藻中提取生物柴油

生物柴油
生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻 等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交 换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生 物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂 肪酸的单烷基酯。生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合 物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种 类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。
国内外研究现状
2、澳大利亚现状 2009年底，笔者有幸从澳大利亚墨尔本获得澳大利亚的 “富基绿色 新能源生物柴油(Fulifuelblodiese1)”项 目的资料，从中得知，该项目进 行了大量的藻类优良品种筛选工作，在5×10多种海藻中，最终精选出脂 质含量高的3个优秀品种，a)微拟球藻(Nannochloropsissp)，其脂质含量 为净重的31％～68％；b)裂殖壶菌(Schizochytriumsp)，其硅藻脂含量为 净重的50％～77％；C)布朗葡萄藻(Botryococcusbraunii)，其硅藻脂质含 量为净重的25％～75％。这3种微藻中，以微拟球藻最优，因为其抗菌力 强，生命力顽强；易于生养，培育简单，处理方便；咸水物种；高脂质含 量(脂质达净重的70％)。
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海藻生产和海藻油提取
• 藻类的厚壁孢子具有坚韧的细胞壁，会阻碍对细胞内生物质的提取。 因此在提取海藻油前，必须对海藻细胞进行破壁处理。超声波法或超 微加超声法是目前实验室对藻细胞进行破壁的常用方式，且破壁效率 高，一般细胞破壁率都可以达到95% ~ 98%。在海藻生物柴油工厂采用 这类破壁方法存在两个主要问题，一是设备昂贵，二是能耗高。 • 采用机械破壁法、物理法和酶解法对螺旋藻进行破壁试验证实，机构 法的破壁效果较好且易操作，而研磨法是螺旋藻细胞的最佳破壁方法 ，在胶体磨和匀质机上进行螺旋藻细胞的破壁试验效果更理想。
国内外研究现状
美国的Earthrise公司还在加利福尼亚州的浅海区域培殖蓝绿 藻，这种水藻的蛋白质成分很高，营养价值丰富，是地球上最能有 效吸收CO2，并释放出0，的植物。它所需要的高浓度 CO，完全 来 自工厂所排放的废 气。 海藻生长成本比陆生植物低 (全球石油俱乐部评估结果表明1 公顷海藻能生产9．6X 104L生物柴油，1hm 2油椰子能生产 6．0×10L生物柴油，1hm2大豆只能生产446L生物柴油) 。
海藻生产和海藻油提取
• 采用化学溶剂萃取油脂的生产工艺广泛应用于油脂加工业。由于破壁 藻液含油量约每立方米1 ~ 2 Kg，采用化学溶剂直接对破壁后藻液萃 取海藻没效率低，因此需对藻液先进行过滤、离心，去除大部分水分 后，再进行干燥和破碎处理，经以正己烷为萃取溶剂的萃取装置对破 碎后的海藻粉进行萃取，即可得到海藻油。采用化学溶剂萃取海藻油 技术成熟，有成套设备可供选用。其缺点是对化学溶剂进行回收需要 消耗热能，提高了成本。 • 超临界液体萃取技术是近年化工分离中的一种新型分离技术。超临界 二氧化碳萃取是采用二氧化碳作溶剂，超临界状态下的二氧化碳流体 密度和介电常数较大，对物质溶解度大，并随压力和温度和变化而急 剧变化。因此，不仅对某些物质的溶解度有选择性，且溶剂和萃取物 非常容易分离。超临界二氧化碳萃取特别适用于脂溶性、高沸点、热 敏性物质的提取，且有提取率高且能耗较低，全过程不用有机溶剂， 萃取速度快的特点。目前，国内外尚没有真正用于油脂工业的成套生 产设备，其原因是，同样处理能力的装置，超临界萃取装置的投资远 大于正己烷萃取装置，且萃取过程也需要消耗热能。
藻类中提取生物柴油
从水藻、海藻中提取柴油？ 听起来有些像天方夜谭
藻类中的一个门类叫微藻，这类藻能通过光合作用，在体内产生油脂。 它们的含油量很高，有些藻体内的油脂要占到体重的70%。微藻还有 一个特性，就是要吸收二氧化碳，通过光合作用来“产油”。
用微藻来制造能源的同时，还能减少二氧化碳排放，可谓一举两得。80年代，美国能源部在加州沿海建立海底农场，专门种植多年 生的巨藻，1978年至1996年，美国能源部为向海藻再生开发燃油的项目 投资。 •2010年实现微藻制备生物柴油工业化，计划到2015年将生产成本降至 0.53美元/L~0.6美元/L。 •近年来，美国政府和各大石油公示大力支持和支助从事海藻再生能源的 研究机构，使该技术突破性的进展，应用现代生物工程技术，寂静开发 出含油率超过60%的工程海藻，实现了海藻油脂的提取和生物柴油的制 造。
“工程微藻”法
