利用微藻制备生物能源的研究进展

第33卷第5期 唐山师范学院学报 2011年9月 Vol. 33 No. 5 Journal of Tangshan Teachers College Sep. 2011 ────────── 收稿日期：2011-04-24

作者简介：郝国礼（1988-），男，河北张家口人，唐山师范学院生命科学系学生，研究方向为植物细胞工程。

利用微藻制备生物能源的研究进展

郝国礼，刘 佳，陈 超，李兴杰

（唐山师范学院 生命科学系，河北 唐山 063000）

摘 要：结合目前能源微藻在藻种选育、影响微藻产油因素以及生产工艺方面的研究现状和微藻综合利用发展中存在的问题，综述了近年来各国在微藻能源开发方面的重要科研工作，以及微藻能源与低碳的关系，并对微藻能源开发的相关研究方向和进展进行了评述。

关键词：能源微藻；低碳；工艺流程；综合利用 中图分类号： Q 77; TK6

文献标识码：A

文章编号：1009-9115(2011)05-0040-04

Review on the Progress of Producing Bio-Energy from Microalgae

HAO Guo-li, LIU Jia, CHEN Chao, LI Xing-jie

(Department of Life Science, Tangshan Teachers College, Tangshan 063000, China)

Abstract: This review provides a brief overview on the screening and cultivation of the Microalgae, the factors influencing

oil-producing of Microalgae, the research on the current production condition, and the problems existing in the comprehensive utilization of microalgae. Here, we review the global research progress of microalgae energy in recent years, and the relationship between microalgae energy and low carbon.

Key words: energy microalgae; low-carbon; process technique; comprehensive utilization

世界经济的现代化，得益于化石燃料的开发与应用。然而，由于人们的过度开采，化石燃料终将会枯竭。化石燃料的利用，也造成环境的严重污染，因此，清洁、可再生能源的开发成为了各国研究的重点。目前专家学者研究的主要范围包括风能、水能、太阳能、生物能源等。生物能源是可再生能源的一种，它具有潜在大规模替代汽油和柴油的可能性，因此一直是国内外研究的热点。到目前为止，生物能源的发展已经经历了三代[1]。第一代生物能源是以玉米为主要原料生产乙醇。第二代生物能源以秸秆、枯草等非粮作物中的纤维素为主要原料，生产乙醇、纤维素乙醇和生物柴油等。第三代以产油微生物为主，其中又以海水微藻的研究最多。某些微藻因含油量高、易于培养、单位面积产量大等优点，而被视为新一代甚至是唯一能实现完全替代石化柴油的生物柴油原料[2]。René Wijffels 和 Maria Barbosa 预测，藻类可能在未来的10~15年中成为燃料给料的一个重要来源[3]。

微藻生物质与能源植物相比，具有光合作用效率高、生长周期短、生物质产量高的优势。在同样条件下，微藻细胞

生长加倍时间通常在24h 内，

对数生长期内细胞物质加倍时间可短至3.5h ，生物质生产能力远远高于陆地能源植物。就单位面积的产油量计算，微藻产油可达陆地油料作物产油量的30倍。微藻还可以利用盐碱地、沙漠、海域来养殖，存在不与粮争地及不与人争粮的巨大优势。获得大量的微藻生物质是微藻生物能源发展的首要前提，而优良的微藻种质是提高微藻生物质产量、降低原料成本的关键。产油量较高的部分藻类含油量占干重的比例分别是小球藻（Chlorella sp.，

28%-32%）、葡萄藻（Botryococcus ，25%-75%）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum ，20%-30%）、杜氏盐藻（Dunaliella primolecta ，23%）等[4]。

1 微藻与低碳

从可持续发展的角度来看，利用微藻实现CO 2的减排符合自然界环保、经济、彻底的循环模式。因此藻类制备生物燃料成为了一种CO 2减排及利用的新方式。

陈明明等人利用诱变育种技术对用来固定CO 2的微藻进行育种，获得耐受高CO 2浓度、可高效固定CO 2的斜生

郝国礼，等：利用微藻制备生物能源的研究进展

栅藻突变株WUST-04，并成功的在5 L的光生物反应器中初步研究了该微藻的固碳工艺[5]。随着这方面的研究成果的不断发展，微藻固碳产油技术必定成为将来CO2减排的主要途径。

