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微藻生物柴油的发展

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2011年第46卷第6期 生物学通报 微藻生物柴油的发展术 高春芳 余世实 吴庆余一 (清华大学生命科学学院 北京 100084) 摘要 微藻生物柴油是一种具有较大发展潜力的可再生能源,与动、植物为原料制备的生物 柴油相比,它有不占用耕地、产油效率高等优点。目前,微藻生物柴油在国内外都有很大发展.产 业化的进程也在逐步推进。介绍了高油脂含量微藻的种类、微藻合成油脂的机理研究、微藻的培 养技术及微藻生物柴油的产业化现状.并对微藻生物柴油发展中的一些问题进行了分析 关键词 微藻 生物柴油 油脂合成 培养技术 中国图书分类号:o77 文献标识码:A 1 生物柴油 效率高于一般作物,对CO 的固定能力强,产 100 t微藻生物质可以固定大约183 t CO,.而且 生物柴油是以动、植物油脂为原料制备的一 种长链脂肪酸甲酯。美国于20世纪90年代初开 始了生物柴油的商业化生产,目前主要以大豆为 原料。欧洲是生物柴油使用最多的地区.份额已经 占到成品油市场的5%,主要原料为菜籽油。我国 工业化生物柴油主要以菜籽油、棉籽油、乌桕油、 木油、茶油和地沟油为原料制备。但动、植物油脂 的产量有限,目前的生产只能满足车用燃料的 0.3%,而且大量用植物油脂生产生物柴油。势必 有些微藻能耐受高浓度的CO,(~15%),因此,工 厂中化石燃料燃烧排放的废气可用于培养微藻。 此外,微藻还能利用工厂或农业废水中的氮、磷及 其他元素,有利于废水的处理和综合利用。 5)占地面积小。微藻可以培养在湖泊、干旱或 半干旱环境中,不占用耕地;此外,微藻的生物量 大,含油量高。所以,单位面积的产油量远远高于油 料作物。大豆、油菜、麻风树、油棕榈的年产 油量分别为446 L/hm。、l 190 Uhm 、1 892 L/hm 、 5 950 L/hm ,而含油量30%的微藻每年的油产量可 达12 000 L/hmz.要生产相同量的生物柴油,培养微 藻的占地面积远远小于种植油料作物的面积。 会造成土地资源的紧张和农作物价格的上涨。在 这种情况下,微藻生物柴油以其独特的优势吸引 了越来越多人的关注。 2 以微藻为原料制备生物柴油的优势 1)培养周期短。微藻的生长周期远远短于油 料作物.倍增时间一般在24 h以内,达到最高生 物量通常只需要1~2周。 2)产油效率高。一般油料作物种子的含油量 为15%一30%,微藻含油量在20%~6O%,而且培养 6)改造空间大。可以通过改变微藻的培养条件 来提高含油量。目前一般是采用限氮培养的方法。微 藻的基因工程改造比植物要相对简单。采用基因工 程的手段提高密度和含油量也是一条可行的路线。 3利用微藻生产生物柴油的研究现状 微藻产生的所有生物质都可以用于油脂的提取。 3)油脂质量好。微藻的油脂组成与油料种子 3.1 微藻种类及培养方式 根据研究,目前发现 含油量高的微藻主要有小球藻(Chlorella sp.)、杜氏 很相似,主要是C16和C18系脂肪酸。微藻生物 柴油在物理和化学特性上与传统柴油相似,能够 达到国际生物柴油的标准(EN14214),此外,其较 盐藻(Dunaliella sp.)、微绿球藻(Nannochloropsis sp.)等真核藻类。微藻的高含油量往往被视为生产 生物柴油的基础.但微藻的生长速率也是一个很 重要的因素。如下表l1 所示,虽然杜氏盐藻 (Dunaliella tertiolecta ATCC 30929)的含油量可达 低的冷滤点,使发动机在低温下也可以保持良好 的启动性能。 4)环保优势强。