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微澡生物柴油论文

微藻生物柴油的发展前景及研究方向

摘要：

化石燃料是当前人类使用的主要能源，但其日益消耗殆尽，同时造成了严重的温室效应和环境污染问题，因此，生物柴油被当作化石燃料的绿色替代品，这种可再生的碳中性的能源对于环境和经济可持续发展是必要的．而微藻因含油量高，生长速率快，能利用温室气体CO2等优势，成为制备生物柴油最有潜力的原料之一。

该文介绍了生物柴油的优势，阐述了微藻作为生物柴油原料的优越性，对在微藻生物柴油技术国内外现状及面临的问题和今后的研究方向进行了综述和展望。

关键词：

生物柴油微藻可再生能源

综述：

随着能源安全和环保问题日益严峻，开发利用环境友好的可再生性能源迫在眉睫。

目前，可替代石油产品的可再生能源主要是生物乙醇和生物柴油。

生物乙醇在国内外的发展已具有一定规模，尤其是利用非粮作物（如木质纤维素等难于水解的生物质）为碳源生产乙醇具有广阔的发展前景，但在低成本生产技术方面一直难以有重大突破。

近年来，生物柴油作为化石能源的替代品，已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源，但制约其大规模发展的关键问题是原料严重不足。

近年来，人们普遍认为微藻光自养生长过程合成的油脂是一种极有希望制备生物柴油的原料。

1.生物柴油的优势和缺点

生物柴油是以生物体油脂为原料，通过分解、酯化而得到的长链脂肪酸甲酯，是一种可以替代普通柴油使用的环保、可再生能源。

生物柴油的油脂原料来自植物油脂（大豆油、玉米油、菜籽油、棕榈油等）、动物油脂（各种动物脂肪）、微藻脂肪酸以及废弃食用油（地沟油）等。

生物柴油作为化石燃料的替代品，与化石柴油及燃料乙醇等其他液体燃料相比，有突出的特性：

生物柴油不含石蜡，闪点高，燃烧性能和效率要高于普通柴油，使用时更安全；同时可以通过种植、养殖或培养源源不断地得到，因而属于可再生资源；生物柴油产品中含硫和氮较少，可以减少产生S02和NO对大气的排放量。

以淀粉类作物和木质纤维素类物质发酵产生的燃料乙醇，燃烧后尾气排放污染小，但其热值只有普通汽油的2/3，比柴油更低，且乙醇易吸水使燃烧值下降。

由于生物柴油具有其他生物质燃料不可比拟的优良特性，世界各国纷纷开展生物柴油原料的研发和产业化工作，以替代储量日益减少且严重污染环境的化石燃料。

表1生物柴油和石化柴油的性能比较[1]

Table1Comparisonbetweenbiodieselandpetroleumdieselusedasfuels

生物柴油也有它的缺点，主要有：

价格太高；贮存性能差；易变质；粘度较高；在气候寒冷地区使用受到影响。

2.微藻生物柴油的优越性

2.1微藻产油率高

微藻的光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高，这是其它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。

如种植油菜、大豆、玉米等作物来生产可满足美国交通燃油需求量50％的生物燃料，所需种植面积均超过美国现有耕地总面积（1.2～8.5倍），而培养微藻来生产生物柴油所需面积仅为美国现有耕地总面积的1.1％～2.5％（见表2）。

表2不同作物产油率[2]

Table2Oilyieldratefordifferentplants

注：

生物柴油的产率约为80%，即100L油类能转化为80L生物柴油

2.2绿色环保

（a）微藻可以旺盛地消耗高浓度的CO2和NO2，这些火力发电厂的污染物能作为微藻的营养。

来自化石燃烧发电厂的废气可以直接通入微藻生产设备，此举能显著提高生产能力和清洁空气。

微藻利用光合作用固定CO2，将光能转化为化学能的形式储存于油脂，我们利用油脂生产生物柴油，燃烧后产生CO2和水，这一过程不会增加CO2的净排放量。

因此，这是一种可再生的能源而且不会增加CO2的净排放量。

（b）微藻光自养培养过程可利用废水中的N、P等营养（我国的废水营养化问题尤其严重），从而可降低水体的富营养化。

2.3具有潜在的价格竞争优势

目前报道中的微藻生物柴油生产最低成本约为$3/L，其中后处理精炼过程占一半。

大规模工业化生产后成本可降低一半，通过精炼过程的改造和使用新型催化剂，再加上高价值副产物的提取，其最终生产成本完全能降低到一个可以接受的程度，并最终使微藻生物柴油在价格上具有竞争优势。

