到收获 、油脂 的提取 、酯交 换的每一 步都 要降低成本 ，从生产过程 中取 得高附加值的产品 ，最大程度提高利润 ，并对微藻生物柴油应 用前景进 行了展望。 关键词 ：微藻 ；生物柴油 ；应用前景 中图分类号 ：Ｔ ４ ． Ｍ３４１ 文献标志码 ：Ａ
农产 品加工 ・ 学刊
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２１ ０ ２年第 ３ 期
期短 ，可 以全年培养 ，油脂单位面积产率高 ，这是 其他油料作物无法 比拟的 ，被认 为是最有潜力替代 石 油 的生物 资 源 。 （ ） 藻在 光 自养培养 过 程 中可 固定 大量 Ｃ ２微 Ｏ （ ｋ 的干藻需要大约 １ ｇ ｃ ２。如：Ｓｄ ｅ 等 １ｇ ． ｋ 的 Ｏ） ８ ｙｎｙ 人【 估 了 ４种可 以大规模培养 的藻类 ：杜 氏藻 、小球 评 藻 、螺旋藻及丛 粒藻 。结果发现 ，丛粒 藻具有最高 Ｃ Ｏ 固定率 ，其次是螺旋 藻 、杜 氏藻和小球 藻 （ 别 为 分 ４ ６９ ，３ ８６ ，２ ２４和 ２ １ ４ｍｇ ／） ｏ等人 【 ９ ．８ １ ．１ ７ ． ５ ． ／ ｄ 。Ｈ ６ Ｌ ３ Ｊ 利用两阶段培养策略培养一株分离得到的斜生栅藻 ， 结果显示该培养模式下斜生栅藻最佳的生物量 、脂质 生产 率 、二 氧化碳 消耗 率分 别为 ２ ２ ０ ８ ３ｍ ／／ ９ ． ，７． ｇ ｄ ５ ７ Ｌ （ 肪 酸 占干质 量 ３ ．％）和 ５ ９９ ／／。 月 旨 ８９ ４ ．０ｍｇ ｄ Ｌ （ ） 有 快速 的增 长潜 力 ，微 藻 细 胞生 长是 以指 ３具 数 式 的 生长 繁 殖方 式 ，而且许 多种类 的微 藻在光 氧化 压 力或 其他不 利 的环境 条件下 有能 力生产 大量 的甘 油 三酯作 为储存 脂质 （ 占细胞干质量 的 ２％～０ 。 ０ ５ ％） （） ４ 微藻光 自养培养过程可利用废水 中的 Ｎ ，Ｐ 等营养 ，从而可降低水体的富营养 化 ，且 可使微 藻 生长所需 Ｎ，Ｐ 源成本几乎降为零。此外 ，微藻培养 不 需 要 除草 剂 或 杀 虫 剂 ，不会 产 生 由 此 带来 的环 境
强 、容易培养 、营养丰富 、代谢 产物多样 、不 占用 耕地等不可 比拟的优势 ，成为未来最具 前景的生产 随着人 口不断增 长和经济不断发展 ，全球范 围 生物柴 油 的原 料之 一嘲 。 内能 源被 逐 步耗竭 ，Ｃ 放量 的不 断增 加 以及 全球 Ｏ排 １ 微藻 生产 生物 柴 油的研 究进 展 气 候的 日益趋 暖 ，人类的生存和发展状 况 已经面Ｉ 临 前所 未 有 的挑 战 。 因此 ，急 需 寻 找 和 开 发 可再 生 绿 微藻是指那些在显微镜 下才能辨别 其形态的微 色 能源 来 缓 解 不 断 飙 升 的 国 际原 油 价 格 压 力 和 日趋 小 的藻类类群 。微藻种类 繁多 、分布广 泛 、形 态结 恶 化 的 环境 状 况 。 生 物 柴油 （ｉ ｉ ｅ Ｂｏ ｅ １ ｄ ｓ ），又称 单 烷 构 各异 ，是地球 上存在 时间最长 的重要生命类 群 。 基脂肪酸酯，是指以油料作物 、野生油料植物和工程 微藻能利用太 阳能进行光合作用 ，是水域 中最主要 微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮废油等为原 的初级生产者 。迄今为止超过 ４ ０万余种微藻已经确 料 ，通 过 与低碳 醇进行 酯交 换制 成 的可代替 优 质石 化 定 ，并 有许 多 尚未 确定 。 柴 油 的再 生 性 液体 燃 料 。生 物 柴 油是 生 物 质 能 的一 微 藻 在 生 长 过 程 可 合 成 大 量 油 脂 ，微 藻 油 脂 种 ，它是生物质利用热裂解等技术得到 的一种 长链 （ ｃｏｌａ ｉ） 属 于单 细胞 油脂 ，其 主 要 组 分 是 甘 Ｍｉ ａｇｅ ｌ ｒ ｏｓ 脂肪 酸的单烷基酯 。生物柴油的性 能与普通柴油 油 和脂 肪 酸 ，是 由微 藻 在 一 定 的 条 件 下 ，利 用 碳 水 相 近 ，相 比于 普 通 柴 油 还 具 有环 保 性 能优 、安 全 性 化合物 、碳氢化合物和普 通油脂作 为碳 源 ，在藻体 好 、闪点高 、燃烧性 能好 、润滑性能优 良等优势 ， 内合成 的，主要作为生物膜组分 、代谢 物和能量来 具有广 阔的发展前景 。近年来 ，产油微生物 （ 微藻 、 源１ ７ ］ 。与其他生产生物柴油的原料相比，微藻具有以下 酵母 、细菌 、真菌等）越 来越引起大家兴趣 ，微藻 优势 “ １ 。 具有个体小 、光合效率高 、生长繁殖迅 速 、适 应性 （）微藻的光合作用效率高 、含油量高 、生长周 １
