微藻生物能源研究现状及展望*

朱顺妮，刘 芬,4，樊均辉，李显强，王忠铭†

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源与可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049；5.广东三新能源环保有限公司，广州 510630）

0 前 言

随着世界人口的不断增长、工业化的日益发展，人类对能源的需求不断扩大，致使能源危机日益严重。以现在的消耗速度，到2050年，传统石油燃料极可能消耗殆尽[1]。更重要的是，化石燃料燃烧释放大量温室气体，使得即使在后工业时代，环境中温室气体的含量仍以惊人的速度增长，约占25%[2]。因此，人类迫切地寻找环保和可再生性替代能源。生物质能源蕴藏量巨大，在不影响粮食生产和环境友好的前提下可为全球提供30%的能源需求，是可再生能源的重要组成部分[3]。在众多的生物质能源原料中，微藻具有种类多、生长速率快、固碳能力强、生长环境要求低等诸多优势而被认为是最有潜力替代传统化石燃料的生物资源[4]。例如，生产100 t微藻生物质可固定183 t CO2，而且生产的微藻燃料呈碳中性[5]。然而目前微藻能源产业化的成本居高不下，在生产过程中面临着诸多关键技术问题，致使微藻生物能源难以大规模产业化利用[6]。本文就微藻生物能源生产的主要环节如微藻原料的获取和生物能源炼制的相关情况进行概述，希望为微藻生物能源的发展提供借鉴。

1 微藻原料的获取

利用微藻制备生物能源的前提是获得大量的微藻生物质原料，在原料获取过程中涉及的主要环节包括藻种的培育、规模化培养以及采收。在各个环节中包括多种实现途径也面临诸多技术问题。

1.1 微藻育种

优良的藻种是提高微藻生物质产量、降低原料成本的关键。微藻育种的主要途径有自然选育、诱变育种和基因工程育种[7]。

自然选育是将自然界中的微藻进行采集、分离、驯化。中国科学院广州能源研究所从自然界中分离纯化得到200多株微藻，分别属于栅藻属、月牙藻属、纤维藻属、空星藻属等，其中有5株生物量可达6 g/L，最高总脂含量超过55%。自然选育育种周期长，难以实现定向选育，但自然界物种丰富，自然选育育种仍然是新的微藻资源和新基因的重要来源，在藻类研究方面具有重要意义。

诱变育种是目前最常用的藻种获取手段，包括物理诱变和化学诱变。物理诱变常用的诱变辐射源包括紫外线、半导体激光等各种射线、微波或激光；常用的化学诱变剂种类有烷化剂、核酸碱基类似物等[8]。研究者们已将诱变育种用于培育高脂质含量的藻种，并取得了一定的效果[9]。诱变育种操作可以方便、快捷地筛选到具有优良性状的藻株，但优良性状的诱变机理尚不明确，表现型不稳定。

近年来，微藻基因工程育种也取得了许多进展。微拟球藻（Nannochloropsissp.）进化历史复杂，基因序列可用于多个物种，已经产生了许多转录数据集，常作为基因组学的研究模型[10]。研究表明，苹果酸酶是丙酮酸代谢和固碳的关键酶。三角褐指藻中苹果酸酶的过度表达可以在不影响生物量的同时显著提高油脂积累量[11]。虽然基因工程技术已逐渐成熟，但在微藻中的应用还较少。未来还应多从微藻代谢途径等角度出发，加深对微藻微观水平的认识，以便将基因工程技术更好地运用于微藻育种。

1.2 微藻的规模培养

微藻的培养是影响微藻生物质产量的又一关键因素。微藻的培养方式主要包括异养和自养两种，部分藻种也可进行混合培养，培养过程中的主要影响因素有光照、温度、营养、pH等[12]。多种光生物反应器可用于微藻自养和混合培养，主要分为开放培养和封闭培养两类，包括开放池塘/跑道池、封闭池塘、封闭光反应器、塑料袋等，其中开放跑道池和封闭光反应器是较为经济可行的方法[13]。

20世纪60年代，OSWALD等[14]发明了“高效藻类塘”（high rate algal ponds，HRAP），用于大型循环系统的开放式浅层跑道池（图1），自此跑道池被广泛应用于微藻培养。跑道池影响微藻生长的主要因素包括光照、池深、混合方式、CO2的供应等[15]。目前，98%的商业微藻生物质来源于跑道池培养，包括高附加值产物的生产原料。封闭光生物反应器的主要形式包括管状式、柱状式和平板式（图2），其中管式反应器最为常见[16]。从20世纪90年代起，研究焦点主要被投放在光生物反应器腔内的有效光入射、光路、层厚、湍流和系统总体积中的O2释放等重要参数，后期的各类反应器也是根据这些参数不断优化以获得更大的光照面积[17]。两类反应器的优缺点见表1，需要根据实际生产需求具体选择。不论是开放培养还是封闭培养，都存在生物量浓度低、难以采收的问题。许多微生物有附着在物体表面生长的趋势，因此发展了微藻贴壁培养。其原理是在附着基质上形成一层较薄的“藻类膜”，极少的培养液浸润基质以提供营养和水分。贴壁培养系统可以降低微藻收获的成本，并有可能提高生物量[18-19]。

