微藻生物柴油简介及其研究进展
微藻生物柴油简介及其研究进展
摘要:随着全球经济的快速增长,对石油和煤炭等传统化石能源需求的大幅度上升,化石能源短缺危机已迫在眉睫,对生物质能等可再生能源的关注渐成焦点。生物柴油作为化石能源的替代燃料在国际上已经得到广泛应用。生物柴油的可持续发展,必须有稳定和优质的原料来源,其中微藻被认为是生产生物柴油的优良原料。本论文阐述了微藻的简介以及利用微藻制备生物柴油的研究进展。
关键词:微藻;生物柴油;研究进展;前景展望
1 前言
随着全球经济一体化的不断发展,石油作为战略资源已成为世界各国能源经济的最主要内容。发展替代能源是保障能源安全的重大战略举措,近年来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、应用最广的可再生能源。生物柴油是由植物油、动物脂肪及微生物胞内油脂类物质与短链醇经过酯交换反应而得到的有机脂肪酸脂类物质。与植物油和动物脂肪相比,藻类容易培养,脂肪酸含量高,被认为是未来生物柴油发展的趋势之一,而利用微藻制取生物柴油更具有发展空间。
2微藻简介
微藻是一类在陆地、海洋分布广泛,营养丰富、光合利用度高的自养植物,细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素等,使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等领域具有很好的开发前景。无论是从生态学还是从植物系统学的研究来看,微藻都是我们这个地球上最基本最重要的生产者,没有了它们其它形式的生命的生存便会受到致命的威胁。
微藻是介于陆地微生物与植物细胞之间的一类单细胞生物,与陆地微生物相比,微藻具有如下特点:
(1)微藻具有叶绿素等光合器官,是非常有效的生物系统,能十分有效地利用太阳能通过光合作用将H 20、CO 2和无机盐转化为有机化合物。同时因其固定
CO 2 可以减少温室效应。
(2)微藻的繁殖一般是简单的分裂式繁殖,细胞周期较短,易于进行大规模培养,并且微藻通常无复杂的生殖器官,使整体生物量容易采取和利用。
(3)可以用海水、碱水或半碱水培养微藻,是淡水资源短缺、土地贫脊地区
获得有效生物资源的重要途径。
(4)微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物,某些种类还富含油料、微量元素和矿物质,是人类未来重要的食品及油料的资源。
(5)微藻能够提供不同类型的可再生生物燃料,包括用海藻生物质经厌氧消化后产生的甲烷、从微藻油脂中提取的生物柴油以及直接用光合成的生物氢气。 3 微藻制备生物柴油的优势
(1)微藻可以实现二氧化碳的减排
随着石油、天然气和煤炭大量的消耗和使用,许多城市的空气质量状况较差,严重威胁着城市的发展和人们的健康。二氧化碳的大量积聚,引起温室效应,导致全球气候变暖。
微藻通过光合作用固定空气中的二氧化碳,每增加一吨微藻生物质,就相当于排放两吨化石能源释放的温室气体。微藻在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零;由微藻制造的生物柴油更能适应国内外对二氧化碳减排的要求,与普通柴油相比,微藻生物柴油可减少约90%的空气毒性。它含硫量低,二氧化硫和硫化物的排放比普通柴油少30%;含氧量高,可达11%;点火性能好,燃烧时排烟少,一氧化碳的排放与普通柴油相比少10%。另外生物柴油不含导致环境污染的芳香族烷烃,废气对人体的损害也要远远低于普通柴油。
(2)微藻在地球上分布广泛,适应各种生存环境
包括终年被冰雪覆盖的南北两极,pH 极高或很低的湖泊水潭、盐碱沼泽甚至盐度饱和卤水,在大洋深处、高山之巅以及火山口、地热温泉、干旱沙漠等对生命过程极为不利的极端环境中都有微藻繁衍生息。我国几乎所有木本油料植物都集中生长在南方亚热带地区,微藻完全不受此限制。
(3)微藻养殖不需要占用耕地
目前生物能源的来源都是现有的陆生植物甚至粮食作物,而实际上,广阔的海洋才是地球上吸收太阳能的主要区域,而且利用陆生植物甚至粮食作物制取生物能源,需要与人类或者动物分粮食,这显然不是一个合理的长远途径。
