郝国礼 刘佳 陈超 李兴杰 姜峰
（唐山师范学院生命科学系 唐山063000）
摘要：随着全球范围内的能源需求不断增加，化石燃料日趋枯竭，环境污染日益严重，因此开发可再生、环保的替代燃料已成为经济可持续发展最重要课题之一。微藻具有巨大的生物能源生产潜力。本文结合目前能源微藻在藻种选育、影响微藻产油因素以及生产工艺方面的研究现状和微藻综合利用发展中存在的问题,综述了近年来各国在微藻能源开发方面的重要科研工作,以及微藻能源与低碳的关系，并对微藻能源开发的相关研究方向和进展进行了评述。
关键字：能源微藻；低碳；影响因素；工艺流程；综合利用
Advances in production of bio-energy from microalgae
Hao Guoli Liu Jia Chen Chao Li Xingjie Jiang Feng
（Tangshan Teachers College, Department of Biological Sciences, 08 Technical Class）
Abstract: With the increasing demand of worldwide energy, depletion of fossil
fuels, and the increasingly serious environmental pollution, the exploration of renewable and environmentally friendly alternative fuels has become one of the most important subjects of sustainable economic development .Microalgae has enormous potential for bio-energy production. In this paper, algae species selection, factors that affect the oil-production of microalgae, current situation of production process and problems in the development of utilization are all included to review the recent scientific effort of many countries in exploring microalgae. Furthermore, the relationship between microalgae energy and low carbon life, and direction and progress of microalgae-energy were also made a comment.
Keywords: Energy Microalgae; low-carbon; Factors; Process; Utilization
1前言
世界经济的现代化，得益于化石燃料的开发与应用。然而，由于人们的过度开采，化石燃料终将会枯竭。化石燃料的利用，也造成环境的严重污染，因此，清洁的可再生能源的开发成为了各国研究的重点, 目前专家学者研究的主要范围包括风能、水能、太阳能、生物能源等。根据国际能源总署统计，生物能源是目前最被广泛使用的可再生能源。生物质能是绿色植物通过叶绿体将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物能源是可再生能源的一种，它具有潜在大规模替代汽油和柴油的可能性，因此一直是国内外研究的热点。到目前为止，生物能源的发展
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已经经历了三代[1]。第一代生物能源是以玉米为主要原料生产乙醇。第二代生物能源以秸秆、枯草等非粮作物中的纤维素为主要原料，生产乙醇、纤维素乙醇和生物柴油等。第三代以产油微生物为主，其中又以海水微藻的研究最多。某些微藻因含油量高、易于培养、单位面积产量大等优点，而被视为新一代的、甚至是唯一能实现完全替代石化柴油的生物柴油原料[2]。René Wijffels 和 Maria Barbosa预测，藻类可能在未来的10-15年中成为燃料给料的一个重要的来源[3]。