2.4不占用耕地

不与农作物争地、争水。

微藻可利用滩涂、盐碱地、荒漠以及海水、盐碱水和荒漠地区的地下水等进行大规模培养。

我国18000km海岸线上有着大片滩涂和湿地，非常适合微藻的大规模养殖和循环利用。

2.5后处理条件低

微藻个体小、木质素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻来生产液体燃料所需的后处理条件相对较低。

3.微澡生物技术的国内外现状[3]

3.1国外情况概述

利用微藻生产生物能源并不是一个新的研究方向。

1978-1996年，美国能源部就资助了一个利用微藻生产生物柴油的项目“水生物种计划——藻类生物柴油”（“AquaticSpeciesProgram——BiodieselfromAlgae”，简称“ASP”），在能源微藻藻种筛选方面做了大量工作并在户外敞开池大规模培养方面做了一定的尝试。

从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目。

该项目利用微藻来固定CO2，并着力开发密闭式光生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2来生产生物能源。

该项计划共有大约20多家私人公司和政府的研究机构参与，10年间共投资约25亿美元，筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立起了光生物反应器的技术平台以及微藻生物能源开发的技术方案。

2006-2008年，石油价格一度大幅上扬，大大刺激了微藻生物柴油产业化技术的开发，美国等发达国家的政府和企业在该领域纷纷投入大量资金并计划投入巨资进行中试和产业化，在国际上掀起一股势不可挡的开发热潮。

3.2国内的发展现状

我国过去所开展的微藻光自养培养研究，大多关心具有营养价值及生物活性的物质，很少关注藻细胞内的油脂含量，仅有少量研究涉及藻细胞内的多不饱和脂肪酸。

从生物柴油角度开展能源微藻的藻种筛选及其光自养培养技术方面的研究仅是近年来的事，目前大多处于实验室阶段，但已得到很多机构的重视。

4.面临的问题及解决方案

4.1生产的经济性

生产的经济性是利用微藻生产生物柴油所要面对的最大问题，当然，我们不能仅仅从经济效益方面来考虑生产，我们还要明白，环境效益和社会效益也是极其重要的。

通过不懈的努力，运用多种技术手段：

生物反应器，基因工程，代谢工程和系统生物学等方法。

我们有理由相信最终能解决生产的经济性问题。

4.2对微藻生产生物柴油的接受程度

人们对微藻生产生物柴油的接受程度，主要是对微藻生物柴油品质及对动力性能的担忧，害怕对发动机产生不良影响和造成使用成本增加。

因此，要严格制定和规范微藻生物柴油生产及合格成品油检验标准并严格执行。

在大规模使用微藻柴油前，要进行试验并由权威研究机构全程参与，研究分析并给出可靠结论，还要通过宣传使大家了解和接受微藻生物柴油。

如有可能，还可对使用生物柴油的用户进行补贴。

4.3精炼过程复杂且效率低

微藻培养过程中除了产油外，还会产生多种不饱和脂肪酸和其他物质如蛋白质等，这些物质会对后处理精炼过程产生影响，影响生物柴油的品质和增加生产成本，因为后处理精炼过程成本占生产成本的一半以上。

人们可利用石油炼制过程取得的成果，开发更适合生物柴油生产使用的催化剂和生产工艺，提高催化效率，降低成本以及提高生物柴油品质。

5.微藻生物柴油的研究方向

要满足市场对生物柴油的需求，就必须尽可能提高微藻产量及细胞内油脂含量。

目前的研究主要集中在以下四方面：

（1）基因工程改造藻种。

藻种的基因改造主要有三方面：

a）提高藻细胞的含油量。

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶PEPC存在于所有光合生物中，是光合作用过程中的关键酶，乙酰辅酶A羧化酶ACCase是脂肪酸生物合成途径的关键限速酶，ACCase和PEPC的相对活性影响着脂类代谢途径的走向，对这两种酶基因进行改造构建高油藻种是该领域的研究热点[4]。

b）改变微藻的营养方式。

目前只有少数藻种可进行异养培养，通过基因工程手段能使原先专性自养生长的微藻在有机碳源存在时异养生长。

c）提高藻细胞对抗营养和氧胁迫的能力从而提高生物质产量。

（2）反应器的改进。

户外大规模培养微藻主要为池塘系统和密闭式光生物反应器，由于光在培养液内的不均匀分布，使得光能转化率及藻体产量都受到限制。

对反应器的改进主要有四方面：

a.增大反应器的比表面积。

b.增强气液传质效率。

c.提供高效光源。

d.提高光传递效率。

C.U.Ugwu在反应管内安装搅拌器，使细胞在液流带动下可以快速在明暗区间转换，解除了藻体在强光区的光抑制效应同时也改善了在暗区光照不足的情况，提高了微藻生物量[5]。