图1 开放式跑道池（中国科学院广州能源研究所能源微藻培养）Fig.1 Open raceway ponds (microalgae cultivation by Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences)

图2 封闭光生物反应器：（a）管式光生物反应器；（b）气升式柱状光生物反应器；（c）平板式光生物反应器Fig.2 Closed photobioreactors: (a) tubular photobioreactors; (b) air-lift columnar photobioreactors; (c) plate-type photobioreactors

异养培养利用有机物作为能量来源，摆脱了光照的限制，降低了对培养装置的要求，可以在传统的发酵罐中进行，实现藻细胞高密度培养。许多微藻的油脂生产力在异养条件下大幅提高，最高油脂含量可达干重的80%[20]。O2的供应是微藻异养培养的关键因素，若存在O2的限制会降低微藻的生长速率从而降低生物量[21]。

虽然新型高效的光生物反应器不断被开发利用，但因营养物质的投入和能耗等原因，微藻的培养成本一直居高不下。为进一步降低成本，同时结合日益严重的水污染问题，利用废水培养微藻逐渐成为研究的热点。农畜污水、生活污水以及工业污水都已被尝试进行微藻培养，在对污水中氮、磷等物质去除的同时获得微藻生物质[22-24]。SHEN等[25]利用厌氧发酵废液贴壁培养小球藻，藻生物膜的最大产率为57.87 g/(m2·d)，油脂产率38.56%，总氮和总磷的去除率分别为96.05%和99.83%。目前，中国科学院广州能源研究所已在广东省佛山市建立占地约 2.67 hm2的利用奶牛场废水培养微藻的示范基地。该示范工程结合了能源微藻培养和养殖厂废水处理，包括能源微藻藻种筛选和保存、室内逐级扩大培养、室外封闭反应器扩大培养、室外开放跑道池培养、采收干燥和油脂提取等技术过程，培养规模达2 000 m3。解决微藻室外规模化培养不稳定、易污染和养殖厂废水中氮、磷等难去除等问题，最终还可得到能作为制备生物柴油的原料能源微藻油脂。将微藻培养和废水处理相偶联一举两得，是实现可持续发展的有效途径。

表1 开放式光生物反应器和封闭式光生物反应器主要优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of open and closed photobioreactors

1.3 微藻的采收

微藻细胞微小，悬浮于水体中，浓度较低，细胞表面带有负电荷。用于收获、脱水的设备耗能大约占整个生物质获取过程的90%[26]。用于微藻采收的方法主要有沉降、离心、过滤、浮选和絮凝法，絮凝法包括物理絮凝、化学絮凝、生物絮凝以及电解絮凝[27-28]。各种微藻采收方法的优缺点如表2所示。为了进一步提高微藻采收率和降低能量消耗，通常将几种收获技术耦联使用，如在离心和过滤之前将微藻培养液进行沉降。进行微藻采收时要合理选择采收方法，充分考虑到微藻生物质的含水量、盐含量、细胞损伤程度等方面，保证微藻生物质的进一步利用。未来还需根据微藻特性进一步探究无毒无害、经济有效的方法以促进微藻产业的发展。

表2 不同微藻采收技术的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of various algae harvesting techniques

2 微藻生物能源炼制

2.1 生物柴油

微藻生物柴油是指以微藻油脂为可再生的油脂原料通过酯交换或热化学工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。微藻油脂的获取是制备微藻生物柴油的前提，因此生物柴油的制备通常分为油脂提取和生物柴油制备两步。

2.1.1 油脂的提取

微藻油脂提取技术主要包括有机溶剂萃取法、超临界流体萃取法、耦合提取法等。有机溶剂萃取法是广泛应用的微藻油脂提取方法，包含双溶剂提取法、快速溶剂提取法等[29-30]。快速溶剂提取法在高温高压条件下进行有机萃取，比传统溶剂法省时、省溶剂、提取率高[31]。有机溶剂萃取法对油脂提取率高、易于规模扩大化，但多为易挥发有毒试剂，研究者也在不断探寻低毒或无毒溶剂，例如低共熔溶剂[32]。超临界流体萃取法主要为CO2超临界萃取，因CO2超临界条件温和、无毒、易回收等优点而被广泛应用。程霜等[33]在萃取压力25 MPa、温度40℃、时间2 h、CO2流量30 kg/h条件下，获得螺旋藻油的萃取率是95.30%。这些方法都要求微藻原料为干燥粉末，而浓缩干燥费时耗能。为了避开浓缩干燥步骤，亚临界水提取、原位萃取等新方法应运而生，但仍处于研究阶段。