微藻生物质与能源植物相比，其具有光合作用效率高、生长周期短、生物质产量高的优势。在同样条件下，微藻细胞生长加倍时间通常在24h内，对数生长期内细胞物质加倍时间可短至3.5h，生物质生产能力远远高于陆地能源植物。就单位面积的产油量计算 ，微藻产油可达陆地油料作物产油量的30倍。微藻还可以利用盐碱地、沙漠、海域来养殖 ，存在不与粮争地及不与人争粮的巨大优势。获得大量的微藻生物质是微藻生物能源发展的首要前提，而优良的微藻种质是提高微藻生物质产量、降低原料成本的关键。产油量较高的藻类含油量占干重的比例分别是小球藻（28%-32%）、葡萄藻(25%-75%)、三角褐指藻(20%-30%)、杜氏盐藻(23%)等[4]。
2微藻与低碳
随着工业的快速发展，CO2的排放量猛增，减排CO2已经成为全世界最为关注的焦点和亟待解决的全球性问题，我国已经正式签署《京都议定书》,并承担减少CO2排放的义务。目前，国内外对CO2减排所采用的方法主要有海洋深层储存法、陆地蓄水层(或废油、气井)储存法和化学试剂处理的方法，但这些方法有可能对地下水、海洋生物圈以及气候等方面具有破坏作用，而且成本也太高。从可持续发展的角度来看，利用微藻实现CO2的减排符合自然界环保、经济、彻底的循环模式。因此藻类制备生物燃料也成为了一种CO2减排及利用的新方式。
陈明明等人利用诱变育种技术对用来固定CO2的微藻进行育种,获得耐受高CO2
浓度、可高效固定CO2的斜生栅藻突变株WUST-04,并成功的在5 L的光生物反应器中初步研究了该微藻的固碳工艺[5]。随着这方面的研究成果的不断发展，微藻固碳产油技术必定成为将来CO2减排的主要途径。
3影响微藻生长及油脂积累的主要因素
3.1营养条件
国内外的大量研究表明正常情况下，来自不同种类的产油微藻大多数油脂产率较低。在营养胁迫条件下，细胞分裂停止而细胞继续积累油脂，积累的油脂可达细
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胞干重的 35%-70%[6]。Botryococcus braunii在氮饥饿压力下其油脂含量可从46%增加到54%[7]；Dunaliella salina在适度盐度胁迫下，油脂含量可以从60%提高到70%[8] ；而小球藻在高铁离子浓度胁迫下，中性脂含量也可提高到56.6% [9]。Si缺乏会导致新吸收的碳更多的用于脂类合成，并且之前吸收的碳逐渐由非脂类化合物转化成脂类[10]。虽然营养胁迫可能会增加微藻油脂的含量，但会使细胞总数及培养液油脂产率减少，因此，Benemann等建议采用分阶段的办法，微藻首先在没有限制条件的情况下生长，待微藻生长到稳定期后，然后在胁迫条件下培养[11]。此法虽然一定程度上限制了微藻生长速率，但使微藻积累了营养物质，因而并不减少生物量。 3.2温度
温度对油脂的积累的影响是随藻种不同而不同的，并且影响的变化也是不一致的。近些年来温度对微藻积累油脂的影响的研究不是很多，李文权等人研究表明温度对微藻的脂肪酸组成及其不饱和度影响差别较大，随着温度的升高,球等鞭金藻、盐生杜氏藻、三角褐指藻TPUFA百分含量下降,TMUFA和TSFA百分含量提高; 而小球藻的TPUFA、TMUFA百分含量和脂肪酸平均双键数随温度上升先减少后增大,于20℃左右有最小值.TSFA百分含量则是先增加后降低[12]。由于温度低会导致微藻的生物量减少，从而影响PUFA的总产量，所以，在生产过程中先将微藻在最适温度下培养一段时间，再转入低温中使其积累较高的PUFAs[13]。 3.3光照
光照与微藻积累油脂的关系也是因藻种不同而不同，大多数微藻在低光照条件下EPA有最大值，而DHA的含量随光强的增加而减少[14]。近几年国内的学者研究结果也有与上述相符，廖启斌等报道三角褐指藻和小球藻总多不饱和脂肪酸含量随着照度的增加呈下降趋势[15]。而孙丽芹等报道一定范围内高光照有利于总不饱和脂肪酸(TUFA)的积累,尤其有利于二十二碳六烯酸(DHA)和亚麻酸含量的增加,但是过高的光照反而不利于不饱和脂肪酸含量的增加[16]。
