我國(guó)微藻生物柴油的研究背景與發(fā)展戰(zhàn)略

吳立柱, 竇世娟, 從均廣, 楊國(guó)軍, 劉建鳳,4*

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071000；2.河北公安警察職業(yè)學(xué)院, 石家莊 050091；3.河北省唐山市豐潤(rùn)區(qū)農(nóng)業(yè)畜牧水產(chǎn)局, 河北 唐山 063000；4.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071002

由于石油資源的逐漸減少，世界各國(guó)都在積極尋找能夠替代石油產(chǎn)品的可再生能源,并不斷取得新成就。生物柴油由于其環(huán)保與可再生性，作為石油的補(bǔ)充替代能源越來(lái)越受到關(guān)注，是可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要發(fā)展方向。美國(guó)能源部(United States Department of Energy)預(yù)測(cè)到2050年，全球液體燃料油80%將來(lái)自木本、草本油料植物和藻類(lèi)[1]。

生物柴油的原料根據(jù)其來(lái)源可分為植物油脂、動(dòng)物油脂、微生物油脂和廢棄油脂等4種。已有研究將2011-2013年檢索出的文獻(xiàn)通過(guò)TDA分析工具對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，得到了篩選頻次高于15的前10種生物柴油生產(chǎn)原料分別為微藻類(lèi)、麻瘋樹(shù)、廢棄油脂、菜籽油、棕櫚油、豆油、葵花油、產(chǎn)油酵母和藍(lán)藻細(xì)菌。其中，微藻類(lèi)與麻瘋樹(shù)是目前研究最多的兩種原料[2]。國(guó)際方面，美國(guó)在微藻類(lèi)及藍(lán)藻細(xì)菌的研究全球領(lǐng)先，且對(duì)微藻類(lèi)的研究最多。由于不同國(guó)家的國(guó)情不同，在原料選擇上也有較大差異，如歐、美等國(guó)家多以大豆油、菜籽油、芥末籽油等作為原料來(lái)源，日本多以餐飲廢油作為原料來(lái)源，東南亞等國(guó)基本使用棕桐油。我國(guó)目前主要以麻風(fēng)樹(shù)油和棕櫚油等木本油脂以及地溝油等廢棄油脂為原料來(lái)源[1]。

生物柴油的生產(chǎn)歷史分為三個(gè)階段，其中以主要農(nóng)作物(玉米、小麥、甘蔗和甘薯等)來(lái)源的淀粉、糖類(lèi)、植物油和動(dòng)物油中提取出的生物燃料為第一代生物能源。但這類(lèi)燃料存在與糧爭(zhēng)地、威脅糧食安全等問(wèn)題[3]。面對(duì)當(dāng)前全球性的糧食危機(jī)，以糧食(小麥、玉米等)為原料生產(chǎn)生物燃料的發(fā)展規(guī)劃必然受到限制。利用農(nóng)業(yè)上的非食用性植物纖維(如玉米桿、稻草、麥稈和樹(shù)葉等)和林業(yè)剩余物制取出的生物燃料為第二代生物質(zhì)能源。這些原料的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，一般含量分別為40%～60%、20%～40%和10%～25%，其中纖維素、半纖維素是生產(chǎn)乙醇的主要原料[1]。但這類(lèi)生物質(zhì)能源存在著原料受生產(chǎn)限制、轉(zhuǎn)化提取工藝復(fù)雜且轉(zhuǎn)化率低等缺點(diǎn)。在這種背景下，第三代生物質(zhì)能源——微藻生物柴油應(yīng)運(yùn)而生。藻類(lèi)具有產(chǎn)油量高、生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且具有不與農(nóng)作物爭(zhēng)奪農(nóng)田和淡水資源的天然優(yōu)勢(shì)，是生產(chǎn)生物柴油的最佳原料。