2.1.2 生物柴油的制备

部分藻类的油脂含量占干重的25% ～ 77%，明显高于富含油脂的陆生作物。脂肪酸链长为C15～ C22、不饱和水平较低的原料最适合生产生物柴油。生物柴油的制备方法包括物理法和化学法，其中物理法包括直接混合法、微乳化法，化学法包括热裂解法、酯化和酯交换法。酯交换法是制备生物柴油的常用方法，即天然油脂和醇（如甲醇）在催化剂（酸、碱、酶）作用下进行酯交换反应，生成脂肪酸酯（生物柴油）和甘油（图3）。

图3 油脂转酯化成生物柴油Fig.3 Transesterification of oil to biodiesel

工业生产过程中每摩尔甘油三酯需要使用6 mol甲醇。这些过量的甲醇确保了反应朝着甲酯的方向进行，即向生物柴油方向进行。按重量计，甲酯的收率超过98%[34]。许多微藻脂肪酸的不饱和程度高，会对氧化稳定性、燃烧热和十六烷值产生负面影响，不能作为生物柴油原料[35]。最近，研究者也在尝试油脂加氢技术制备生物柴油。与传统的酯交换法生成的脂肪酸酯柴油不同，加氢技术生成的产物是烷烃生物柴油，其组成与石化柴油完全相同，可与石化柴油混合或直接替代使用，因此具有更广泛的应用前景。

为了省去油脂提取步骤，进一步简化工艺，一些新兴的方法如原位转酯化制备生物柴油逐渐发展起来。SHIRAZI等[36]在超临界甲醇条件下，以正己烷为共溶剂，制备螺旋藻生物柴油，最高产率为99.32%。原位转酯化法直接利用微藻进行反应，转酯化率高，但其并未对碳水化合物和蛋白质进行综合利用。所以在未来的研究应用中还是要对比酯交换法和原位转酯化的经济性。

2.2 生物乙醇

生物乙醇是当今应用最广的生物燃料，约占全球生物燃料的90%。微藻生物乙醇通常是以微藻生物质中的淀粉、纤维素等碳水化合物为原料经微生物发酵后蒸馏制得乙醇[37]。首先，将糖类物质从微藻生物质中提取出来，通常使用机械法或酶解法破除细胞壁使其溶出；其次进行发酵。油脂提取后得到的残渣也可作为乙醇发酵的底物。发酵法包括两步法和一步法。两步法是先将提取的淀粉、纤维素等糖化成可发酵糖，然后利用酵母菌进行发酵。若用于发酵乙醇的微生物可以产生淀粉酶，则这两个过程可一步同时进行[38]。据报道，发酵生物乙醇的浓度和得率分别为3.6 ～ 11.7 g/L和197 ～ 260 mg/g[39]。AIKAWA等[40]利用蓝藻发酵得到生物乙醇6.5 g/L，得率350 mg/g。微藻的碳水化合物组成成分复杂，这决定了生产工艺的复杂性。不能被酵母菌利用的多糖限制了生物乙醇的生产效率。未来应着重于筛选碳水化合物组成较为简单，可被酵母菌利用率高的藻株，保证原料的一致性。

一些种类的微藻可以直接产生乙醇。在黑暗异养条件下，部分微藻可以生存并合成碳水化合物。如果建立黑暗缺氧条件，积累的淀粉的氧化反应就会变得不完全，根据微藻种类不同，生成氢气、二氧化碳、乙醇、乳酸、甲酸、乙酸等产品[38]。也可以利用基因工程等手段定向选育具有乙醇生产能力的微藻。

2.3 生物燃气

生物燃气即沼气主要由CH4和CO2组成，还有痕量的其他气体，如 H2S。生物燃气的制备是一个厌氧消化过程，包括水解、发酵和产甲烷三个连续阶段。在水解阶段，复合化合物被分解成可溶性糖。然后，发酵细菌将其转化为醇类、乙酸、挥发性脂肪酸和含有H2和CO2的气体，这些产物被产甲烷菌主要代谢成 CH4（60% ～ 70%）和 CO2（30% ～40%）[41]。

据估计，藻类生物质转化为甲烷可回收和提取油脂同样多的能量，同时，留下的富含营养的废弃物（沼液）可以再循环到新的藻类生长培养基中[42]。C∶N比例对厌氧消化过程的稳定和高效起着至关重要的作用。沼气生产的最佳 C∶N比例在 20∶1和30∶1之间，而较低的C∶N比例可能导致营养不平衡以致较低的沼气生产率。过低的 C∶N比例可以通过藻类生物质与贫氮有机物质（如纸张废弃物和污水污泥）的共同消化来避免[43]。