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4微藻产油的研究方法
分离藻种 藻种选育 已有藻种 工厂的CO2废 气和废液 基因工程 生物诱变 微藻藻种培养 光反应发生器 微藻细胞采收 微藻生物油脂提取 其他成分的综合利用 微藻生物柴油 食品、药物等产品 微藻生物燃料系列产品生产成本的优化 图1 微藻能源生产流程
Figure 1 Process of the energy production from microalgae
4.1产油微藻的选育
1978-1996年，美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的“水生生物种计划”，从3000余种微藻中筛选出300多种油脂含量较高的微藻[17] 。1990-2000年，日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目，耗资近3亿美元，分离出10000多种微藻，并筛选出多株耐受高CO2浓度和高温、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种。近年来，以中国科学院各研究所为代表的相关研究机构在藻种的筛选领域已开展了大量的工作，目前筛选出富油富烃微藻66株。
产油微藻大多是生长在海洋，要从海洋中得到一株高产油脂的微藻首先要进行微藻的分离和纯化。微藻分离的几种常用方法有样品系列稀释法、水滴分离法、微吸管分离法、固体培养基分离法等[18]。
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对微藻细胞中产油量的定性定量分析研究，有些专家提出了用尼罗红进行染色分析[19]。随着近几年研究的深入，郑晓东等人发明了一种快速筛选高油脂含量微藻的方法，在96孔板上用不同培养基种类和浓度条件对水样进行分离培养，采用酶标仪检测490nm处的吸光值来快速反应藻类的生长情况，采用荧光染料尼罗红进行染色检测藻类体内的油脂的含量，最后筛选出生长速度快、含油量高的微藻[20]。
对藻株进行诱变筛选是获得优良藻种的另一条途径。向文洲等通过对绿球藻进行诱变，不但提高了其在极端适应条件下的生长速率，而且使其在未充分诱导条件下的含油量达到了46%[21]。
随着藻类生物学相关研究的不断深入，利用现代分子遗传技术对藻株进行遗传改造已成为可能。迄今为止，虽然转基因藻类的商业应用还未见报道，但有几个基因工程藻类已经展现出了初步的应用前景。如美国选育的转 ACCase基因硅藻藻株 Cyclotella cryptica和Navicula saprophila。
4.2微藻的培养
微藻培养技术是影响微藻生物质合成速率的另一关键因素。目前藻类培养主要包括自养和异养两种方式，其中以自养为主，也有很多开展微藻异养培养的研究。
光自养培养采用的反应器主要有两大类:一类是开放式光生物反应器，即开放池培养系统；另一类是封闭式光生物反应器，包括水平池和倾斜池等。与开放式培养系统相比较，封闭式光生物反应器具有以下优点：藻类的培养条件、生长参数容易控制；培养环境稳定；容易控制污染，可以实现无菌培养；全年生产期较长，产率较高；能够维持较高的藻液浓度，能一定程度地降低采收成本等。
碳源是微藻自养培养必不可少的条件之一，因此向培养装置中通CO2或空气是目前微藻自养培养研究的热点[22]。有资料报道，通CO2微藻生物量一天内可增加4倍，并能使养殖成本降低1/2。这样可利用煤炭火力发电厂、炼钢厂、垃圾处理厂等排出的CO2或直接通CO2(空气)来解决大规模培养所需的碳源问题。
微藻异养培养不受光照的影响，生长速度快，可以取得更高的产量，同时可缩短培养周期，采用传统的发酵装置进行培养，占地面积小。同时生产技术和发酵知识基础成熟，流程控制程度高，培养过程不受环境条件影响，降低采收成本[23]。而且，异养培养已显示出比光自养培养更高的体积产率和油脂含量。但异养微藻需要足够的O2来分解有机底物，因此氧的供应往往是异养培养的最大的限制因素[24]。一般来说异养培养下微藻总脂含量与光合营养相比有所增加[25]。缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞,其脂含量高达细胞干重的55%,是自养藻细胞的4倍[26]。
