藻类异养转化制备生物油燃料技术
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图# 自养和异养小球藻分别在激光共聚焦显微镜下
和微分干涉显微镜下 （& ， 的示意图 （$ ， %） ’）
A#自养小球藻具叶绿素荧光； P#异养小球藻不具叶绿素荧光； E# 自养小球藻细胞内无明显的脂肪泡； R#异养小球藻细胞内
充满脂肪泡
0#) 生物质燃油的分析
利用薄层层析方法和 @A5BCDEAF *GH! 仪
表"
元素组成 和物理特性 （. ） * （. ） ) （. ） 5 （. ） 6 （. ） O 密度 （;< : = ） 木材
!"# 利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得高产
量的生物油 实现快速热解的基本条件是超高加热速率、 超短反应时间和适中的温度 （$%& ’左右） ， 因此本 实验将温度设置在典型的快速热解温度 $&& ’ ， 以研究自养、 异养小球藻快速热解的一些特性。 （)* ） 和自 养 小 球 藻 图 ( 所示为异养小球藻 （+* ） 快速热解的产物比率。
从图 ( 可以看出利用通过异养转化获得的 高脂肪含量的藻细胞进行快速热解，获得了 （. 藻干重） 的产油率， 是自养藻细胞产油率 $,-(. （/0-0.） 的 !-1 倍。 由于反应过程中有相当一部分 藻粉粘附在反应器壁上，未完全反应并形成结 块，同时冷却系统不能有效地将产物冷凝收集， 也使油产量降低。通过热解设备的改进以及热解 条件的优化，有望使异养藻生物油产率达到
可再生能源
（ 总第 &&( 期） !""#.#
实 用 技 术
藻类异养转化制备生物油燃料技术
! 缪晓玲 &， ，吴庆余 &
（&.清华大学 生物科学与技术系，北京 &"""’#/ !.福建宁德师范高等专科学校 生物系，福建 宁德 摘
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要：通过异养转化细胞工程技术获得了高脂肪含量的异养小球藻细胞， 其脂类化合物含量高达细胞干重
基金项目：国家 “’(% ” 项目 （!""&))*&#"+" ） ； 国家自然科学基金重点项目 （#"%%!"!! ） 作者简介：缪晓玲 （&,(#$ ） ， 女， 副教授， 清华大学在读博士研究生， 主要从事生物科学的研究。
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实 用 技 术
变其培养基的化学成分使其生长方式改变而进 行自养或异养的绿藻， 通过异养转化可获得高脂 肪含量的异养小球藻。将这种异养转化细胞工程 技术与快速热解技术整合， 我们研究了一种利用 藻类快速热解制备高产量生物油燃料的方法。研 究结果表明， 利用高脂肪含量的异养小球藻快速 热解 ， 获得高产量的生物油， 产 油 率 为 !"#$% （% 藻干重） ， 是自养藻细胞产油率 （&’#’% ） 的 (#) 倍。 与以往人们利用木质材料快速热解的研究相比， 利用异养转化获得的高脂肪含量的异养藻细胞 进行快速热解不仅获得高产量、 而且获得了高品 质的生物油。异养藻细胞的生物油含氧量低， 且 具高热值 （)& *+ , -.） 、 低密度 （/#$0 -. , 1） 、 低粘 度 （/#/0 23・4 ） 的特点。这些特征与化石燃油相 当， 其应用价值更高。
)0
可再生能源
（ 总第 //0 期） (%%1-1
实 用 技 术
由表 / 可知，异养小球藻生物油的沥青质含 量只为 0-41. ，比自养小球藻的沥青质含量低得 多；异养小球藻生物油的饱和烃含量达藻细胞干 重的 %-$2.， 是自养小球藻生物油的 1-( 倍。 微藻、 木材及石油的元素组成和物理特性比 较如表 ( 所示。
0#0 藻细胞的生化组成分析
藻细胞的蛋白、 脂类、 糖类、 灰分及水分等含 量的测定参考 26<. 等的方法。
0#( 快速热解