(4)微藻的生长速度远远高于其它油料作物
比如产油较高的木本植物麻疯树,须3年挂果投产,5年方进入盛果期,每年仅在十月份产果一次。而微藻在正常生长时其生物量每24小时便可翻倍,在
指数生长期,倍增时间甚至可以缩短至3.5小时。
4 微藻制备生物柴油的技术经济性
现在广泛用于生产生物柴油的大豆、棕榈等油料作物的含油量不足其全部生物量的5%,而微藻含油率最高可达其干重的80%以上,一般也在20%~50%之间;传统油料作物的产能远远低于需求,比如产率最高的作物之一油棕榈,每公顷产油仅5950升,但是美国一年就要消耗近5.3亿个立方。假如全部由棕榈提供,那么至少需要1.11亿公顷土地,将近全美所有耕地的61%;换作干重含油率为30%的微藻,每公顷可产油123个立方,除去维护时间,平均产油98.4立方,仅需要占地5400万公顷便可满足美国年消耗量,相当于全美耕地的3%。即使微藻干重含油率为15%,也仍然具有可行性。
5 利用微藻制备生物柴油的研究进展
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、有机化肥和甲烷。
(1)产油微藻的种类
金藻纲、黄藻纲、硅藻纲、绿藻纲、隐藻纲和价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、球等鞭金藻、硅藻、小环藻和三角褐指藻等。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。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。
(2)微藻制备生物柴油的大规模工业化生产
由于人们对微藻认识的不断加深,渐渐意识到微藻如果进行产业化的生产,那么微藻高密度大规模的培养是十分重要的,但是目前人们所能利用的微藻资源十分有限,微藻的培养容易受到污染,收获比较困难,生产成本很高,这些都限制了微藻大规模工业化的生产。
微藻生物柴油是唯一能满足全球需求的可再生的生物柴油,具有诸多优点,
完全有可能取代来自石油液体燃料。但目前生产微藻生物柴油主要存在的成本问题必需大幅改善,才能与石化汽油抗衡。
利用高等植物和微藻生产生物燃料,其能量都来自于太阳光。地球上单位面积、单位时间内接受到的太阳光能是在限定范围内的,要生产巨大量的生物燃料,依赖于巨大的植物或微藻生产占地面积,从巨大的面积上把生物量收集起来才能进行工业化加工。生产、收集和运输生物量所耗费的能量与生物质可产出的能量之间的关系,是决定生物能源产业发展的关键问题。微藻在单位面积上的高能量密度产出是相对于高等植物产油的关键优势。但是,以目前的技术水平,微藻培养也存在单位面积生产能耗大、投入成本高的问题,微藻生物柴油要真正成为一种替代能源,降低微藻的生产能耗和成本至关重要。
首先是选育快速生长和高脂质含量的微藻,优化培养条件和工艺,在光生物反应器工程中充分利用生物炼油厂的理念和发展,采用大规模生产来降低生产成本。此外,生产低成本的微藻生物柴油的主要途径是通过遗传和代谢工程改善藻类生物,大幅提高其生长速度和脂质产量。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。生物体内脂质积累过程和调节机制非常复杂,导致脂质积累过程中某一关键蛋白的过量表达受到其他关键路径的限制并不能有效提高脂质产量。因此,针对某一特定路径的基因工程改造对脂质积累的作用是非常有限的。完整描述脂肪酸合成和脂质积累,进一步研究脂质代谢各路径的调控机制具有重大指导意义。基于脂质合成和代谢路径与调解机制相结合的基因工程改造将是以后工程微藻研究的主攻方向。
目前规模化生产微藻可行的方法是使用跑道池和管状光生物反应器,即可分为两类:开放式(敞开式)和封闭式。开放池培养成本相对较低,但藻类生长所达到的细胞密度较低,某些情况下易于被当地其他微藻侵染,水蒸发量大。密闭培养可达到较高的藻细胞密度,不易被杂藻侵染,水蒸发量小,但反应器造价和运转成本较高,因而需要发展出集二者优点而回避其缺点的新型培养方式。