2 影响微藻生长及油脂积累的主要因素

2.1 营养条件

国内外大量研究表明：正常情况下，来自不同种类的产油微藻大多数油脂产率较低。在营养胁迫条件下，细胞分裂停止而细胞继续积累油脂。葡萄藻（Botryococcus braunii）在氮饥饿压力下其油脂含量可从46%增加到54%[6]；杜氏藻（Dunaliella salina）在适度盐度胁迫下，油脂含量可以从60%提高到70%[7]；而小球藻在高铁离子浓度胁迫下，中性脂含量也可提高到56.6%[8]。硅缺乏会导致新吸收的碳更多的用于脂类合成，并且之前吸收的碳逐渐由非脂类化合物转化成脂类[9]。虽然营养胁迫可能会增加微藻油脂的含量，但会使细胞总数及培养液油脂产率减少。因此，微藻首先在没有限制条件的情况下生长，待微藻生长到稳定期后，再在胁迫条件下培养。此法虽然一定程度上限制了微藻生长速率，但使微藻积累了营养物质，因而并不减少生物量。

2.2 温度

温度对油脂的积累的影响是随藻种不同而不同的，并且影响的变化也是不一致的。近些年来温度对微藻积累油脂的影响的研究不是很多，李文权等人研究表明温度对微藻的脂肪酸组成及其不饱和度影响差别较大，随着温度的升高，球等鞭金藻、盐生杜氏藻、三角褐指藻TPUFA百分含量下降，TMUFA和TSFA百分含量提高；而小球藻的TPUFA、TMUFA百分含量和脂肪酸平均双键数随温度上升先减少后增大，于20℃左右有最小值。TSFA百分含量则是先增加后降低[10]。由于温度低会导致微藻的生物量减少，从而影响PUFA的总产量，所以，在生产过程中先将微藻在最适温度下培养一段时间，再转入低温中使其积累较高的PUFAs[11]。

2.3 光照

光是微藻培养中影响其生长及生化成分变化的重要因子之一。研究表明光照对油脂的积累影响是不一致的。一般而言，低光强能诱导极性油脂的合成，而高光强则能导致中性油脂的积累[12]。廖启斌等报道三角褐指藻和小球藻TUFA 含量随着照度的增加呈下降趋势[13]。而孙丽芹等报道一定范围内高光照有利于TUFA的积累，尤其有利于DHA和亚麻酸含量的增加，但是过高的光照反而不利于不饱和脂肪酸含量的增加[14]。

3 微藻产油研究方法

3.1 产油微藻的选育

1978-1996年，美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的“水生生物种计划”，从3 000余种微藻中筛选出300多种油脂含量较高的微藻。1990-2000年，日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目，耗资近3亿美元，分离出10 000多种微藻，并筛选出多株耐受高CO2浓度和高温、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种。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。

图1 微藻能源生产流程

产油微藻大多是生长在海洋，要从海洋中得到一株高产油脂的微藻首先要进行微藻的分离和纯化。微藻分离的几种常用方法有样品系列稀释法、水滴分离法、微吸管分离法、固体培养基分离法等[15]。

对微藻细胞中产油量的定性定量分析研究，有些专家提出了用尼罗红进行染色分析[16]。随着近几年研究的深入，郑晓东等人发明了一种快速筛选高油脂含量微藻的方法，在96孔板上用不同培养基种类和浓度条件对水样进行分离培养，采用酶标仪检测490nm处的吸光值来快速反应藻类的生长情况，采用荧光染料尼罗红进行染色检测藻类体内的油脂的含量，最后筛选出生长速度快、含油量高的微藻[17]。

对藻株进行诱变筛选是获得优良藻种的另一条途径。向文洲等通过对绿球藻进行诱变，不但提高了其在极端适应条件下的生长速率，而且使其在未充分诱导条件下的含油量达到了46%[18]。

随着藻类生物学相关研究的不断深入，利用现代分子遗传技术对藻株进行遗传改造已成为可能。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已经展现出了初步的应用前景。如美国选育的转 ACCase基因硅藻藻株Cyclotella cryptica和Navicula saprophila。

3.2 微藻的培养

微藻培养技术是影响微藻生物质合成速率的另一关键因素。目前藻类培养主要包括自养和异养两种方式，其中以