我国微藻生物柴油的研究背景与发展战略

吴立柱, 窦世娟, 从均广, 杨国军, 刘建凤,4*

1.河北农业大学生命科学学院, 河北 保定 071000；2.河北公安警察职业学院, 石家庄 050091；3.河北省唐山市丰润区农业畜牧水产局, 河北 唐山 063000；4.河北大学生命科学学院, 河北 保定 071002

由于石油资源的逐渐减少，世界各国都在积极寻找能够替代石油产品的可再生能源,并不断取得新成就。生物柴油由于其环保与可再生性，作为石油的补充替代能源越来越受到关注，是可再生能源开发利用的重要发展方向。美国能源部(United States Department of Energy)预测到2050年，全球液体燃料油80%将来自木本、草本油料植物和藻类[1]。

生物柴油的原料根据其来源可分为植物油脂、动物油脂、微生物油脂和废弃油脂等4种。已有研究将2011-2013年检索出的文献通过TDA分析工具对关键词进行分析，得到了筛选频次高于15的前10种生物柴油生产原料分别为微藻类、麻疯树、废弃油脂、菜籽油、棕榈油、豆油、葵花油、产油酵母和蓝藻细菌。其中，微藻类与麻疯树是目前研究最多的两种原料[2]。国际方面，美国在微藻类及蓝藻细菌的研究全球领先，且对微藻类的研究最多。由于不同国家的国情不同，在原料选择上也有较大差异，如欧、美等国家多以大豆油、菜籽油、芥末籽油等作为原料来源，日本多以餐饮废油作为原料来源，东南亚等国基本使用棕桐油。我国目前主要以麻风树油和棕榈油等木本油脂以及地沟油等废弃油脂为原料来源[1]。

生物柴油的生产历史分为三个阶段，其中以主要农作物(玉米、小麦、甘蔗和甘薯等)来源的淀粉、糖类、植物油和动物油中提取出的生物燃料为第一代生物能源。但这类燃料存在与粮争地、威胁粮食安全等问题[3]。面对当前全球性的粮食危机，以粮食(小麦、玉米等)为原料生产生物燃料的发展规划必然受到限制。利用农业上的非食用性植物纤维(如玉米杆、稻草、麦秆和树叶等)和林业剩余物制取出的生物燃料为第二代生物质能源。这些原料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，一般含量分别为40%～60%、20%～40%和10%～25%，其中纤维素、半纤维素是生产乙醇的主要原料[1]。但这类生物质能源存在着原料受生产限制、转化提取工艺复杂且转化率低等缺点。在这种背景下，第三代生物质能源——微藻生物柴油应运而生。藻类具有产油量高、生长速度快、环境适应能力强的特点，且具有不与农作物争夺农田和淡水资源的天然优势，是生产生物柴油的最佳原料。

2009年，美国联合环境和能源有限责任公司首次成功地开发出了水藻油转换成生物柴油的途径，该方法经济且环境友好[4]。2011年，Algenol生物燃料公司宣布利用蓝绿藻直接生产乙醇的中型一体化生物炼制厂在美国佛罗里达州奠基开建。我国也于2011年启动了973计划重大项目——“微藻能源规模化制备的科学基础”，从藻种选育、微藻能源规模化制备的生物学和工程学等3个方面对其存在的科学问题开展研究，为突破产业化的技术瓶颈、研发具有自主知识产权的转化技术提供相应支撑[5]。

可见，生物能源作为一种新型的石油能源的重要替代能源，越来越受到国家和社会的强烈关注，同时在能源的研究、利用和开发等领域存在着激烈的竞争。微藻由于其广泛性和特殊的特点和优势，被视为最具有发展潜力的第三代生物质能源，是可再生能源开发利用的重要发展方向。本文主要阐述了微藻油脂的生物合成、制备工艺、发展瓶颈和对策，以期为微藻生物能源的开发和利用提供理论参考和依据。

1 微藻油脂的组成及生物合成途径

1.1 微藻油脂的组成成分

微藻含有大量的叶绿素，具有很强的光合作用能力。微藻在一定条件下，可利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在藻体内合成大量油脂，其合成效率比产量最高的油料作物高20多倍(表1)。油脂主要以生物膜组分和代谢物的形式存在，并以一种储能物质存在于细胞内[7]，为细胞的代谢提供能量。不同种类微藻的油脂含量差别很大，甚至同一种类不同品系之间也存在较大差别[8]。一般大多数微藻的脂肪酸含量可达到细胞干重的20%～40%，部分微藻(如葡萄藻和裂壶藻等)的含油量可高达微藻干重的75%。微藻油脂的主要组分是甘油和脂肪酸，其中脂肪酸主要以C12～22的不饱和脂肪酸为主，并存在少量的饱和脂肪酸[9]。测定结果显示微藻油脂中主要是C12～24的化合物，以C14、C16和C18为主[9～13]。其碳链长度与石油来源的柴油烃类碳原子数(约10～22)相近。

