第5卷第1期2009年2月南 方 水 产S o u t hC h i n a F i s h e r i e s S c i e n c eV o l .5,N o .1F e b .,2009d o i :10.3969/j .i s s n .1673-2227.2009.02.013收稿日期:2008-11-06;修回日期:2008-12-08资助项目:广东省海洋渔业科技推广专项资金项目(2008)作者简介:王 蒙(1982-),男,硕士研究生,从事海洋生物学研究。
E -m a i l :1982-w m @163.c o m 通讯作者:李纯厚,E -m a i l :s c s l c h @v i p .163.c o m·综述·以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势王 蒙1,2,李纯厚1,戴 明1(1.农业部海水养殖生态与质量控制重点开放实验室,中国水产科学研究院南海水产研究所,广东广州510300;2.上海海洋大学,上海201306)摘要:能源短缺已经引起了各国的广泛关注,各国科学家将目光投向生物燃料。
然而由于大量使用玉米、大豆等农产品生产生物乙醇等燃料,导致生物燃料“与人争粮”和“与粮争地”现象严重。
文章综述了用于提取生物燃料的海洋微藻藻种的筛选、纯化、大规模培养及采收方法的优缺点以及生物燃料的提取工艺等方面的主要进展,并对该产业的发展趋势进行了初步分析。
关键词:生物燃料;微藻;提取;筛选;培养中图分类号:T K 6文献标识码:A文章编号:1673-2227-(2009)02-0074-07T h e r e s e a r c hp r o g r e s s a n dd e v e l o p m e n t t r e n do ne x t r a c t i o n o fb i o f u e l f r o m m a r i n e m ic r o a l g a eW A N GM e n g 1,2,L I C h u n h o u 1,D A I M i n g1(1.K e y L a b .o f M a r i c u l t u r e E c o l o g y a n d P r o d u c t s Q u a l i t y a n d S a f e t y ,M i n i s t r y o f A g r i c u l t u r e ,S o u t h C h i n a S e aF i s h e r i e s R e s e a r c hI n s t i t u t e ,C h i n e s e A c a d e m y o f F i s h e r y S c i e n c e s ,G u a n g z h o u 510300,C h i n a ;2.S h a n g h a i O c e a nU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t :E n e r g y s h o r t a g e s h a s c a u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r ni na l l c o u n t r i e s .T h es c i e n t i s t s t u r nt o b i o f u e l s .H o w e v e r ,d u et ol a r g e -s c a l e u s e o f c o r n ,s o y b e a n s a n d o t h e r a g r i c u l t u r a l p r o d u c t s f o r p r o d u c t i o no f b i o f u e l s s u c ha s e t h a n o l ,a n dt h es i t u a t i o nt h a t b i o f u e l s c o m p e t e f o o dw i t hh u m a n a n dc o m p e t e a r t h w i t h c r o p s i s s e r i o u s .T h i s p a p e r r e v i e w e d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f m e t h o d s f o r s c r e e n i n g ,p u r i f i c a t i o n ,l a r g e -s c a l e c u l t i v a t i o n a n dh a r v e s t i n g .B i o f u e l e x t r a c t i o n a r t a s w e l l a s t h ei n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t t r e n dw e r e a n a l y z e d .K e yw o r d s :b i o f u e l ;m i c r o a l g a e ;e x t r a c t i o n ;s c r e e n i n g ;c u l t u r e 随着经济建设的飞速发展,能源短缺已成为世界各国极为关注的焦点。