2009年，美國(guó)聯(lián)合環(huán)境和能源有限責(zé)任公司首次成功地開(kāi)發(fā)出了水藻油轉(zhuǎn)換成生物柴油的途徑，該方法經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好[4]。2011年，Algenol生物燃料公司宣布利用藍(lán)綠藻直接生產(chǎn)乙醇的中型一體化生物煉制廠在美國(guó)佛羅里達(dá)州奠基開(kāi)建。我國(guó)也于2011年啟動(dòng)了973計(jì)劃重大項(xiàng)目——“微藻能源規(guī)模化制備的科學(xué)基礎(chǔ)”，從藻種選育、微藻能源規(guī)?；苽涞纳飳W(xué)和工程學(xué)等3個(gè)方面對(duì)其存在的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，為突破產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸、研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化技術(shù)提供相應(yīng)支撐[5]。

可見(jiàn)，生物能源作為一種新型的石油能源的重要替代能源，越來(lái)越受到國(guó)家和社會(huì)的強(qiáng)烈關(guān)注，同時(shí)在能源的研究、利用和開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域存在著激烈的競(jìng)爭(zhēng)。微藻由于其廣泛性和特殊的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，被視為最具有發(fā)展?jié)摿Φ牡谌镔|(zhì)能源，是可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要發(fā)展方向。本文主要闡述了微藻油脂的生物合成、制備工藝、發(fā)展瓶頸和對(duì)策，以期為微藻生物能源的開(kāi)發(fā)和利用提供理論參考和依據(jù)。

1 微藻油脂的組成及生物合成途徑

1.1 微藻油脂的組成成分

微藻含有大量的葉綠素，具有很強(qiáng)的光合作用能力。微藻在一定條件下，可利用碳水化合物、碳?xì)浠衔锖推胀ㄓ椭鳛樘荚矗谠弩w內(nèi)合成大量油脂，其合成效率比產(chǎn)量最高的油料作物高20多倍(表1)。油脂主要以生物膜組分和代謝物的形式存在，并以一種儲(chǔ)能物質(zhì)存在于細(xì)胞內(nèi)[7]，為細(xì)胞的代謝提供能量。不同種類(lèi)微藻的油脂含量差別很大，甚至同一種類(lèi)不同品系之間也存在較大差別[8]。一般大多數(shù)微藻的脂肪酸含量可達(dá)到細(xì)胞干重的20%～40%，部分微藻(如葡萄藻和裂壺藻等)的含油量可高達(dá)微藻干重的75%。微藻油脂的主要組分是甘油和脂肪酸，其中脂肪酸主要以C12～22的不飽和脂肪酸為主，并存在少量的飽和脂肪酸[9]。測(cè)定結(jié)果顯示微藻油脂中主要是C12～24的化合物，以C14、C16和C18為主[9～13]。其碳鏈長(zhǎng)度與石油來(lái)源的柴油烴類(lèi)碳原子數(shù)(約10～22)相近。

表1 微藻和幾種常見(jiàn)油料作物產(chǎn)油能力比較[1,6]Table 1 Compairation of oil-producing capacity between microalgae and other oil crops[1,6].

1.2 微藻油脂的生物合成途徑

微藻油脂的合成始于光合作用，光能經(jīng)過(guò)微藻光合系統(tǒng)中的PSI和PSII等轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，后經(jīng)過(guò)一系列能量傳遞，進(jìn)入卡爾文循環(huán)。在卡爾文循環(huán)中核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶催化核酮糖-1,5-二磷酸固定CO2生成3-磷酸甘油酸，3-磷酸甘油酸可進(jìn)一步生成其他油脂和多糖[14,15](圖1)。由于核酮糖-1,5-磷酸羧化酶與CO2的親和力較低，水環(huán)境中低濃度的無(wú)機(jī)碳難以確保光合作用的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，因此很多藻類(lèi)進(jìn)化出CO2濃縮機(jī)制，以提高核酮糖-1,5-磷酸羧化酶周?chē)腃O2濃度，再通過(guò)C3途徑進(jìn)行碳同化，維持其正常的生理碳需求[17]。除了CO2濃縮機(jī)制外，有些藻類(lèi)的碳固定還具備C4途徑的一些特征。通過(guò)對(duì)兩種綠藻(Ostreococcustauri)[19]、綠色鞭毛藻(Ostreococcuslucimarinus)[20]、兩種硅藻假微型海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)[21]和對(duì)三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)[22]的基因組分析顯示這些微藻均有可能編碼C4光合作用的所有酶[23,24]。Riebesell[25]基于他人的研究結(jié)果提出了單細(xì)胞硅藻威氏海鏈藻進(jìn)行C4途徑的空間分化模式。高坤山等[17]從進(jìn)化角度闡述和解釋了為什么硅藻存在C4途徑。由此可見(jiàn)這些藻類(lèi)可能利用了C4途徑進(jìn)行CO2同化。