藻脂质的提取方法主要有氯仿-甲醇法、酸水解法、索氏提取法。氯仿-甲醇法提取油脂有剧毒性和难回收性,且对高水份样品的测定更为有效;酸水解法水解时易造成大量水分损失,使酸浓度升高;测定的样品若无充分磨细,则结合性
脂肪不能完全游离,致使结果偏低,同时用有机溶剂提取时也往往易乳化;索氏提取法是经典方法,对大多数样品结果比较可靠,但费时间,溶剂量大,且需专门的索氏抽提器。不论哪种方法,都存在能耗大或溶剂损失代价高的问题,因此发展低能耗的、经济的提油技术也是面临的问题之一。
另外,微藻培养液中细胞只占很小一部分,绝大部分是水,需要发展出低能耗的收集细胞并循环使用培养液的技术。
6 利用微藻制备生物柴油存在的问题与对策
尽管利用微藻作为生物柴油原料制备有很多优点,但在微藻的规模化培养及制备生物柴油过程中仍存在许多问题:(1)微藻生长速率相对较低,繁殖条件要求严格,因而前期投资较大;(2)需要甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或者碱性催化剂作用下进行酯交换反应,生成相应的脂肪酸甲酯,再经洗涤干燥得到生物柴油,因而成本相对昂贵;(3)微藻培养结束后,需要特定的设备将其从水中分离出来,进一步增加投入;(4)培养时需要纯净CO2和有机物(乙酸盐、葡萄糖等),并且要求用化合物作为矿物营养的来源,这些条件会增加投资。
由此可见,阻碍微藻生物柴油成为商业化燃油的主要瓶颈是成本高。传统的油脂提取和酯交换制备生物柴油工艺复杂,产物纯度低和产生大量废水都是导致高成本的重要因素。研究表明,微藻基因工程在我国有明显的优势,提出如下对策:
(1)微藻油脂的提取可采用流动反应器甲酯化——酯交换反应——分离一体化新工艺,并回收高品质甘油;此外,常温常压下固定生物酶法制备生物柴油新工艺,消除甲醇及副产物甘油对酶反应活性及稳定性的影响,将副产物甘油进一步转化为高附加值产品1,3-丙二醇,从而提高微藻制备生物柴油的经济效益。
(2)通过加强对微藻的基因工程改良,采用微藻基因工程技术,如克隆与脂类代谢有关的基因、分析新的调节元件、构建新的受体转化系统,使酯类基因在微藻中的表达效率提高;通过海水培养训化含油微藻,降低培养成本;控制培养液中C/N比例、延长细胞营养生长阶段等调控手段,提高转基因微藻细胞的总脂含量。
(3)加强微藻养殖场与炼油厂的联系,双方合作交流,既要考虑到高油微藻的生长和收获的连续性,也要与大炼油厂的常年生产进行协调。根据不同养殖地区的环境条件和炼制要求,提高工程微藻适应能力和产油率。培育海洋高油微藻,
利用现有沿海湿地及滩涂地区规模养殖,这有利于解决原料的长期供应问题,如在沿海滩涂电厂附近建设海洋高油微藻反应器,利用电厂排放的CO2作为培养微藻所需的碳源。
7 总结与展望
随着化石能源的枯竭,新型可再生能源的研发势不可挡,无论在未来的经济建设或社会发展等方面,生物燃料是一种非常优良的新型可再生能源。在众多的生物质中,微藻被认为是取代石油液体燃料最理想的可再生生物柴油原料,通过微藻生产生物柴油在技术上是可行的,并且它是实现生物燃料完全替代化石燃料的最佳途径,具有广阔的开发利用前景。
参考文献
[1]孔维宝,华绍烽,宋昊,夏春谷. 利用微藻生产生物柴油的研究进展. 中国油脂,2010年第35卷第8期
[2]汪林祥,孟春玲. 微藻生物柴油综述. 先进技术研究通报,2010,V ol.4 No.2/Feb. [3]王桂琴,黄权,张东鸣,等. 可利用微藻及其应用研究现状. 北华大学学报,2010,2(6):529-531.
[4]梁国斌,李小华. 利用微藻制备生物柴油的研究进展. 江苏技术师范学院学报,2010,V ol.16No.3/Mar.
[5]李乃胜. 关于发展海藻生物能源的认识与建议[N ]. 科学时报,2009-02-09(A2).
[6]孙俊楠,张建安,杨明德. 利用微藻热解生产生物燃料的研究进展. 科技导报,2006,24(6):26-28.
[7]张建民,刘新宁. 可利用微藻的种类及其应用前景. 资源开发与市场,2005, 21(1).
[8]高亚辉.海洋微藻分类生态及生物活性物质研究[J].厦门大学学报(自然科学版) ,2001,40(2):566—573.