利用流化床反应器进行快速热解， 微藻用量 为 0// .， 进料速度为 ) . , :=< 。热解条件为： 反 应温度 !// 9 、 升温速率 ’// 9 , 4、 载气流速 /#) 产物停留时间 0?( 4。分别收集快速热解生 :( , > 、 物油和焦炭并称重， 然后根据焦炭和液体产量计 算产气量。所有产量计算均以藻细胞干重为基 准。
是自养藻细胞 （ ） 的 # 倍。 利用这些高脂肪含量的异养藻快速热解获得高产量的生物油，产油率为 的 **0 ， （1 藻干重） ， 是自养藻细胞产油率 （&(.(1 ） 的 %.# 倍。异养藻细胞的生物油热值高达 #& 23 4 56 ， 分别是木 *+.,1 与木材或农作物秸秆的生物油和自养藻生物油相比， 异养藻细胞的 材生物油和自养藻生物油的 ! 倍和 &.# 倍。 生物油具高热值 （#& 23 4 56 ） 、 低密度 （".,! 56 4 7 ） 、 低粘度 （"."! 89 ・ 的特点。 :） 关键词：小球藻；异养转化；脂类；快速热解；生物油 中图分类号： ;,#,.!&+ ； <;*&+.# 文献标识码： = 文章编号： &(+&$*!,! （!""# ） "#$""#&$"#
! 材料和方法 0#& 材料制备
本实验选用的小球藻材料，由美国 56734 大 学提供。 将小球藻置于 （0!8&）9 的光照培养箱中 通气培养， 光强为 )/ !:;1 （ 。自养小球藻 , :・ 4）
0
在标准培养基中培养， 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 /#& 另加入 &/ . , 1 的葡萄糖， 原来绿色的小球藻 . , 1， 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。待自养、 异养藻细胞生长到 对数期后期时， 分别离心收集藻细胞， 然后冷冻 干燥并 制 备 成 颗 粒 大 小 为 /#! :: 以 下 的 藻 粉 ， 置于干燥器中备用。
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快速热解技术可使生物质发生裂解从而得到大量 —生物油。由于生物油燃料的利用 的液化产物—— 不会造成空气污染 - 且能改善生态环境， 同时还可 以改善和缓解石油供需矛盾等，因此生物油具有 极大的利用潜力。作为工业上制备生物油燃料的 理想生物质应是高产量、 低成本的。 在众多的生物
收稿日期： !""#$"%$%&
BMFMSAPNM MFMBTU F;#)
0//) V&&’ @44W6 =< A11X
器分析生物油的族组分，测试条 件 为 ： 温 度 0& 相对湿度 0/% 。通过柱层析方法分离各组分， 9、 用正己烷溶解生物油， 静置 &0 > ， 使样品中的沥 青质沉淀。 然后过滤， 取滤液上硅胶柱进行柱层析 分离。先后用正己烷、二氯甲烷和正己烷混合液 （0I& ） 以及无水乙醇进行洗脱， 分别收集洗脱 液 ， 所得各柱层析组分分别为饱和烃、 芳烃和非烃。 饱 和烃组分再作气相色谱分析，色谱柱为弹性石英 毛细柱 CJH& （长 0! :，内径 /#00 :: ） ，柱温 升温速率 ’ 9 , :=<。 &//?(0/ 9 ， 利用 K3L=;HMN 元素分析仪测定生物油的 E、
微藻、 木材及石油的元素组成和物理特性比较
生物油 自养小球藻 异养小球藻 石油
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由表 ( 可知， 异养小球藻生物油的 * 、 ) 含量
图" 异养小球藻 （#$ ） 和自养小球藻 （%$ ） 快速热解的产物比率
分别比自养小球藻生物油的 *、 ) 含量高 ($. 和 而 5 和 6 的含量却只有自养小球藻生物油 !!. ； 的 $2. 和 7%. 。 异 养 藻 细 胞 的 生 物 油 热 值 高 达 分别是木材生物油和自养藻生物油的 17 89 : ;<， 与木材或农作物秸秆的生物油和自 ( 倍和 7-1 倍。 养藻生物油相比，异养藻细胞的生物油具有高热 值 （17 89 : ;<） 、 低密度 （%-4( ;< : =） 、 低粘度 （%-%( 的特点。这些特征与化石燃油相当， 因此其 >?・@） 应用价值更高。
!