表1 微藻和几种常见油料作物产油能力比较[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径

微藻油脂的合成始于光合作用，光能经过微藻光合系统中的PSI和PSII等转变成化学能，后经过一系列能量传递，进入卡尔文循环。在卡尔文循环中核酮糖-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-磷酸甘油酸可进一步生成其他油脂和多糖[14,15](图1)。由于核酮糖-1,5-磷酸羧化酶与CO2的亲和力较低，水环境中低浓度的无机碳难以确保光合作用的有效运转，因此很多藻类进化出CO2浓缩机制，以提高核酮糖-1,5-磷酸羧化酶周围的CO2浓度，再通过C3途径进行碳同化，维持其正常的生理碳需求[17]。除了CO2浓缩机制外，有些藻类的碳固定还具备C4途径的一些特征。通过对两种绿藻(Ostreococcustauri)[19]、绿色鞭毛藻(Ostreococcuslucimarinus)[20]、两种硅藻假微型海链藻(Thalassiosirapseudonana)[21]和对三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)[22]的基因组分析显示这些微藻均有可能编码C4光合作用的所有酶[23,24]。Riebesell[25]基于他人的研究结果提出了单细胞硅藻威氏海链藻进行C4途径的空间分化模式。高坤山等[17]从进化角度阐述和解释了为什么硅藻存在C4途径。由此可见这些藻类可能利用了C4途径进行CO2同化。

图1 藻类利用太阳能合成油脂途径[14～18]Fig.1 The synthesize pathway of microalgae oil with photosynthesis in microalgae[14～18].

2 微藻生物柴油的制备工艺

微藻生物柴油的制备是一个复杂的系统工程，涵盖多个技术环节，主要包括微藻的选育、培养、收获和干燥，以及油脂的提取和转化等工艺流程(图2)。优质藻种的选育是微藻生物能源技术的基础。藻种的选育目标是选育和培养出高光效、高抗逆并适应工业化规模培养环境的优质藻种。美国通过ASP计划筛选出300余株具潜力的产油藻种。中国海洋大学和中科院水生生物所亦选育并建立了一定规模的藻种资源库。但满足工业化培养的藻种资源仍然十分匮乏。微藻的收获和脱水技术与生产成本密切相关。絮凝和沉淀技术可以将微藻浓度浓缩到1%，回收量可达80%。通过气爆技术可将微藻浓度达到1%以上，回收量高达98%[26]。过滤和离心技术虽然原理简单，在各领域应用广泛，但成本较高。利用藻类油脂提取物三酰甘油酯制备生物柴油的常用方法是酯交换法。酯交换法又分为化学法酯交换法和酶法酯交换法。化学法酯交换法是在催化剂的存在下，利用甲醇与天然油脂发生脂交换反应，以甲氧基取代长链脂肪酸上的甘油基，将甘油基断裂为3个长链脂肪酸甲脂从而缩短碳链长度，降低油料粘度，改善油料的流动性能，达到作为机动燃料的使用要求。酶法酯交换法是利用酶作为催化剂的酯交换反应。酶法酯交换法具有专一性强、条件温和、环境污染小、催化活性高、反应速度快、安全性好等特点，但酶的成本高。随着生物技术的发展，酶法酯交换法将更具有工业化前景和发展潜力。超临界法是在超临界条件下完成酯交换反应，该方法通常无需催化剂的参与，转化率高，但对转化条件的要求很高。

图2 微藻生物柴油的制备工艺流程图Fig.2 The manufacturing technology of microalgae biodiesel.

3 微藻制备生物柴油的瓶颈及对策

尽管微藻生物柴油具有巨大的优势，但利用微藻生产生物柴油还处于初级阶段，仍然存在微藻的培养方法不够完善、采收过程繁琐、生物柴油制备技术欠佳等问题，目前主要瓶颈是生产成本高昂，使微藻生物柴油的产业化难以实现。降低生产成本是亟待解决的核心问题，目前用微藻生产生物柴油主要在以下几个方面存在问题和瓶颈[27]：①藻类油脂的含量和构成是决定生物柴油产量和品质的重要因素，满足工业化需求的优质藻种的选育是微藻生物柴油制备的必要条件；②高密度、高油脂的微藻培养体系的研究是降低收获成本、提高回收率必要条件；③优化藻类的分离工艺是降低成本的技术关键；④微藻生物柴油项目的投产和工业化是一个复杂的系统工程。目前各个研究机构的生产规模较小，需要各生产环节和科研机构的整合、协调和平衡发展。综合上述问题和瓶颈，可通过以下措施来解决，以充分提高其经济性和与化石柴油的竞争力：①通过基因工程手段发展工程微藻，提高微藻的生长速率和生物质含量；②优化和完善生物柴油转化技术；③加强副产品的回收和高附加值产品的开发和利用；④利用藻类对土地要求较低的特点，合理规划藻类养殖场所；⑤微藻的培养可利用城市的废液和废气作为微藻生产的培养原料，以达到生物能源和废液(气)循环再利用的目的。如结合污水治理、化工厂排放的有机酸和氨氮废水、食品加工厂的废弃物来培养藻类，利用发电厂排出的二氧化碳作碳源提高碳固定量。

4 展望

中国石油天然气集团公司石油化工研究院胡徐腾教授建议我国的生物能源的发展分为近中远三个阶段：以废弃油脂、棉籽油及工业棕榈油为原料制备生物柴油是近期目标；利用荒山、盐碱地等边际土地大力发展小桐子、黄连木、千年桐等木本油料资源制备生物柴油是中期目标；开展微藻技术和农林废弃物等生物质液化-气化技术的研究，实现未来生物柴油产业的持续化、规模化发展是长期目标[1]。由于藻类具有产油量高、生长速度快、环境适应能力强、不与农作物争夺农田和淡水资源等优势，被认为是生产生物柴油的最佳原料。从20世纪80年代第一代生物柴油的提出和迅速蓬勃发展，到以微生物油脂为原料的第三代生物柴油技术的相继成熟并不断取得重大突破，作为一种无限可再生且对环境友好的清洁燃料，微藻的研究为替代能源的开发利用、解决人类的能源和环境等问题都具有深远的意义。

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