微藻为单细胞藻类,光合作用 60%以上,但其生长较慢[0.10 g/(L,d)],产油速 基金项目:国家自然科学基金(30970224,41030210),科技部863及973项目(2009AA064401,2010AA101601,2011CB808800) 通讯作者 2 生物学通报 2011年第46卷第6期 率为60.6~69.8 mg/(L,d),与含油量仅为22.7%~ 29.7%的微绿球藻(Nannochloropsis oculata NCTU一 进行光合作用。由于异养微藻不需要光照,而直接 利用外界营养.可以在较短的培养周期内达到高细 3)相比,产油速率要低将近1倍。所以,要综合衡 量一株微藻是否适于生产生物柴油,产油速率是 一胞密度,同时,细胞的含油量也有明显提高。小球藻 (Chlorella protothecoides)在异养培养条件下含油量 提高了约5倍,产油速率是自养微藻的20倍[z-。为 进一步降低成本,廉价的碳源,如:甘蔗、菊芋、甜高 粱和木薯等,也用于微藻的异养发酵培养。 混养微藻以光合作用为主要的能量来源,但 个很重要的标准。有些藻细胞的生长和油脂含 量还与培养条件密切相关。目前主要的培养模式 有自养、异养和混养。 自养是微藻最常见的生长方式,不同种属的 藻类在自养时的含油量有很大差别,一般可以通 过降低培养基中的氮源或其他营养元素提高藻细 胞的含油量。但是,由于自养藻类需要充足的光 照,能达到的细胞密度比较低,在营养缺乏和营养 外界的有机碳源和C0,对细胞都是必需的。这种培 养条件减少了CO,的释放,但是微藻的含油量和细 胞密度并没有太大提高,所以目前应用并不广泛。 此外,一些新的微藻培养模式也在探索中,例 胁迫的条件下。细胞密度更低,这就大大降低了微 如,光合一发酵模型.这是一种先自养然后加碳源 培养的模式,既可以弥补自养细胞密度和含油量 藻的产油效率,也给细胞的收获带来很大困难。表 中最高的自养微藻产油效率为178.8 rag/(L,d)。 一不高的缺点,也将整个过程中CO2的释放降低了 些微藻除能自养外,还可以异养生长,在这 61.5%,提高了光合作用的贡献和糖的利用效率。 是一种比较有发展前景的培养模式 。 种条件下,微藻只利用外界的有机碳源,而不需要 不同微藻的含油量及产油速率 3.2微藻油脂合成的机理研究油脂是细胞中主 乙酰辅酶A,参与脂肪酸合成。这个过程也存在于 藻类细胞中 ,如果在微藻中强化该过程。可进一 要的能量储存物质之一.富油微藻中主要积累甘油 三脂(TAG)。TAG的合成在动、植物中也是广泛存 在的,真核藻类中合成途径与动、植物细胞没有太大 差异。但是,对于微藻细胞油脂积累的方式,以 步提高碳的利用效率,减少C D7的释放。TCA循环 中的苹果酸也可以在NADP+依赖型的苹果酸脱氢 酶催化下合成丙酮酸,用于脂肪酸的合成。Zhang 等 以卷枝毛霉Mucor circineIloides)为模型,利用 基因工程方法成功实现对苹果酸酶的过量表达。 及如何通过基因改造提高细胞的油脂产量,目前的 研究还处于初期阶段,大量的工作仍在不断完善中。 3.2.1 脂肪酸的合成 脂肪酸合成的前体物质乙 酰辅酶A是丙酮酸由丙酮酸脱氢酶系氧化脱羧后 生成的,丙酮除来自于一般的糖酵解途径。还有另 使其脂肪的合成提高了2.5倍。这些研究对于提高 微藻脂肪酸合成具有重要的借鉴意义。 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)催化丙酮酸 合成草酸乙酸进入氨基酸合成途径.PEPC和乙酰 外2条途径。在甘蓝型油菜(Brassica napus.1的胚中 发现RuBisCO固定CO 的过程可以于光合作 用之外,1,5一二磷酸核酮糖经RuBisCO催化后.形 成的3一磷酸甘油酸可进入糖酵解途径,进而合成 辅酶A羧化酶属于底物竞争的酶,所以,如果降低 PEPC的活性,就能使碳更多地流向脂肪酸的合成 途径。对甘蓝型油菜、大豆和聚球藻的研究也都证 201 1年第46卷第6期 生物学通报 3 实了这一推论l5],通过基因沉默减弱PEPC的活 性后,细胞中脂肪的含量都有不同程度的升高。 3.2.2 甘油三酯的合成 甘油三酯(TAG)合成 的另外一个前体物质为甘油一3一磷酸。