产油微藻培养与回收的关键技术研究进展_杨黎彬
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第一作者：杨黎彬，女，１９９１年生，硕士研究生，研究方向为微藻污水处理技术及资源化。＃通讯作者。＊国家科技支撑计划项目（Ｎｏ．２０１２ＢＡＪ２５Ｂ０２）；国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．２０９７６１３９、Ｎｏ．２１２４６００１）。
产油微藻培养与回收的关键技术研究进展＊
杨黎彬 周雪飞＃ 张亚雷 褚华强（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，长江水环境教育部重点实验室，上海２０００９２）
摘要 寻找廉价而高效的替代原料是实现生物柴油产业化的关键所在。微藻以含油量高、生长周期短、环境适应能力强、生物产量高等优点，有望成为一种极具潜力的生物柴油生产原料。然而，目前尚存在微藻培养低效成本高和微藻回收效率低两大难题。综述了微藻培养与回收过程中的关键技术，并对存在的两大难题及其改进技术进行了详细的探讨。最后，总结并展望了微藻培养、回收技术未来的发展趋势。 关键词 生物柴油 微藻 培养 回收 废水处理
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ＹＡＮＧ Ｌｉｂｉｎ，ＺＨＯＵ
Ｘｕｅｆｅｉ
，
ＺＨＡＮＧ Ｙａｌｅｉ，ＣＨＵ Ｈｕａｑｉａｎｇ．（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｔａｔｅＫｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｒｅｕｓｅ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２０００９２
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｏｏｋｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｃｈｅａｐ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆｈｉｇｈ ｏｉｌ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｓｈｏｒｔ ｇｒｏｗｔｈ ｐｅｒｉｏｄ，ｓｔｒｏｎｇｅｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｏ ｎｅｗ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，ｈｉｇｈ ｙｉｅｌｄ，ｅｔｃ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｗｏ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｈｉｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｌｏｗ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｏｌｅ－
ａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ；ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ；ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ；ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
能源与环境是２１世纪人类社会的两大主题。近年来，传统能源的过度消耗引发了一系列的能源危机和环境污染问题，因此可持续洁净能源的开发已成为各国研究的热点。生物柴油作为一种新型燃料，具有无毒、无害、可生物降解等优点，是替代传统燃料的最佳选择［１－２］。然而，昂贵的成本制约了生物柴油的产业化发展［３］。据统计，生物柴油制备成本中７５％是原料成本［４］，寻找廉价而高效的替代原料是实现生物柴油产业化发展的关键所在。其中，微藻具有含油量高、生长周期短、环境适应能力强、生物产量高等优点，有望成为一种极具潜力的生物柴油生产原料［５－７］。目前，利用微藻制备生物柴油并实现ＣＯ２的固定与减排，已受到科学家们越来越多地关注，相应的研究也得到了广泛开展［８］。 然而，在实现微藻产油产业化的过程中，存在着微藻廉价大规模培养和高效低成本回收两大难题［９］。本研究综述了利用微藻产油的国内外研究现状，并对微藻培养与回收过程中的瓶颈问题及关键技术进行了深入讨论。１