圖1 藻類(lèi)利用太陽(yáng)能合成油脂途徑[14～18]Fig.1 The synthesize pathway of microalgae oil with photosynthesis in microalgae[14～18].

2 微藻生物柴油的制備工藝

微藻生物柴油的制備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，主要包括微藻的選育、培養(yǎng)、收獲和干燥，以及油脂的提取和轉(zhuǎn)化等工藝流程(圖2)。優(yōu)質(zhì)藻種的選育是微藻生物能源技術(shù)的基礎(chǔ)。藻種的選育目標(biāo)是選育和培養(yǎng)出高光效、高抗逆并適應(yīng)工業(yè)化規(guī)模培養(yǎng)環(huán)境的優(yōu)質(zhì)藻種。美國(guó)通過(guò)ASP計(jì)劃篩選出300余株具潛力的產(chǎn)油藻種。中國(guó)海洋大學(xué)和中科院水生生物所亦選育并建立了一定規(guī)模的藻種資源庫(kù)。但滿足工業(yè)化培養(yǎng)的藻種資源仍然十分匱乏。微藻的收獲和脫水技術(shù)與生產(chǎn)成本密切相關(guān)。絮凝和沉淀技術(shù)可以將微藻濃度濃縮到1%，回收量可達(dá)80%。通過(guò)氣爆技術(shù)可將微藻濃度達(dá)到1%以上，回收量高達(dá)98%[26]。過(guò)濾和離心技術(shù)雖然原理簡(jiǎn)單，在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但成本較高。利用藻類(lèi)油脂提取物三酰甘油酯制備生物柴油的常用方法是酯交換法。酯交換法又分為化學(xué)法酯交換法和酶法酯交換法?；瘜W(xué)法酯交換法是在催化劑的存在下，利用甲醇與天然油脂發(fā)生脂交換反應(yīng)，以甲氧基取代長(zhǎng)鏈脂肪酸上的甘油基，將甘油基斷裂為3個(gè)長(zhǎng)鏈脂肪酸甲脂從而縮短碳鏈長(zhǎng)度，降低油料粘度，改善油料的流動(dòng)性能，達(dá)到作為機(jī)動(dòng)燃料的使用要求。酶法酯交換法是利用酶作為催化劑的酯交換反應(yīng)。酶法酯交換法具有專一性強(qiáng)、條件溫和、環(huán)境污染小、催化活性高、反應(yīng)速度快、安全性好等特點(diǎn)，但酶的成本高。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，酶法酯交換法將更具有工業(yè)化前景和發(fā)展?jié)摿Α３R界法是在超臨界條件下完成酯交換反應(yīng)，該方法通常無(wú)需催化劑的參與，轉(zhuǎn)化率高，但對(duì)轉(zhuǎn)化條件的要求很高。

圖2 微藻生物柴油的制備工藝流程圖Fig.2 The manufacturing technology of microalgae biodiesel.

