收稿日期:2009-11-02;修回日期:2010-05-07基金项目:国家杰出青年科学基金项目(20625308);西北师范大学青年教师基金项目(NWNU -LK QN -09-20)作者简介:孔维宝(1981),男,讲师,在读博士,主要从事微藻生物柴油和酶催化方面的研究工作。

通讯作者:夏春谷,研究员,博士生导师(E 2mail )cgxia@lzb .ac .cn 。

生物柴油利用微藻生产生物柴油的研究进展孔维宝1,2,3,华绍烽1,宋　昊1,夏春谷1(11中国科学院兰州化学物理研究所,羰基合成与选择氧化国家重点实验室,兰州730000;21中国科学院研究生院,北京100049;31西北师范大学生命科学学院,兰州730070)摘要:在世界能源危机的影响下,生物质能源由于可再生、低污染等优势,被认为是在未来一个较短时期内最有潜力缓解能源危机的石油替代品。

而微藻由于具有生物量大、光合效率高、生长周期短、油脂含量高和环境友好等优点,有望破解后石油时代的能源危机。

重点阐述了产油微藻的种类,提高微藻油脂含量的策略,微藻细胞的采收技术,微藻油脂的提取和转酯化反应等内容;分析了微藻生物柴油产业发展中亟待解决的一些问题。

关键词:微藻;能源;生物燃料;生物柴油;油脂中图分类号:T Q645;TK6 文献标志码:A 文章编号:1003-7969(2010)08-0051-06Progress on b iod i esel producti on using m icroa lgaeK ONG W eibao 1,2,3,HUA Shaofeng 1,S ONG Hao 1,X IA Chungu1(11State Key Laborat ory of Oxo Synthesis and Selective Oxidati on,Lanzhou I nstitute of Che m ical Physics,Chinese Acade my of Sciences,Lanzhou 730000,China;21Graduate University of ChineseAcade my of Sciences,Beijing 100049,China;31College of L ife Sciences,North west Nor mal University,Lanzhou 730070,China )Abstract:B i omass energy was considered as the most potential petr oleum substitute in a shorter peri od of ti m e,f or its rene wable ability and l ower polluti on .M icr oalgae could s olve the energy crisis in the post -petr oleu m era because of its large bi omass,high phot osynthetic efficiency,short gr owth cycle,high li p id content,and envir on mental friendliness .The current situati on of bi odiesel p r oducti on fr om m icr oalgae was revie wed .The s pecies of li p id -p r oducing m icr oalgae,strategies t o i m p r ove the li p id content of m i 2cr oalgae,techniques f or cell harvesting,li p id extracti on and transesterificati on of m icr oalgae were dis 2cussed .The p r oble m s in m icr oalgae bi odiesel industry were analyzed .Key words:m icr oalgae;energy;bi ofuel;bi odiesel;li p id 在能源危机对各行业影响日益加剧的今天,社会各界对可再生能源的关注度不断提高。

对于生物质能源的原料,人们的目光在一段时期内集中在传统的油料经济作物(大豆、油菜)、粮食(玉米)、农林废弃物(木质素、纤维素和半纤维素)、动植物油脂等领域。

其中,生物柴油作为化石能源的替代燃料,已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源。

但是,生物燃料“与粮争地、与人争粮”的情况及较高的原料成本限制了它的进一步推广。

藻类作为一种重要的可再生资源,具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应能力强、生长周期短、油脂含量高和环境友好等突出特点[1]。

藻类尤其是微型藻类将会成为提供新能源和新资源的“明星”,微藻的能源化利用有望成为“后石油时代”破解能源危机的一把金钥匙。

在最近两年,不管是国内外有关利用微藻生产生物燃料的基础研究,还是应用开发报道都呈现大幅增长的态势[2]。

本文结合国内外在微藻生物燃料研发方面的新近报道,综述微藻开发生物燃料的显著优势,能源微藻的种类和特性,微藻生物燃料开发的主要领域,国内外研发现状及需要解决的问题等内容,希望对我国利用微藻开发新能源的研究工作有所裨益。

1　利用微藻开发生物质能源的优势 就全球来说,藻类是一种数量巨大的可再生资源。

地球上的生物每年通过光合作用可固定8×1010t碳,生产14.6×1010t生物质,其中一半以上可归功于藻类的光合作用。

利用微藻开发生物质能源的优势可总结如下[3]:①环境适应能力强,生长要求简单,营养需求低,可直接转化利用CO2、无机盐和有机废水等。

②微藻光合效率高,倍增时间短,单位面积的产率高出高等植物数十倍。

③培养微藻不占用耕地,可利用海滩、盐碱地和荒漠等土地进行大规模培养,可利用海水、盐碱水、荒漠地区地下水和有机废水进行培养。

④微藻含有很高的油脂,特别是一些微藻在异养或营养限制条件下脂肪含量可高达20%～70%,按藻细胞含30%油脂(干重)计算,1hm2土地的年油脂产量是玉米的341倍,大豆的132倍,油菜籽的49倍。

