微藻用于新能源的研究进展

微藻生物能源研究概况

罗伟

（武汉科技大学化工学院，湖北，武汉，430081）

摘要：全球能源危机使可再生能源的开发和利用越来越受到人们的关注。与产油农作物相比，微藻凭借其结构简单、生长速度快、有较高的含油率等特点成为生物能源产业最具竞争力的选择之一。本文综述了利用微藻制备生物柴油的历程、发展以及现状。同时揭示了生物柴油的制备方法和调控微藻高产的途径。最后对微藻生产生物柴油产业的发展趋势和研究方向进行了展望。

关键词：微藻；生物柴油；制备；调控

前言

化石能源的不可再生性和使用过程中造成的环境污染使开发新能源变得非常迫切。微藻因为生长速度快，固定二氧化碳能力强，碳水化合物积累量高，近年来成为生物燃料生产的研究热点。微藻生物柴油在试验规模下容易实现，但放大到工业化生产比较困难，生产中的瓶颈问题主要是生产成本高及微藻生长速率和油脂积累量间存在着严重的矛盾。

进入2l世纪，人们对能源消耗和环境保护的观念越来越深入，可持续发展战略和能源再生战略也在全球得到确定并得以实施。生物柴油作为一种可再生、无污染的清洁能源，凭借其突出的性能，引起了世界范围内的高度关注，其中发达国家，尤其是资源贫瘠国家更是进行了大量且深入的研究。

生物柴油的主要成分为脂肪酸烷基单酯，一般是由植物油或者动物油脂经过和甲醇进行酯交换反应制得，且分子量与石化柴油相当，燃烧性能也与石化柴油类似，故成为有力的替代能源。生物柴油的研究自20世纪以来经过100多年的发展在生产的工艺上和技术上也日趋成熟。全球生物柴油的产量增长迅速，从2004年的2.196×109 L到2007年的9.841×109 L，再到2012年总产量为22.5×109 L，年增长量为2.532×109 L[1]。与此同时。世界上许多国家都已制定了生物柴油的发展规划。并且出台了相应的政策和法规，以推动生物柴油的推广和使用。

随着生物柴油生产在全球范围内的推行。生物柴油的原料也成为研究的重中之重。不同国家针对国情的不同而选择适宜的油脂原料积极发展生物柴油。美国主要采用大豆油或者脂肪酸作为原料。德国生物柴油的原料主要是菜籽油，东南亚国家大多以棕榈油为原料。我国地广物杂，目前形成了以野生树木种子和废气油脂为原料生产生物柴油的体系。然而，在全球范围内依然存在食物短缺、饥荒等问题。以大豆、油菜籽等粮油作物作为生物柴油的原料严重违背了“不与民争粮”的战略。木本植物的成长周期长，这也制约生物柴油的发展。因此，寻找和开发可再生的非粮作物作为新的原料迫在眉睫。近年来，藻类作为一种水生类的可再生资源得到广泛关注[2]。

1 微藻生物柴油的国内外研究历程

微藻生物燃料的生产已经不是一项新的技术了，美国、日本等发达国家20世纪七八十年代就认识到了微藻作为替代能源资源的巨大价值。1978—1996年，美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的”水生生物种计划”，开展了微藻生物资源普查、藻种选育及微藻规模培养等一系列卓有成效的探索工作[3]。目前美国的微藻能源公司数量已经占到世界的78 ％。1990-2000年，日本国际贸易和工业部资助的一项名为“地球研究更新技术计划”项目分离出了1万多种的微藻[4]。

欧洲微藻生物柴油的发展仅次于美国，英国碳基金公司(Carbon Trust)在2008年l0月资助启动了目前世界上最大的藻类生物燃料项目，投入了很大资金用于发展相关技术和基础设施；荷兰Algae Link NV公司于2007年10月开发出的微藻光生物反应器系统具有其他装置所没有的优点，是最先商业化的小型试验装置，且有利于降低成本。在中国，对微藻生物柴油研究最早的是Wu的团队，异养培养小球藻导致CO2的排放且成本高限制了此项目的研究。近年来，微藻生物柴油技术引起了我国政府和企业的重视，各高校和科研院所也都开展了这方面的研究，集中于微藻的筛选与培养、生物反应器设计及下游加工技术。海南绿地微藻生物科技有限公司利用CO2养殖微藻并转换成生物柴油获得成功；中国石化股份有限公司与中科院联合启动了“微藻生物柴油成套技术”项目，目标计划到2015年完成万吨级工业生产装置。然而，尽管对试验规模下微藻培养技术的研究取得的进步很大，对微藻生物柴油大规模生产的研究还处于发展阶段。