微藻作为产油原料的特点
微藻是一类体积小、结构简单、生长繁殖迅速的单细胞藻类，具有太阳能利用效率高、环境适应能力强等特点。微藻中所含有的活性成分具有重要的经济价值，故它在医药、化工、饲料、保健品及环保等方面有着广泛的应用［１０－１１］。由表１可以看出，
相对于
传统油料作物，微藻的产油量最高［１２］。可见，
微藻
在取代传统油料作物方面有着广阔的前景，是制备生物柴油的较佳原料。
图１显示了以微藻为原料生产生物柴油过程中的各个技术环节：（１）优良藻株的选育；（２）
微藻的低
成本大规模培养；（３）高效低成本的微藻回收；（４）
微
藻生物油脂的提取及后续综合利用。
２
微藻生物柴油的国内外研究现状
２．１ 国
外
１９７８年，美国启动了ＡＳＰ计划，即利用微藻生
·２８·
环境污染与防治 第３５卷 第９期 ２０１３年９月表１ 各种油料作物的产油量比较Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｏｉｌ ｃｒｏｐｓ
作物产油量／（Ｌ·ｈｍ－２·ａ－１）
生产５ ４５６亿Ｌ
（平均一年的需求量）生物柴油所需的土地面积／１０７ ｈｍ２
大豆１８６．００ ２ ９３３
芥子２４５．２５ ２ ２２５
葵花子３９５．２５ １ ３８０
麻风树７８２．７５ ６９７
油棕２ ４６０．６３ ２２２
微藻３ ８７５．００～１５ ０００．００ ３６～１４１
图１ 以微藻为原料生产生物柴油的主要技术环节Ｆｉｇ．１ Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｅｇｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
产生物柴油［１３］。至１９９６年为止，研究人员采集、分离得到３ ０００株微藻，并从中筛选出３００多株极具潜力的产油藻种。其中，成功培育出的富油小环藻在实验室条件下含油量可达６０％
（质量分数，下
同）以上（是自然状态下常规微藻含油量的３～１２
倍），在户外生产条件下其含油量则可达到４０％以上［１４］。２００６年，
美国绿色能源科技公司和亚利桑
那公众服务公司建立了可利用１ ０４０ＭＷ电厂烟道中废气的商业化微藻培养系统，成功利用烟道气中的ＣＯ２培育微藻，并将其转化为生物柴油［１５］。
２００７年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头，美国十几家实验室和上百位科学家组成的联盟共同宣布了“微型曼哈顿计划”，该计划旨在２０１０年实
现微藻制备生物柴油的工业化，并在各项技术全面进展的前提下，要求将产油成本在２０１５年降至０．５３～０．７９美元／Ｌ［１６］。
２．２ 我
国
随着微藻生物柴油在国际上的兴起，我国的一些科研院所及企业机构也开始关注此方面的研究。有研究者通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其含油量是细胞干质量的５５％，是自养藻细胞的４倍［１７－１８］。近年来，
随着基
因工程技术的发展，通过基因工程技术改善微藻的产率及含油量，已成为生物柴油原料研究中的一大热点［１９］。
中国科学院植物研究所发现反义抑制磷
酸烯醇式丙酮酸羧化（ＰＥＰＣ）
酶活性可显著提高
藻细胞的脂类含量，并通过基因工程技术开发出了高产的富油藻种［２０］。目前，
山东省的中国海洋大
学、中国科学院海洋研究所、青岛科技大学、中国科学院青岛能源与过程研究所等众多科研院所都在从事微藻培育的相关研究，成功发现、筛选、培育出了数十种富油藻种，并开始尝试运用基因工程技术来改造藻种［２１］。
３
微藻培养技术
３．１
微藻培养方式
目前，微藻培养方式主要分为开放培养系统（以跑道式培养池为代表，可在跑道中实现微藻的回收和培养液的补给）和封闭培养系统（以管状光生物反应器为代表）两种［２２－２３］（见图２）。２１世纪以来，国内外学者已对跑道式培养池和管状光生物反应器的各自组成及其动态运行进行了详细研究，并对两者的各项生产指标及优缺点［２４］进行了比较，笔者就此进行了总结，结果见表２
。
３．２
实现高效低成本微藻培养的关键问题及改良
技术低成本的微藻培养是实现微藻生物柴油产业化发展的关键，也是目前亟待解决的难题。目前，微藻培养的成本过高（占微藻产油总成本的７０％以上）［２５］。微藻的培养成本主要包括：（１）
培养所消耗
的大量淡水资源；（２）
为了获得较高的藻细胞生物
量，培养过程中需投加氮、磷等大量的无机营养盐；（３）培养基中需投加有机物［２６］。
水资源匮乏也是我国实现大规模微藻培养面临的又一大难题，因此废水的资源化利用势在必行。研究发现，废水中含有的大量营养元素能满足微藻生长的需要，同时微藻还能起到水质净化的作·３８·
杨黎彬等 产油微藻培养与回收的关键技术研究进展