3 微藻制備生物柴油的瓶頸及對(duì)策

盡管微藻生物柴油具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但利用微藻生產(chǎn)生物柴油還處于初級(jí)階段，仍然存在微藻的培養(yǎng)方法不夠完善、采收過(guò)程繁瑣、生物柴油制備技術(shù)欠佳等問(wèn)題，目前主要瓶頸是生產(chǎn)成本高昂，使微藻生物柴油的產(chǎn)業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)。降低生產(chǎn)成本是亟待解決的核心問(wèn)題，目前用微藻生產(chǎn)生物柴油主要在以下幾個(gè)方面存在問(wèn)題和瓶頸[27]：①藻類(lèi)油脂的含量和構(gòu)成是決定生物柴油產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，滿足工業(yè)化需求的優(yōu)質(zhì)藻種的選育是微藻生物柴油制備的必要條件；②高密度、高油脂的微藻培養(yǎng)體系的研究是降低收獲成本、提高回收率必要條件；③優(yōu)化藻類(lèi)的分離工藝是降低成本的技術(shù)關(guān)鍵；④微藻生物柴油項(xiàng)目的投產(chǎn)和工業(yè)化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)規(guī)模較小，需要各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和科研機(jī)構(gòu)的整合、協(xié)調(diào)和平衡發(fā)展。綜合上述問(wèn)題和瓶頸，可通過(guò)以下措施來(lái)解決，以充分提高其經(jīng)濟(jì)性和與化石柴油的競(jìng)爭(zhēng)力：①通過(guò)基因工程手段發(fā)展工程微藻，提高微藻的生長(zhǎng)速率和生物質(zhì)含量；②優(yōu)化和完善生物柴油轉(zhuǎn)化技術(shù)；③加強(qiáng)副產(chǎn)品的回收和高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和利用；④利用藻類(lèi)對(duì)土地要求較低的特點(diǎn)，合理規(guī)劃藻類(lèi)養(yǎng)殖場(chǎng)所；⑤微藻的培養(yǎng)可利用城市的廢液和廢氣作為微藻生產(chǎn)的培養(yǎng)原料，以達(dá)到生物能源和廢液(氣)循環(huán)再利用的目的。如結(jié)合污水治理、化工廠排放的有機(jī)酸和氨氮廢水、食品加工廠的廢棄物來(lái)培養(yǎng)藻類(lèi)，利用發(fā)電廠排出的二氧化碳作碳源提高碳固定量。

4 展望

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油化工研究院胡徐騰教授建議我國(guó)的生物能源的發(fā)展分為近中遠(yuǎn)三個(gè)階段：以廢棄油脂、棉籽油及工業(yè)棕櫚油為原料制備生物柴油是近期目標(biāo)；利用荒山、鹽堿地等邊際土地大力發(fā)展小桐子、黃連木、千年桐等木本油料資源制備生物柴油是中期目標(biāo)；開(kāi)展微藻技術(shù)和農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)液化-氣化技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)未來(lái)生物柴油產(chǎn)業(yè)的持續(xù)化、規(guī)模化發(fā)展是長(zhǎng)期目標(biāo)[1]。由于藻類(lèi)具有產(chǎn)油量高、生長(zhǎng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、不與農(nóng)作物爭(zhēng)奪農(nóng)田和淡水資源等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是生產(chǎn)生物柴油的最佳原料。從20世紀(jì)80年代第一代生物柴油的提出和迅速蓬勃發(fā)展，到以微生物油脂為原料的第三代生物柴油技術(shù)的相繼成熟并不斷取得重大突破，作為一種無(wú)限可再生且對(duì)環(huán)境友好的清潔燃料，微藻的研究為替代能源的開(kāi)發(fā)利用、解決人類(lèi)的能源和環(huán)境等問(wèn)題都具有深遠(yuǎn)的意義。

[1] 胡徐騰. 液體生物燃料：從化石到生物質(zhì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[2] 賈敬敦, 馬隆龍, 蔣丹平,等. 生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[3] Hu Q, Sommerfeld M, Jarvis E,etal.. Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances[J]. Plant J.,2008,54(4): 621-639.

[4] 美國(guó)開(kāi)發(fā)低成本水藻生物柴油生產(chǎn)法[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2008，20(3):23.

[5] 科技部. 微藻能源規(guī)?；苽渲卮蠡A(chǔ)研究項(xiàng)目啟動(dòng)[EB/OL]. http://www.most.gov.cn/kjbgz/201102/t20110223_84950.htm, 2015.

[6] 李毓堂. 發(fā)展草產(chǎn)業(yè)關(guān)系西部大開(kāi)發(fā)的命運(yùn)[J]. 草業(yè)科學(xué),2002,19(4):1-3.