2 微藻的背景与优势

作为新型的能源原料，海藻的潜力巨大。海藻的细胞中含有初级或次级的代谢产物，化学成分复杂，其太阳能转化率达3.5 ％，可成为药品、化学品和新型燃料的潜在能源。例如，从海藻中萃取出的脂肪酸可以转化生成脂肪酸甲酯，即生物柴油；海藻在沸石催化剂的作用下可以通过热化学反应生成汽油型燃料[5]。

除了巨大的可开发性，海藻作为新型能源原料的优势也是显而易见的。海藻是水生类植物，不会占用耕地或者畜牧业面积；生长环境简单，所需养分主要是阳光、水和CO2，极易生长而且利于环保；海藻生长的周期短，而且繁殖速度快，产量非常高；海藻无根、茎、叶等，不产生无用的生物量。易于粉碎和干燥，生产工艺简单[6]。

海藻的脂肪酸分子一般有14～20个碳链，与柴油分子的碳数相近。海藻油经过酸催化酯反应，可以制成生物柴油。通过对我国海洋藻类进行全面的成分分析，大连沿海的绿藻门、红藻门、褐藻门等l3种海藻的粗脂肪含量为1.0～21.8

g/kg，湛江沿海的海藻粗脂肪含量为0.15 ％～1.17 ％，海南岛的热带海藻脂肪含量为0.18 ％～1.28 ％。研究发现，大型海藻的蛋白质含量高，且富含粗纤维，但是脂肪酸含量很低。而微藻，与大型海藻相比，具有更大的优势。在一定条件下，许多微藻能够在细胞中累积大量的储藏性三酰甘油(微藻油)。其含量最高可达到细胞干重的50 ％以上。因此，微藻因含油量高、易于培养、单位面积产量大等优点，被认为是新一代能实现完全替代石化柴油的生物柴油的原料。其主要优势为：

（1）种类繁多，目前全球鉴定的微藻种类有40000多种。且数目仍在增加。（2）生物量大且生长周期短，相比传统油料作物长达数月甚至数年的成长时间，微藻的生长速度远远高于陆生作物。一般微藻在24 h内生物量即可加倍[7]。在指数生长期的生物量倍增时间一般为3.5 h。

（3）微藻油成分与植物油相似，可成为生产生物柴油原料的替代品。

（4）大部分的微藻含油量可达20 ％～50 ％，部分微藻的含油量甚至高达干基的80 ％．不同微藻类的含油量见表l[8~10]。微藻的化学成分组成可以通过改变生长环境得到调节。在缺氮的环境下培养的微藻可获得较高的含油量。

表 1 部分微藻含油表

藻种含油率（%）布朗葡萄藻(botryococcus braunii) 25~75

小球藻(chlorella sp．) 8~32

寇式隐甲藻(crypthecodinium cohnii) 20

细柱藻(cylindrotheca sp．) 16~37

杜氏藻(dunaliella primolecta）23

等鞭金藻(isochrysis sp．) 25~33

盐生单肠藻fmonallanthus salina) >20

微绿球藻(nannochloropsis sp．) 31~68

菱形藻(nitzschia sp．) 45~47

三角褐指藻

20~30

(phaeodactylumtricornutum)

裂殖壶菌(schizochytrium sp．) 50~77

四爿藻(tetraselmis sueica) 15~23

（5）微藻可用海水培养，也能耐受干旱、半干旱的恶劣环境，不占用耕地，不响粮食作物的生产。与传统的油料作物相比，微藻需要较少的灌溉用水。微藻的生长需要吸收大量的CO2和氮化物，能够改善环境。除了生物柴油，微藻还能生产出具有较高附加值的副产品。如生物高聚物、蛋白质、色素、酒精等[11]。

以微藻为原料制生物柴油与以其他油料作物原料相比，无论是从理论含油