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第 ３ （ 期 总第 ２ ４ ） ７期 ２１ ０ ２年 ３月
农产 品加工 ・ 刊 学 Ａ ａ ｅ ｃＰ ｒ ｄｃｌ ｆ ａｍ Ｐｏｕ ｔＰ ｏｅｓ ｇ ｃｄｍｉ ｅ ｏｉａ ｏ ｒ ｒｄ ｃｓ ｒｃｓｉ ｉ Ｆ ｎ
Ｎｏ３ ．
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文章 编 号 ：１ ７— ６ ６ （０ ２ ０ — １ ３ ０ ６ １９ ４ ２ １） ３ ０ ０ — ４
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０ 引言
收稿 日期：２ １ － ０ ２ ０ １ １— ０ 基金项 目：福建 省发 展与改革委员 会、福 建省环保 厅资助课题 （Ｊ ２ ０ １） ＦＨＫ ０ ９ ２ 。 作者简 介：周新 虹 （ ８一 ） １ ６ ９ ，女 ，江 西人 ，在读硕 士，研究方 向 ：能源微藻。Ｅ ｍ ｉ ｈ ｕｉ ｏ ｇ８ ０ ６ ． ｒ － ａ ：ｚｏ ｘ ｈ ｎ １＠１３ ｏ 。 ｌ ｎ Ｏ ｃｎ
表 １ 各 种 生 物 燃 料 的 单 位 面 积 收 获 量
（） ５ 不与农作物争地 、争水 。微藻可利用滩涂 、 盐碱地 、荒漠等不可用耕地资源以及海水 、盐碱 水 和荒漠地区的地下水等进行大规模培养 。 （） ６ 个体小 、木质 素含量很低 ，易粉碎 、干燥 。 用微 藻生产液 体燃料所需 的后处理条件 相对较低 ， 可直接萃取获得油脂 ，通过最小 限度 的工序 即可制 成燃料 。油萃取后的残余藻类可 以产生 富含蛋 白质 的饲 料 或 肥 料 为 动 物 和 人类 所 用 ，或 发 酵 生 产 乙醇 或 甲烷 。 （ ） 藻 脂 肪 酸 碳 链 组 成 与 柴 油 分 子 中 碳 数 相 ７微 近 ，微 藻 油 脂 中长链 的 （ Ｃ ２ 即 一 ０和 Ｃ ２） 的脂 肪 一２ 酸含 量 高 ，并 含 有 高 不 饱 和度 （０ ： ） ２ ５ ，脂 肪 酸 含 量 比例较 高 。 （ ） 类 的含 油 量 或产 脂率 可 通 过改 变 生 长条 件 ８藻 而大大 增强 。 Ｌｕ ｉ等人 【 究铁 对海水 小球藻 的生长 和脂肪 积累 研 的影 响 ，试验表 明 ，当培养基 中 ＦＣ， ｅ １的浓度 达到 １ ０ ． Ｘ１ ｍｏＬ时 ， 小 球 藻 总 脂 质 量 分 数 可 达 到 ２ ｌ ／ ５ ．％，油脂 占干质 量 比例 可 达 到低 浓 度 ＦＣ 养 ６６ ｅ １培 时的 ３— 倍 。 ７ Ｉ 等人【 过优化小球 藻的培养条件表 明 ，当 Ｊ ｖ ・ ５ １ 通 硝 酸 钾 浓 度 控 制在 １ ｏＬ，Ｃ 气 量为 １ ％及 ． ｍｍ ｌ ０ ／ Ｏ通 ． Ｏ 光照强度为 ６ ｍ ｌ ０ｔ ｏ光子 ・ ，培养温度为 ２ Ｃ ｚ ｍ ５ｃ ｌ 时，最高的油脂产率为 ４ ｇ ／。 ０ ／ ｄ ｍ Ｌ Ｘｏｇ ｉ 等人［ ｎ ６ １ 用光合一发酵模型培养小球藻 ，即： 光合培养 固定 Ｃ Ｏ 增加小球藻 的生物量而随后的异
污染 。
养培养使细胞密度脂质 的积 累最大化 。该培养模式 比葡 萄糖 发 酵 产 脂 量 提 高 ６％ ，并 减 少 了 ６ ． ９ １ ％的 ５ 二 氧 化碳 释放量 。 鉴 于 微 藻 生 物 柴 油 的 上 述 独 特 优 势 ，近 年 来 ， 世界各国政府 、企业和科研机 构均已认识 到利用微 藻来 生 产生 物 柴油 对 缓解 人 类 面 临 的 “ 能源 、环 境 、 粮 食 ” 三大 危 机 有 着 巨 大 的 潜 力 。 许 多 发 达 国 家 的 政 府 和企 业 在 微 藻 生 物 柴 油 产 业 化 技术 开 发 方 面 已 投 入 巨 额 资金 ，通 过 养 殖 藻 类 来 制 备 燃 料 的 技 术 从 生 物 学 阶 段迈 向工 程 学 阶段 。荷 兰 壳 牌 、美 国埃 克 森美孚等巨头 ，以及美 国陶 氏化学等化学品厂商 已 开 始着 手开发 。 各 种生 物燃 料 的单 位面 积 收获量 见 表 １ ；微 藻油 脂 的脂 肪酸 组成 见表 ２ 。