• “工程微藻”生产柴油，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。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“ 工程小环藻”。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。利用“工程 微藻”生产柴油具有重要经济意义和生态意义，其优越性在于：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。 21世纪合成生物学的兴起，采用基因重组技术、转基因技术、计算机辅助设 计、基因人工合成与次生代谢工程等将富产油藻类细胞进行生物炼制的合成 生物技术 - 基于系统生物学的基因工程改造代谢途径等，使油含量增加， 以及分泌到细胞外等，美国文特尔公司已得到几亿美元的投资，一旦成功产 业化将带来石油与汽车工业的一场变革。
国内外研究现状
3、国内现状 虽然起步较晚，但在微藻大规模培养方面走在世界前列。养殖的微藻 种类包括螺旋藻、小球藻等。中科院海洋研究生获得了多株系油质含量在 30%~40%的高产能藻株，微藻产油取得了重要成果。 中国海洋大学创建了海藻类种子资料库，已收集600余种海洋藻类种 子资料，保有油脂含量接近70%的微藻品种。 藻类物质在无氧环境中形成纯碳。碳作为有机肥 料再用于未来的藻类培 养。这种循环链能够实现碳封取得了重大技术突破。
未来的发展
1、利用海藻生物消化CO2 如，马尾藻等会再1h内倡导10cm长，其间，由于光合作用，及时 CO2，释放CO2。这些海藻在被收成后可以转化成为升华燃料等有用 物质。 2、海藻生物柴油生产的附产品 从海藻中提取生物柴油后，残留物富含蛋白质，能加工成动物和鱼 类的饲料，食物和制药产品等多种附产品；藻类物质通过微生物的消 化，还能产生藻气，提供新的能源。 3、培养优质的藻类品种 通过调整藻类基因，是脂类及其它特定产品的产量最大化，转基因 品种与自然生产品种相比，在回报方面具有潜在的优势。
海藻中的胺基酸及脂肪酸
一些食用海藻如紫菜、掌藻、石莼及石发等有较多的蛋 白质，约为藻体干重的20 ~ 39%。海藻含有二十余种人体 必需的胺基酸，重要的是大部分种类都有含硫胺基酸，如 牛磺酸、甲硫氨酸、胱氨酸及其衍生物，每一百克干重藻 体的含量约在41 ~ 72 毫克之间。除母奶、鸡蛋及豆类含多 量的牛磺酸外，一般陆上食物蛋白质的含硫胺基酸大都不 足或缺少，摄取不足时，会影响人体健康。
核酸 蛋白质 碳水化合物 脂质
绿藻 四尾栅藻
二形栅藻
螺旋藻 聚球藻 柱胞鱼腥藻
海藻
海藻是生长在海中的藻类，是植物界的隐花植物，藻类 包括数种不同类以光合作用产生能量的生物。它们一般被认 为是简单的植物，主要特征为：无维管束组织，没有真正根、 茎、叶的分化现象；不开花，无果实和种子；生殖器官无特 化的保护组织，常直接由单一细胞产生孢子或配子；以及无 胚胎的形成。由于藻类的结构简单，所以有的植物学家将它 跟菌类同归于低等植物的“叶状体植物群”。
结论： 结论：
微藻资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占 用耕地。它的光合作用效率高，生长周期短，单位面积年产量是粮 食的几十倍乃至上百倍。微藻脂类含量在20％至70％，是陆地植物 远远达不到的，不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产 H2， 的新原料。在使用秸秆生产乙醇汽油之后，利用微藻生产生物柴油 则是现在最新的“绿色”燃油技术。
海藻中的胺基酸及脂肪酸
海藻的脂肪酸量很少，约占1 ~ 5%，但有些特殊脂肪 酸对人体健康有很大的影响。海藻除含有少量动物及高等 植物常见的棕榈酸、肉豆蔻酸、月桂酸及硬酯酸等饱和脂 肪酸外，大部分为不饱和脂肪酸，如海带、羊栖菜及裙带 菜含有油酸、亚麻油酸及次亚麻油酸。后两者是人体必需 的不饱和脂肪酸。
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海藻光生物反应器的工业化开发
• 海藻生物柴油的生产过程主要包括海藻大规模培养、海藻油萃取、脂交换反 应、生物柴油后处理4个步骤，而最重要的是海藻大规模培养。海藻光生物 反应器已成为高效、快速、大量培养藻类的关键设备，多个国家在开发研制 新型高效光生物反应器及海藻高密度培养的应用研究方面都取得了突破性进 展，采用工业生物技术对海藻进行物质转化，大规模工业化生产海藻生物柴 油已成为可能。 海藻光生物反应器一般分为开放式和封闭式两种类型。开放式光生物反应器 即开放式养殖池培养系统，其结构简单、容易放大、成本低、比表面积小、 光能利用率低。培养特点是对生长参数难以控制，培养环境不稳定，容易污 染，不能实现无菌培养，产率较低，二氧化碳利用率低。目前采用这种生物 反应器的公司主要包括：新西兰的Aquaflow Bionomic公司；美国的Aurora BioFuels公司、PetroAlgae公司、PetroSun公司；英国的AlgaeVS公司；墨 西哥的BioFields公司和以色列的Seambiote公司 封闭式光生物反应器是用透明材料组建的一类生物反应器，除了能采集光能 外，其他诸多方面与传统的微生物发酵用生物反应器相似。封闭式光生物反 应器培养条件稳定、可无菌操作、容易进行高密度培养。封闭式反应器有多 种形式，如发酵罐式、管式、平板式和柱状气升式等。封闭式光生物反应器 结构复杂、放大较难、成本较高、比表面积大、光能利用率高。培养特点是 生长参数容易控制，培养环境非常稳定，容易控制污染，能够实现无菌培养 ，产率较高，二氧化碳利用率较高。