磷酸二羟 丙酮在3一磷酸甘油脱氢酶的催化下可以生成甘 油一3磷酸,所以3一磷酸甘油脱氢酶被认为是调 控TAG积累的关键酶之一。在甘蓝型油菜中过表 达3一磷酸甘油脱氢酶,种子的甘油一3磷酸含量 提高了3~4倍,油脂含量提高了40%。TAG合成 的最后一步是由二酰甘油酰基转移酶(DGAT)催 化的,在大豆和拟南芥中的研究发现,DGAT在含 油高的种子中活性较高,在拟南芥中过表达该基 因,可提高种子含油量 此外,在真核藻类细胞中,淀粉也是一类主要 的能量储存物质,有些研究通过阻断淀粉的积累 来打破细胞内能量分配.促进脂肪的积累。衣藻的 2个淀粉合成受阻突变株sta6和sta7.在限氮培养 条件下,TAG的积累都提高。小球藻的无淀粉型突 变株中多不饱和脂肪酸的含量也提高了4倍 。 3.3 微藻培养技术 微藻的大规模培养是将微 藻生物柴油推向商业化应用的前提.开发和研制 新型高效的微藻培养系统并实现微藻的高密度培 养已成为微藻生物技术的重要组成部分。根据微 藻营养方式的不同,微藻大规模培养技术主要集 中在新型光生物反应装置的设计及微藻异养高密 度发酵技术上 3.3.1 开放培养系统 开放式培养系统主要是 一些天然的水域或人工池塘等,具有成本低、易操 作、能耗少等优点。目前.比较常用的是跑道式培 养池,该系统一般是深15~30 em的环形浅池。以 自然光为光源和热源,靠叶轮转动的方式使培养 液混合、循环,防止藻体沉淀并提高藻体细胞的光 能利用率;通人空气或CO:气体进行鼓泡或气升 式搅拌。为防止污染,减少水分蒸发,生产中常在 池体上方覆盖一些透光薄膜类的材料。目前国内 外大规模商业化培养微藻的公司,均采用该系统。 在跑道式培养池中,微藻细胞密度可以达到1 g/L, 产量一般为10~25 g/(m ,d) 。但是这种培养系 统的产量很容易受到天气和季节的影响,而且容 易引起杂菌污染.影响微藻的生长 3.3.2封闭式光生物反应器 光生物反应器的 设计多种多样,出现了大量的有关专利产品。光生 物反应器主要采用管道或平板式,用减少光程和 增大光照面积的方式,来提高微藻光合作用效率, 增加细胞密度。有的反应器还加入了人工照明和 控温系统。使微藻维持在最佳的生长状态。 管道式光生物反应器又有不同的组合方式, 有直立管、水平管、倾斜管和螺旋管状,较大的光 生物反应器都是管状的。用管道式反应器培养耐 热性小球藻(Chlorella sorokiniana)和三角褐指藻 (Phaeodac tim trieornutum),生长速率都可达到 30 g/(m。,d)以上。 板式光生物反应器由厚度为1 30 em的长方 形透明容器组成,一般采用利于光捕获的透明薄 层材料.倾斜或者垂直放置,有较大的光照面积。 与管道式光生物反应器相比,板式光生物反应器 有较低的溶解氧和较高的光效率。将微绿球藻 (Nannoehloropsis sp.)培养在该反应器中,细胞产 量为30 g/(m2,d),油脂含量为30%,由此推测,在 适宜的环境中。油脂的产量可达30 t/(hm ,year)。 Miyachi 等在板式生物培养器中培养耐高浓度 CO,的藻株绿球藻(Chlorococcum littorale),通过条 件优化.细胞密度可以达到80 g/L以上。 与开放式光生物反应器相比,封闭式光生物 反应器提高了微藻的密度和产率,简化了细胞的 收获.但其较高的成本成为这种反应器大规模应 用的瓶颈。 3.3.3 固定化培养 固定化微藻培养是指用物 理或化学的方法将微藻定位于限定的区域内,并 使其保持良好的生长状态。藻类固定方法一般有 吸附法和包埋法。这2种方法操作简便,对细胞活 性影响小。微藻的固定化培养主要应用于废水处 理,使微藻吸收废水中的氮、磷和重金属等物质。 自养微藻细胞密度低,难于收集,固定化培养易于 藻的收获.但该系统目前还在实验阶段。 3.3.4 异养高密度培养 白养微藻由于受到光 照等因素的,生长速率和生物量都难以达到 大肠杆菌、酵母等微生物的水平。异养培养微藻摒 弃了对光照的依赖,生长速率和生物量都有很明 显的提高。