用气升泵鼓气加速培养液混匀也是反应器改进的成功例子，但是管式反应器由于CO2消耗，溶氧水平升高以及pH上升等问题[6]，反应管不可能无限制延长，一般小于80m.。

为了提高光合效率，除利用自然光照外，还可在反应器中安装发光二级管、光导纤维等人工光源，光源的位置可分为外置式和内置式两种。

（3）利用代谢工程对微藻生长进行调控。

通过代谢工程对培养条件进行优化，发现在低氮培养基中藻体的油脂含量会明显升高，而且盐浓度和铁离子也影响细胞内油脂积累[7]。

采用补料分批发酵方式异养培养Chlorellaprotothecoides，为解除底物抑制，以补料方式使培养液内的葡萄糖浓度始终小于24g/L,最终藻体密度高达51.2g/L[8]。

此外，利用前期自养，后期异养的混养方式培养小球藻，生物量可达108.0g/L，油脂含量为细胞干重的52%[9]。

（4）技术集成降低成本。

微藻制备生物柴油的过程中，收获藻体，细胞干燥，裂解和抽提油脂的花费占柴油生产总成本的40%～60%，目前通过技术集成化繁为简，用有机溶剂与培养液共混，使细胞内油脂连续被抽提至有机相，而藻细胞仍能保持良好的生长趋势，经蒸馏分离有机溶剂和油脂，有机溶剂还可重复利用以降低成本[10]。

结束语：

在国际原油价格一路飙升的大环境下，世界各国纷纷将目光投向可再生替代能源的研发利用上来，生物柴油也以其独特的优势，越来越受到重视。

与其它生物柴油原料相比，微藻具有生长速率快，可利用零成本的空气和光合成有机质，在碳循环中不产生净增长，油脂含量高等诸多优势，所以利用“工程微藻”生产生物柴油有很广阔的前景，但要真正代替化石石油还有很长的路要走。

参考文献：

[1]生物柴油利用概况及其在中国的发展思路贾虎森许亦农植物生态学报2006，30

（2）221—230

[2]未来能源安全的柱石——来自微藻的生物柴油和晶亮徐翔河南工程学院学报（自然科学版）2008年6月第20卷第2期

[3]微藻生物柴油产业技术中的若干科学问题及其分析李元广谭天伟黄英明中国基础科学·工业生物技术专刊

[4]DunahayTG,JarvisEE,RoesslerPG.GenetictransformationofthediatomsCyclotellacrypticaandNaviculasaprophila.JPhycol,1995,31:

1004-1012

[5]UgwuCU,OgbonnaJC,TanakaH.CharacterizationoflightutilizationandbiomassyieldsofChlorellasorokinianaininclinedoutdoortubularphotobioreactorsequippedwithstaticmixers.ProcessBiochem,2005,40:

3406-3411

[6]CamachoRF,AciénFG,GarcíaCF,SánchezJA,MolinaGE.Predictionofdissolvedoxygenandcarbondioxideconcentrationprofilesintubularphotobioreactorsformicroalgalculture.BiotechnolBioeng,1999,62:

71-86.

[7]MutsumiT,Karseno,ToshiomiY.Effectofsaltconcentrationonintracellularaccumulation

oflipidsandtriacylglycerideinmarinemicroalgaeDunaliellacells，JBiosciBioen,2006,101:

223–226

[8]WuQ,MiaoX.Biodieselproductionfromheterotrophicmicroalgaloil.BioresourTechnol,2006,97:

841-846

[9]吴庆余．一种从自养到异养两步培养小球藻生产生物柴油的方法[P]．中国专利：

101280328A，2008-10-08

[10]http:

//www.nni.nikkei.co.jp/FR/TNKS/Nni20080520D20HH027.htm

[11]产油微藻培养技术研究进展张芳陈欢林

[12]微藻生物柴油研发态势分析刘斌陈大明游文娟邢雪荣于洁于建荣

[13]生物柴油发展思路与政策建议李志军中国生物工程杂志ChinaBiotechnology，2008，28（6）：

141—144

[14]生物柴油原料资源高油脂的开发利用宋东辉侯李君施定基生物工程学报ChinJBiotech2008，March25；24（3）：

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[15]生物柴油的研究进展中国生物工程杂志ChinaBiotechnology,2006,26（11）:

87～90

[16]能量之源（能源卷）王修智程林：

186-192

[17]节能减排基础知识张旭亮黄继昌：

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