作为重要能源之一的石油,更是因其不可再生性和资源的有限,使得原油价格的轻微浮动都能在国际能源、甚至政治层面掀起不小的波澜。
由国家发改委能源局和国家统计局公交司以及英国B P 公司联合发布的《B P 世界能源统计2006》指出,截至到2005年底已探明的世界石油储 第1期王 蒙等:以海洋微藻为原料提取生物燃料的研究进展与发展趋势75量若按照目前81088千桶的开采速度计算,全球石油储量仅可供继续生产40年[1]。
因此,石油价格与日俱增,2008年7月,布伦特原油价格曾一路飙涨到147美元·桶-1。
在2008年受到美国次贷危机的影响,国际油价下跌的前提下,以布伦特原油名义价格计算,石油平均价格仍然超过60美元·桶-1,比2004年的平均价格上涨超过60%。
生物燃料主要以玉米、大豆等农作物为主要生产原料,是摆脱对传统石化能源依赖、减少温室气体排放的替代能源,但其大量生产,导致了对农作物的大量需求;然而即便全部玉米都用于提炼,也只能满足12%的美国燃油需求。
专家警告说,以农作物为原料生产生物燃料最大的隐忧在于“与粮争地”,大规模改种生物燃料植物,已经造成了美国和墨西哥玉米价格的上涨,并可能进一步导致发展中国家的粮食短缺。
中国政府一直加大农业扶持力度,避免世界粮价上涨影响到国内经济发展,但是中国的粮食价格飙升也是不争的事实。
因此,积极寻找新的生物质能原材料,以缓解目前的粮食和能源危机已成为世界各国高度关注的问题。
在众多的可提取生物燃料的材料中,微藻脱颖而出,其卓越特征是:微藻的一生都是在水中度过的,它的生长不会与其他的农作物争夺土地,可以起到缓解粮食危机的作用。
微藻是水生植物的一种,其特有的化学组成和结构注定了它是获得生物柴油和生物质油的优良原料来源[2]。
同木质-纤维素材料(木材)相比,利用藻类作热解材料具有如下突出优点,即藻类的光合作用效率较树木高,具有环境适应能力强、生长周期短(一般高等植物需要几个月甚至几年才能完成一代生长发育,藻类繁殖一代的时间仅为2～5d)、生物产量高的特点;自然水体(海洋、湖泊等)每年能提供非常丰富的藻类生物量;藻类在水中生长,因而不占用农业用地,其养殖过程可以实现自动化控制;藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分,而木材则以木质素、纤维素等难热解成分为主,因此藻类所需热解条件相对较低[3],使生产成本降低;某些藻类如葡萄球藻(G r a p e s p.)、盐藻(C r y p t h e c o d i n i u mc o h n-n i)、小球藻(C h l o r e l l av u l g a r i s)在适当条件下培养后,所得藻粉具有很高的产烃能力;藻类易被粉碎和干燥,因而其预处理成本较低;藻类热解所获得的生物质燃油热值高,平均高达33M J·k g-1,是木材或农作物秸秆的1.6倍[4]。
N R E L(美国国家可再生能源实验室)运用基因工程等现代生物技术改造成功的“工程微藻”,是一种称为“工程小环藻”的硅藻类(C y c l o t e l l ac r y p t i c a),在实验室条件下其脂质含量可增加到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高3～12倍),户外生产也可增加到40%以上。
因此,利用“工程微藻”生产生物柴油具有重要的经济和生态意义[5]。
利用“工程微藻”开发新能源具有以下几个方面的优势:①该微藻生产能力非常高,若养殖技术获得突破,生产能力还可极大地提高;②该微藻可大量养殖于天然海水中,不与传统农业争地;③微藻油脂产量比陆生植物单产高出30倍。
有人估计,每公顷可生产30t以上生物柴油;④生物柴油不含硫,燃烧时不污染生境;⑤生物柴油即使泄漏到环境中,也可被微生物降解,不会污染环境。
这为开发新型、清洁的可再生能源提供了新动向。
根据N R E L的数据,每公顷海藻的生物柴油生产系统的营运成本为12000美元,其中包括了固定资产折旧、人工、电力、化工原料、维护保养及投资回报等所有经营成本[6]。
据此可测算出,从工程海藻中提取生物柴油在美国的成本为134.4美元·桶-1。
这在30～40美元·桶-1的低油价时代是没有竞争力的。
但在国际原油价格高达100～140美元·桶-1的今天,人们看到了绿色燃料产业的希望和现实可能性。
1 藻种的筛选 微藻的分离、纯化方法主要有以下几种:(1)微吸管分离法[7],该方法是用微吸管将要分离的藻吸出,放在载玻片上,显微镜下观察,检查是否是单一藻种,如不是,按前面的方法反复操作。
微吸管法操作技术难度大,适宜分离个体较大的藻类。
(2)水滴分离法[7],将藻液稀释到每滴水有一个藻左右,然后用微吸管分离。
水滴分离法简便、易行,适宜分离优势种类。
(3)稀释分离法[8],该方法是用5支试管逐级稀释,最终得到单一藻种。
该方法需要较多的容器分组培养,比较麻烦。
(4)平板分离法,将适当藻液滴于一琼脂固体培养基上,均匀的涂布于固体培养基表面,封口培养,直至藻落出现为止。