引言 生物质是地球上最普遍的一种可再生能源，
质中，藻类具有光合作用效率高、环境适应能力 强、 生长周期短、 生物产量高的特点， 因此藻类是 制备生物油燃料的良好材料。目前有关生物质快 速热解的研究基本上都集中于木材和农作物秸秆 等方面， 未见藻类生物质快速热解的报导。 异养转化不仅可以提高藻类生物质的生长 效率、 降低其生产的成本， 而且还有利于藻细胞 内某些代谢产物的积累。小球藻是一种可通过改
O、 C、 F 元素组成。 " 结果和讨论 (#& 通过异养转化细胞工程技术获得了高脂肪含
量的异养藻细胞 非异养转化的自养小球藻细胞为绿色，在激 光共聚焦显微镜下具叶绿素荧光 （图 &A ） ； 通过异 养转化细胞工程技术获得的藻细胞叶绿素消失为 黄色， 在激光共聚焦显微镜下不具叶绿素荧光 （图 。藻细胞的生化组成分析表明， 非异养转化与 &P） 异养转化细胞的主要生化组成均为蛋白、脂类和 糖类，它们在非异养转化与异养转化细胞中分别 占 ""#Q(% 和 Q/#$&% 。然而， 非异养转化的细胞内 的脂类化合物含量仅为细胞干重的 &)% ， 而通过 异养转化的细胞其脂类化合物含量增加了 ) 倍左 右， 达 细 胞 干 重 的 !!% ， 在微分干涉显微镜下异 养转化细胞内的脂肪泡清晰可见 （图 &R ） 。 非异养 则为异养转化 转化细胞内的蛋白含量 （!0#’)% ） 细胞中的 （&/#0Q%） ! 倍左右。
和微分干涉显微镜下 （& ， 的示意图 （$ ， %） ’）
A#自养小球藻具叶绿素荧光； P#异养小球藻不具叶绿素荧光； E# 自养小球藻细胞内无明显的脂肪泡； R#异养小球藻细胞内
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0#) 生物质燃油的分析
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元素组成 和物理特性 （. ） * （. ） ) （. ） 5 （. ） 6 （. ） O 密度 （;< : = ） 木材
!"# 利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得高产
量的生物油 实现快速热解的基本条件是超高加热速率、 超短反应时间和适中的温度 （$%& ’左右） ， 因此本 实验将温度设置在典型的快速热解温度 $&& ’ ， 以研究自养、 异养小球藻快速热解的一些特性。 （)* ） 和自 养 小 球 藻 图 ( 所示为异养小球藻 （+* ） 快速热解的产物比率。
从图 ( 可以看出利用通过异养转化获得的 高脂肪含量的藻细胞进行快速热解，获得了 （. 藻干重） 的产油率， 是自养藻细胞产油率 $,-(. （/0-0.） 的 !-1 倍。 由于反应过程中有相当一部分 藻粉粘附在反应器壁上，未完全反应并形成结 块，同时冷却系统不能有效地将产物冷凝收集， 也使油产量降低。通过热解设备的改进以及热解 条件的优化，有望使异养藻生物油产率达到
可再生能源
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实 用 技 术
藻类异养转化制备生物油燃料技术
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可再生能源
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实 用 技 术
由表 / 可知，异养小球藻生物油的沥青质含 量只为 0-41. ，比自养小球藻的沥青质含量低得 多；异养小球藻生物油的饱和烃含量达藻细胞干 重的 %-$2.， 是自养小球藻生物油的 1-( 倍。 微藻、 木材及石油的元素组成和物理特性比 较如表 ( 所示。
0#0 藻细胞的生化组成分析
藻细胞的蛋白、 脂类、 糖类、 灰分及水分等含 量的测定参考 26<. 等的方法。
0#( 快速热解
利用流化床反应器进行快速热解， 微藻用量 为 0// .， 进料速度为 ) . , :=< 。热解条件为： 反 应温度 !// 9 、 升温速率 ’// 9 , 4、 载气流速 /#) 产物停留时间 0?( 4。分别收集快速热解生 :( , > 、 物油和焦炭并称重， 然后根据焦炭和液体产量计 算产气量。所有产量计算均以藻细胞干重为基 准。