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4.3微藻细胞采收
藻细胞的采收是微藻产油过程中提高产量的限制因素之一，微藻的采收目前有离心法、气浮法、超滤法、絮凝法等。
实验室普遍采用的是离心法，此法不足之处在于操作繁琐、易使细胞破碎且能耗较大。
气浮法是一种实现固液快速分离的新型分离技术。现在己有许多应用气浮法对微藻细胞进行采收的报道，曾文炉等以螺旋藻为模型藻 ,较为详细地研究了理化因素对藻细胞连续气浮采收效率的影响[27]。
超滤法是以膜两侧的压力差为推动力,在被处理料液流经表面具有微小孔径的不对称结构超滤膜时,实现不同分子量物质的分离等物理分离过程[28]。宫庆礼等人报道此技术也能应用到单细胞微藻的浓缩采收过程中[29]。
絮凝法是一种传统的生物分离方法，此项技术已被应用到微藻细胞的采收过程中[30]。
4.4微藻生物油脂提取
将冷冻干燥的微藻干粉，经充分研磨后，进行油脂的提取，目前常用的提取微藻油脂的方法有很多种，报道较为常用的方法有有机溶剂法和超临界CO2流体萃取法等。
有机溶剂法，如Bligh等的氯仿-2-甲醇提取法[31]等，微藻生物质采油率约90%，其优势在于成本相对较低。
超临界CO2流体萃取方法对微藻采油率最高，可接近100%[32]，但是这一方法设备比较昂贵、操作条件要求高，工业化也存在一定困难[33]。因此，目前急需发展操作简单、经济可靠的微藻油脂高效提取技术。
4.5微藻生物柴油制备
酯交换法是当前制备生物柴油的常用方法。通过酯交换反应可以使天然油脂的分子量降至原来的1/3,黏度降低约8倍,同时也提高了燃料挥发度,各项指标与柴油接近[34]。
最近一些研究人员正在探索油脂通过加氢裂化制备生物柴油的技术。加氢裂化技术获得的产物是烷烃生物柴油，其成分与石化柴油完全相同，可以与石化柴油以任意比例混合使用，甚至完全替代石化柴油，同时加氢裂化工艺可以采用目前石油炼制工厂的现有工艺与设备，因此具有投资少、容易产业化的优势，是微藻油脂加工的重要发展方向。
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4.6微藻其他成分的综合利用
微藻生物质发酵制取生物燃气也是微藻能源利用的一个重要方面，中国科学院青岛生物能源与过程研究所在该方面开展了一些研究，自行开发出了适于藻类生物质发酵的CSTR反应系统，并以提油后藻渣为原料，通过初步优化，产氢量可达 40ml/gdw以上。生物燃气通过净化完全可以达到甚至超过现有天然气的标准，对于开发可再生天然气资源具有重要意义。
同时，微藻光解水产氢以及微藻制乙醇也是微藻能源利用的另外两个方面。21世纪初，微藻氢化酶的分离和新厌氧方法的建立，使微藻制氢进入新的研究阶段[35]。
微藻除含有丰富的油脂以外，还含有丰富的生物活性物质，尤其是一些有独特医疗功效的物质，如微藻脂肪酸、色素、多糖、维生素、甾醇等，有些还可直接或经加工后用于化工、食品工业和饲料工业等。
因此在对微藻进行油脂提取处理后，剩余藻渣仍可继续进行利用，从中提取多聚糖、蛋白、色素等高附加值生物活性物质，并将这些物质分离提纯，应用于医药方面，而残余物还可用于发酵生产生物燃气。
5展望
世界各国在微藻的选育、规模培养、生物炼制与产品开发等相关方面都进行了大量的尝试与研究，并积累了许多成功的经验，估计在不远的将来，会实现微藻生物能源的产业化。
我国是一个能源消费大国,能源的供应已影响到社会和谐的方方面面，而生物能源作为新型可再生能源,必将在经济和工业发展中起到至关重要的作用。对能源微藻进行生态培养和综合开发，是未来微藻能源产业的一个重要发展方向。特别是工程微藻无疑是制备生物能源原料的优良替代品,具有广阔的开发利用前景。
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