微藻

微藻制备生物柴油的研究

一、微藻概述

藻类，尤其是海洋单细胞藻类，即微藻，是地球上最早的生物物种，它们中的某些物种已经在地球上生存了35亿年之久。它们能十分有效地利用太阳能将H2O、CO2和无机盐类转化为有机资源，是地球有机资源的最初级生产力，有了它们才有了大气中的氧气，才有了海洋和陆地的其他生物，也才有了人类。随着科技水平的不断提高，人口的不可逆性增长、人类生活水平的不可逆性提高、陆地资源和可耕种面积的不可逆性减少，全球性食品资源短缺压力日益增加。开发和利用海洋微藻是最长远的解决人类食品资源和能源的重要途径。因为藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的要素，而且还含有可燃性油类、各种氨基酸、多种维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其他多种生物活性物质，是人类向海洋索取食品、药品、燃料、生化试剂、精细化工产品以及其他重要材料的一把金钥匙。

微藻是一类单细胞生物，与陆地微生物相比，微藻具有如下特点：

(1)微藻具有叶绿素等光合器官，是非常有效的生物系统，能有效地利用太阳能通过光合作用将H2O、CO2和无机盐转化为有机化合物,因其固定和利用CO2可以减少温室效应。

(2) 微藻一般是以简单的分裂式繁殖，细胞周期较短，易于进行大规模培养，由于微藻通常无复杂的生殖器官，使整体生物量容易采收和利用。

(3)可以用海水、咸水或半咸水培养微藻，因此是淡水短缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。

(4) 微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，某些种类还富含油料、微量元素和矿物质，是人类未来重要的食品及油料的来源。

(5)微藻，尤其是海洋微藻，因其独特的生存环境使其能合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质。特别是经过一定的诱导手段微藻可以高浓度地合成这些具有商业化生产价值的化合物，是人类未来医药品、保健品和化工原料的重要资源。

1、小球藻简介

小球藻(Chlorella)是小球藻属绿藻门，绿藻纲，绿球藻目，卵孢藻科，小球藻属，包括大约10 个种. 小球藻细胞组成中的蛋白质含量为7.3%~88%，碳水化合物为5.7%~38%，脂类为 4.5~86%。小球藻细胞中脂类含量的增加主要是由于脂肪酸积累的结果。在氮饥饿条件下，蛋白核小球藻在生长时可形成高达86%的脂类，而在正常的小球藻细胞中，脂类含量为25%。在正常和氮饥饿条件下生长的小球藻在脂肪酸组成上没有明显的差异。此外，小球藻的异养培养技术，特别是高细胞浓度培养技术的研究得到了较深入的发展，这对于我们制备生物柴油需要高生物量的微藻来说，也是具有重要价值的。

2、微藻油脂

美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小球藻”，其利用“工程微藻”生产生物柴油，为生物柴油生产开辟了一条新的技术途径。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A 羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC 基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC 基因引入微藻中以获得更高效表达。在国内，清华大学吴庆余,缪晓玲等也报道利用微藻快速热解的方法制备生物柴油。

利用微藻或“工程微藻”生产生物柴油的优越性在于：微藻生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧

时不排放有毒害气体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境，发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是生产生物柴油的一大趋势。

二、微藻油脂制备生物柴油

2.1微藻培养与油脂制备

选用的材料小球藻,由美国Texas大学提供。小球藻置于26℃(±1)光照培养箱中通气培养,光强为40μmol·m-2·s-1。自养小球藻培养在标准培养基中,通过光合作用进行自养生长,从而获得绿色的自养小球藻。通过改变标准培养基中的营养成分,即将甘氨酸成分降至0·1g·L-1,另加入10g·L-1葡萄糖,原来绿色的小球藻细胞便通过吸收葡萄糖进行异养生长,从而获得黄色的异养小球藻。待异养藻细胞生长到对数期后期时,离心收集藻细胞,然后冷冻干燥并制备藻粉。藻细胞的脂类含量测定参考Miao等的方法。异养小球藻油脂制备方法是先将藻粉于研钵中碾磨,然后用正己烷抽提。微藻油脂的皂化值和酸值的测定参考Vicente等的方法。

2.2酯交换反应

由于微藻油脂的酸值较高(8·97mg(KOH)/g)即含较多的游离脂肪酸,不宜使用碱催化,因此本实验采用酸催化(浓硫酸)酯交换反应制备生物柴油。反应条件设定如下:4种硫酸用量(为原料油的25%、50%、60%、100%);6种醇油物质的量比(25∶1、30∶1、45∶1、56∶1、70∶1、84∶1)以及3个温度范围(30、50、90℃)。在所有实验中油的用量均为9.12g。反应混合物包括微藻油脂、甲醇和浓硫酸。反应物加热至一定温度,并在所设置的反应时间点终止反应,然后将反应液转移至分液漏斗中静置、分层。

2.3生物柴油产率的计算

将分层得到的上层粗制生物柴油先用等量的石油醚洗涤,离心12000r/min,10min,取上层有机相并用两倍体积的50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明。分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,在旋转蒸发仪上将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品生物柴油。将产品生物柴油称重,并以所用的微藻油脂重量为基准计算生物柴油的产率。

2.4生物柴油的分析

分析了生物柴油的密度、粘度、热值、酸值、凝点及冷滤点等。利用vario-EL元素分析仪测定生物柴油的C、H、O、N元素组成。

三、结果和讨论

3.1微藻油脂的酯交换反应

采用酸催化进行酯交换反应生产生物柴油,同时研究了不同温度、催化剂量及不同醇油物质的量比对生物柴油产率及其密度的影响。表1显示了在不同的温度和催化剂(H2SO4)用量条件下微藻生物柴油产率和密度的变化。从表1中可看出,在50℃条件下可获得较高的生物柴油产率,而较低密度的生物柴油则是在90℃下获得。在相同的温度条件下,催化剂用量为100%时可获得较低密度的生物柴油。最低密度的生物柴油则是在90℃、催化剂用量为100%的条件下获得。但在该条件下的生物柴油产率却最低,这可能是由于高温、高浓硫酸用量会使一些微藻油脂被烧焦,从而使产率降低。催化剂用量为100%条件下,30℃和50℃时的产率及密度没有很大差异(表1),因此从降低成本的角度考虑,微藻油脂的酸催化酯交换反应条件为30℃、100%的催化剂用量较为合适。在此基础上,研究了不同甲醇用量对生物柴油产率及密度的影响。