[7] 郝宗娣, 楊 勛, 時(shí) 杰,等. 微藻生物柴油的研究進(jìn)展[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2013,22(3):282-288.

[8] 康永鋒, 史華進(jìn), 胡文振,等. 利用海洋微藻制備生物柴油的研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料,2013,41(12)：22-25.

[9] 王錦秀, 郝小紅, 田文杰,等. 利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測(cè)定微藻油脂的組成[J]. 現(xiàn)代化工,2013,33(10):132-134.

[10] 鄭 宇. 五種微藻中性脂與脂肪酸組成及同位素組成研究[D]. 山東 青島：中國(guó)海洋大學(xué),碩士學(xué)位論文,2008.

[11] 盧麗娜, 孫利芹,田煥玲,等. 32株海洋微藻總脂含量及其脂肪酸組成的研究[J]. 中國(guó)油脂,2009,34(11):68-73.

[12] 孫協(xié)軍，王 珍，李秀霞.三種微藻油脂肪酸組成和理化性質(zhì)分析[J]. 食品科學(xué),2012,33(16):212-216.

[13] 蔣霞敏, 鄭亦周. 14種微藻總脂含量和脂肪酸組成研究[J]. 水生生物學(xué)報(bào),2003,27(3):243-247.

[14] Li J, Han D, Wang D,etal.. Choreography of transcriptomes and lipidomes of nanochloropsis reveals the mechanisms of oil synthesis in microalgae[J]. Plant Cell, 2014,26(4):1645-1665.

[15] Misra N, Panda P K, Parida B K,etal.. Phylogenomic study of lipid genes involved in microalgal biofuel production-candidate gene mining and metabolic pathway analyses[J]. Evol. Bioinform. Online, 2012,8: 545-664.

[16] Bogen C, Al-Dilaimi A, Albersmeier A,etal.. Reconstruction of the lipid metabolism for the microalgaMonoraphidiumneglectumfrom its genome sequence reveals characteristics suitable for biofuel production[J]. BMC Genomics, 2013,14: 926.

[17] 高坤山. 藻類(lèi)固碳——理論、進(jìn)展與方法[M]. 北京：科學(xué)出版社,2014,1.

[18] Schenk P M, Thomas-Hall S R, Stephens E,etal.. Second generation biofuels: High-efficiency microalgae for biodiesel production[J]. Bioenerg. Res., 2008,1(1):20-43.

[19] Derelle E, Ferraz C, Rombauts S,etal.. Genome analysis of the smallest free-living eukaryote Ostreococcustauri unveils many unique features[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006,103(31): 11647-11652.

[20] Palenik B, Grimwood J, Aerts A,etal.. The tiny eukaryoteOstreococcusprovides genomic insights into the paradox of plankton speciation[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,2007,104(18): 7705-7710.

[21] Armbrust E V, Berges J A, Bowler C,etal.. The genome of the diatomThalassiosirapseudonana: ecology, evolution, and metabolism[J]. Science,2004,306(5693):79-86.

[22] Bowler C, Allen A E, Badger J H,etal.. ThePhaeodactylumgenome reveals the evolutionary history ofdiatom genomes[J]. Nature,2008, 456(7219): 239-244.

[23] Kroth P G, Chiovitti A, Gruber A,etal.. A model for carbohydrate metabolism in the diatomPhaeodactylumtricornutumdeduced from comparative whole genome analysis[J]. PLoS ONE,2008,3(1): e1426.

[24] 賴曉娟, 陳海敏, 楊 銳,等. 藻類(lèi)基因組研究進(jìn)展[J]. 遺傳,2013,35(6):735-744.

[25] Riebesell U P. Carbon fix for a diatom[J]. Nature,2000,407(6807): 959-960.

[26] 微藻生產(chǎn)生物柴油[EB/OL]. http://www.bioindustry.cn/news/view/1206,2010.

[27] 賈 彬,王亞南,何蔚紅,等. 生物柴油新原料——微生物油脂[J]. 生物技術(shù)通報(bào), 2014,1:19-26..