微藻生产生物柴油的前景与挑战

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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
mir ag lfrb o i s l r d c in a e d s u s d c o la id e e o u t Y ic se . o p o
Ke r s mir a g ; b o is l p o p cs y wo d : co a l l id e e ; r s e t
ca egsi pou tno co gl i isl em s pyget t ni t t e sc sbedn ,clvtnmoe hl ne rd co mi a a bo ee,w ut a ra ae tnt sa g s u ha ra i l n i f rl d t o o re i g uia o d s t i f epou tno i r h mco gl i as a et gsa g sa e sdw s em rcs. h rset o s g o t rd c o f li i a a bo s.h r s n t ti sw l a o nt a poes T epop c f i rh i o- c rl m v i ree l r s un
Z O Xn h n ,C I h o h a M F n H U i- og H Z a- u ,C a ,HA We -og EQ ag O idn ,Y i - n
(nier gR sac etr fn uta M c bo g f nsyo dct n oeeo i c ne ,F j nN r a E gnei eerhC ne d s i ir ioyo ir E uai ,C Hg f f Si cs ui om l n oI rl o l Mi t f o Le e a U i r t,C ne ui dm e nao eh o g n n ier g uhu ui 5 1 8 hn ) nv sy e t o F j nMoe F r ttnT c nl yadE g e n ,F zo ,Fj n3 0 0 ,C ia ei rf a me i o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 。
农产 品加工 ・ 学刊
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
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 .
Ma . r
文章 编 号 :1 7— 6 6 (0 2 0 — 1 3 0 6 19 4 2 1) 3 0 0 — 4
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
d i 036 0s .6 1 94 ( . 1.3 2 o :1.9 9 i n17 - 6 6 X) 0 20 . 8 s 2 0
P rp cie n h l n e n Bid e e r d c in o c o la e s e t sa d C al g si o is lP o u t fMir ag l v e o
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
A sr : Mi r ag e a e c n i e e s o e o h s r mii g f e so k 0 i de e.T i a t l e iws u o a e b t mt t c o l a o s rd a n f t e mo tp o sn e d t c s fr b o is 1 h s ri e r v e p t t r d c d l e au e o h d a c s r s a c n e eo me tma e i h rd cin o id e e o mir ag 1 n o d rt e e i r t r n t e a v n e e e r h a d d v lp n d n t e p o u t fbo is lf m c o a.I r e me tt t o r l o h
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