⑤微藻没有根、茎、叶的分化,不产生无用生物量,加工工艺相对简单,易于粉碎和干燥,预处理成本相对较低。

⑥微藻热解比农林废弃物简单,而且所得生物质燃油热值高,是木材或农作物秸秆的1.6倍。

⑦微藻燃料清洁,环境友好,燃烧时不排放有毒有害气体。

⑧微藻能高效固定CO2,有助于减缓温室气体排放。

总体分析认为,发展微藻能源符合我国提出的“不与人争粮,不与粮争地和淡水,不与农业发展争夺农业自然资源,不能对生态环境造成压力与影响”的生物质能源开发政策。

2　利用微藻生产生物柴油的研究现状 目前,利用微藻开发可再生能源的领域主要包括:利用微藻制备生物柴油,微藻产烃,微藻光解水制氢,热化学法制备微藻燃油和厌氧发酵微藻制取甲烷等。

利用微藻所产生的油脂通过酯化反应后可转变为生物柴油(脂肪酸甲/乙酯等),提取油脂后的藻渣可以综合利用,生产动物饲料、有机肥料和甲烷[4]。

2.1　产油微藻的种类 金藻纲、黄藻纲、硅藻纲、绿藻纲、隐藻纲和甲藻纲中的藻类都能产生多不饱和脂肪酸,从微藻中提取得到的油脂成分与植物油组成相似。

目前国内外对微藻脂肪酸进行了大量研究,但报道较多的是小球藻(Chlorella s p.)、球等鞭金藻(Isoch rysis ga lba2 na)、硅藻(D iato m)、小环藻(Cyclotella s p.)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)等(见表1)。

大多数微藻的油脂含量在20%以上,通过异养培养技术可获得油脂含量高达细胞干重55%的藻细胞[5]。

通过基因工程改良和培养条件控制,利用微藻生产油脂极具产业化开发潜力。

表1　一些微藻的油脂含量[1] 微　藻 油脂含量(干重)/%布朗葡萄藻B otryococcus braunii25～75小球藻一种Chlorella s p.28～32隐甲藻C rypthecodinium cohnii20细柱藻一种Cylindrotheca s p.16～37杜氏藻D unaliella pri m olecta23等鞭金藻一种Isochrysis s p.25～33M onallanthus salina>20微小绿藻N annochloris s p.20～35微绿球藻N annochloropsis s p.31～68N eochloris oleoabundans35～54菱形藻N itzschia s p.45～47三角褐指藻Phaeodactylum tricornutum20～30裂壶藻Schizochytrium s p.50～77亚心形扁藻Tetrasel m is suecica15～23212　提高微藻细胞油脂含量的策略 提高微藻细胞油脂含量的主要策略有高油藻种的选育或基因工程构建,油脂合成的代谢调控等。

不同种类微藻的油脂含量差别很大,甚至同一种类的不同品系之间也存在较大差别。

对分离出来的球等鞭金藻59个品系的EP A和DHA含量的测定结果表明[6],不同品系藻类的EP A和DHA含量差别很大,EP A占总脂肪酸含量的13.19%～31193%,占干重的1.81%～6.61%,DHA占总脂肪酸的4.25%～13.36%,占干重的0.58%～2.77%。

对20种海洋微藻脂肪酸组成的研究表明[7],海洋微藻的总脂含量均超过其干重的10%,每一纲藻种都有其特征脂肪酸或几种脂肪酸的组合作为其化学分类的标记。

对11属的30株海洋绿藻总脂含量和脂肪酸组成的分析表明[8],21株海洋绿藻的总脂含量在11.61%～34.49%,其他9株在4.25%～9.48%之间,绿藻的C16和C18脂肪酸最为丰富,有着含量较高的16∶0、16∶1、18∶2(n-6)和18∶3(n-3)脂肪酸。

营养元素和环境因子对微藻中脂类的组成有着重要影响。

氮源对各种微藻的脂类组成有着关键性的影响。

最近的研究表明[9],氮源限制培养可提高总脂含量,而且从正常培养到氮源限制培养,可逐渐使油脂组成从富含游离脂肪酸到富含甘油三酯(TG)的改变。

H sieh等[10]人的研究表明,微藻的生长速率和油脂积累量与尿素质量浓度密切相关。

尿素质量浓度为0.1g/L时,Ch lorella s p.合成油脂的产率最大,为01124g/(d・L)。