2.4 生物油

所谓生物油是指通过快速加热的方式在隔绝氧气的条件下使组成生物质的高分子聚合物裂解成低分子有机物蒸气，并采用骤冷的方法，将其凝结成液体。目前，微藻生物油的制备主要有热解和水热液化两种方式[44]。

热解是指在没有氧气的情况下对生物质进行热处理，在400 ～ 600℃下将干生物质转化为生物油、木炭和气体，通常包括快速热解和慢速热解两种。制备微藻生物油常为快速热解即较高的升温速率（如 1 000℃/min）、较短的停留时间（几秒），以保证生物质最多地转化为液体（生物油）。慢速热解会使生物质更多地生成焦油和焦炭[45]。在MIAO等[46]的研究中，小球藻和铜绿微囊藻的热解生物油收率分别为18%和24%。事实上，热解产生的能量比其消耗的能量要少，主要是由于湿藻干燥过程中能量损失很大。尽管热解具有利用整个微藻生物量的优势，但是高成本可能会阻碍这项技术的全面发展[47]。

水热液化与热解相比具有明显的优势。该过程一般在 250 ～ 375℃、10 ～ 20 Mpa条件下进行，且只要求藻浆中生物质的含量在5% ～ 20%，而这只需要消耗脱水过程12%的能量[48]。反应的过程十分复杂，主要涉及蛋白质、油脂、碳水化合物的转化，产物包括生物油、气体、生物炭和水相组分[49]。微藻水热液化的产油率除了和反应条件有关，物质的组成是另一决定性因素。研究表明，藻类生物质的生物油产油率因生化组成不同一般比微藻自身的油脂含量高5% ～ 25%，且对于生物油的贡献从大到小依次为油脂、蛋白质、碳水化合物[50]。通常，水热液化所得生物油的热值与化石原油相近[51]。JENA等[45]比较了热解和水热液化两种方法制备生物油，结果表明热解产油率显著低于水热液化产油率。此外，热解产生的生物油比液化产生的生物油具有更低的能量含量和稳定性。

BILLER等[50]的研究指出碳水化合物对生物油的贡献较小，多数的产物进入水相，大量多糖物质的存在会导致反应过程中能量不平衡。为了进一步提高水热液化过程的经济性，研究者探索利用两步法或微藻工业残渣进行生物油生产。两步法即在低温反应阶段获取多糖，然后利用残渣制备生物油，可获得更高品质的生物油，并减少生物炭的生成[52]，是一种将微藻综合利用而更具经济性的方法。目前也出现了一些新型热解液化方法，如微波热解液化[53]、热化学催化液化[54]等。微藻生物油的研究越来越广泛，取得了一些进展，但仍存在一些问题，如对于生物油制备的反应机理认识不足，难以实现转化过程的调控。经济高效催化剂的选择以及催化剂的作用机理都需进一步研究。

3 展 望

研究开发微藻生物能源特别是生物柴油和生物油替代传统石油燃料用于交通运输，具有广阔的前景。微藻生物能源的经济性受到现有技术水平和传统化石燃料价格双重影响，大规模工业化应用的发展受到限制。综上可知，微藻生物能源发展的首要阻碍是藻种的选育，藻种的特性影响着后续的多个重要环节如培养、油脂提取和转化等。规模化培养是获得生物质的关键，目前存在的问题仍是如何实现光能的高效利用，解决油脂积累和生物量积累不匹配问题。生物能源产品多样，生产工艺仍需进一步优化以降低成本。未来，微藻生物能源的研究应集中在以下四个方面：

（1）微藻微观水平的认识。从分子水平上认知微藻，了解其代谢途径和机理，如微藻油脂积累途径和太阳能转化途径。微观水平的认识有利于使用现代化基因技术构建生长速度快、生物量高的优良藻种，提高微藻的太阳能转化效率，解决油脂积累与生物量积累的矛盾。

（2）生物能源炼制的理论研究。提取与转化是生物能源炼制的主要环节。研究微藻细胞壁的结构和化学组成与细胞强度之间的关系，有利于寻找新型的提取方法。对生物质转化过程中的传热、传质以及化学动力学规律的掌握是提高转化效率和实现反应调控的基础。

（3）大规模试验工程。目前，生物能源的炼制工艺已逐步完善，但还集中在实验室水平。需要建立大规模的试验工程来检验实验室的研究成果，并从中发现实际问题，进一步解决问题，便于未来微藻生物能源的工业化应用。

（4）微藻的综合利用。近年来，研究者们提出利用微藻生产高附加值产物反哺能源产业，实现微藻的综合利用。这是降低微藻生物能源成本行之有效的策略，未来可以此为出发点进一步开展研究。