是自养藻细胞 （ ） 的 # 倍。 利用这些高脂肪含量的异养藻快速热解获得高产量的生物油，产油率为 的 **0 ， （1 藻干重） ， 是自养藻细胞产油率 （&(.(1 ） 的 %.# 倍。异养藻细胞的生物油热值高达 #& 23 4 56 ， 分别是木 *+.,1 与木材或农作物秸秆的生物油和自养藻生物油相比， 异养藻细胞的 材生物油和自养藻生物油的 ! 倍和 &.# 倍。 生物油具高热值 （#& 23 4 56 ） 、 低密度 （".,! 56 4 7 ） 、 低粘度 （"."! 89 ・ 的特点。 :） 关键词：小球藻；异养转化；脂类；快速热解；生物油 中图分类号： ;,#,.!&+ ； <;*&+.# 文献标识码： = 文章编号： &(+&$*!,! （!""# ） "#$""#&$"#
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快速热解技术可使生物质发生裂解从而得到大量 —生物油。由于生物油燃料的利用 的液化产物—— 不会造成空气污染 - 且能改善生态环境， 同时还可 以改善和缓解石油供需矛盾等，因此生物油具有 极大的利用潜力。作为工业上制备生物油燃料的 理想生物质应是高产量、 低成本的。 在众多的生物
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器分析生物油的族组分，测试条 件 为 ： 温 度 0& 相对湿度 0/% 。通过柱层析方法分离各组分， 9、 用正己烷溶解生物油， 静置 &0 > ， 使样品中的沥 青质沉淀。 然后过滤， 取滤液上硅胶柱进行柱层析 分离。先后用正己烷、二氯甲烷和正己烷混合液 （0I& ） 以及无水乙醇进行洗脱， 分别收集洗脱 液 ， 所得各柱层析组分分别为饱和烃、 芳烃和非烃。 饱 和烃组分再作气相色谱分析，色谱柱为弹性石英 毛细柱 CJH& （长 0! :，内径 /#00 :: ） ，柱温 升温速率 ’ 9 , :=<。 &//?(0/ 9 ， 利用 K3L=;HMN 元素分析仪测定生物油的 E、
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生物油 自养小球藻 异养小球藻 石油
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分别比自养小球藻生物油的 *、 ) 含量高 ($. 和 而 5 和 6 的含量却只有自养小球藻生物油 !!. ； 的 $2. 和 7%. 。 异 养 藻 细 胞 的 生 物 油 热 值 高 达 分别是木材生物油和自养藻生物油的 17 89 : ;<， 与木材或农作物秸秆的生物油和自 ( 倍和 7-1 倍。 养藻生物油相比，异养藻细胞的生物油具有高热 值 （17 89 : ;<） 、 低密度 （%-4( ;< : =） 、 低粘度 （%-%( 的特点。这些特征与化石燃油相当， 因此其 >?・@） 应用价值更高。
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量的异养藻细胞 非异养转化的自养小球藻细胞为绿色，在激 光共聚焦显微镜下具叶绿素荧光 （图 &A ） ； 通过异 养转化细胞工程技术获得的藻细胞叶绿素消失为 黄色， 在激光共聚焦显微镜下不具叶绿素荧光 （图 。藻细胞的生化组成分析表明， 非异养转化与 &P） 异养转化细胞的主要生化组成均为蛋白、脂类和 糖类，它们在非异养转化与异养转化细胞中分别 占 ""#Q(% 和 Q/#$&% 。然而， 非异养转化的细胞内 的脂类化合物含量仅为细胞干重的 &)% ， 而通过 异养转化的细胞其脂类化合物含量增加了 ) 倍左 右， 达 细 胞 干 重 的 !!% ， 在微分干涉显微镜下异 养转化细胞内的脂肪泡清晰可见 （图 &R ） 。 非异养 则为异养转化 转化细胞内的蛋白含量 （!0#’)% ） 细胞中的 （&/#0Q%） ! 倍左右。