微藻的异养培养可以利用传统的微生 物发酵系统,且该过程已有大量成熟的技术和经 验供借鉴,所以微藻异养培养是提高微藻产量与 产油效率的有效途径。在异养发酵模式中,微藻的 生长更易于控制,同时,微藻密度的提高也大大降 4 生物学通报 2011年第46卷第6期 低了细胞收获的成本。微藻的异养高密度培养也 已将建立起比较稳定的系统,主要的培养工艺有 分批式、流加式和灌注式。例如,流加式发酵培养 硅藻(Nitzschia laevis),细胞密度可达22.1 g/L;小 球藻在ll 000 L发酵罐中的大规模异养培养,细 胞密度可达14.2 g/L,油含量为44.3%。 3.4微藻的收获和生物柴油的制备 自养微藻 的细胞密度比较低,一般为0.3~5 g/L,细胞小 (2—40 mm),这给微藻的收获带来很大的困难,这 部分成本有时占到总成本的20%~30%。所以针对 不同的微藻选取合适的收获方式对生产微藻生物 柴油也是很重要的。常规的方法是动力离心,在 500~1 000 g下2~5 rain可收获80%~90%的藻细 胞,但是这种方法成本较高。随着生产的需求,各 种物理及化学方法也被应用,如化学絮凝法、超声 聚集法、微气泡悬浮法、膜微滤/超滤法,这些方法 都有各自的优势。可以根据微藻的大小、密度、表 面电荷等特性选择不同的方法。 微藻油脂可以通过氯仿/甲醇法、索氏抽提 法、酸解法、超l临界CO 萃取法等方法提取,不论 哪种提取方法,微藻细胞壁的破碎都可以提高提 取效率,微藻破壁技术中得到成功应用的主要有 高压匀质机、超声波法、研磨法等。直接提取得到 的微藻油脂需通过酯交换反应才能转化为生物柴 油,可以通过酶催化或酸催化的方法。这一技术目 前已经比较成熟,转化率可以达到95%以上。 3.5微藻生物柴油的产业化发展进程 虽然目 前国内外的微藻生物柴油大多处于试验阶段。但 在的大力支持和推动下,企业与科研院所加 强合作,投量资金,这些都促进了微藻生物柴 油从科学研究到规模化工业生产的转变。 美国是开发微藻生物柴油起步最早的国家,目 前美国的微藻能源公司已经占到世界的78% 。自 从2007年,美国国际能源部推出“微型曼哈顿计 划”,即微藻能源计划,就掀起了开发微藻生物柴油 的热潮。美国十几家科研机构都参与了这一宏伟工 程,此外,这一计划也得到了多家石油和生物燃料 公司的支持,一些企业纷纷研发新的技术系统并建 立中试工厂。2010年6月29 13美国能源部向3个 研究团队资助2 400万美元,以解决微藻可再生能 源商业化规模生产各环节中的关键问题 欧洲微藻生物柴油的发展仅次于美国。欧洲 最大的藻类研究项目由英国碳基金公司(Carbon Trust)资助,Carbon Trust在2009年启动了挑战藻 类生物燃料(ABC Algae Biofuels Challenge)的项 目.目前ABC项目由来自11个机构的科研人员 组成的研究小组领导,发展相关技术和设施,目标 是到2020年实现微藻生物柴油的商业化。 此外,澳洲、13本、西欧、印度和南非的或 企业也投入巨资进行微藻生物柴油的研究。 近年来,微藻生物柴油技术也引起了我国政 府、科研机构和企业的重视,被列为科技部863计 划的重点项目之一。各高校和科研院所,都开展了 这方面的研究,主要集中于藻种的筛选、微藻培 养、生物反应器设计及下游加工技术。目前,国内 一些企业也都进行了能源微藻的中试培养。新奥 科技发展有限公司的“CO 一微藻一生物柴油关键 技术研究”项目已经通过中试,目前正在内蒙古达 拉特旗建设280 hm 的微藻养殖基地。2009年,中 国石化股份有限公司与中科院联合启动了“微藻 生物柴油成套技术”项目,目标计划到2015年完 成万吨级工业生产装置。 4微藻生物柴油产业化的问题及对策 虽然微藻生物柴油目前在技术上是可行的, 中试试验也很成功,但是与化石柴油相比,其经济 性还需要进一步提高。原料成本是制约微藻生物 柴油产业化的主要因素,可以从如下几个方面来 降低微藻产油成本: 1)选育产油能力高的微藻藻种。由于微藻生 长速率和细胞密度相对较低,前期培养和收获成 本较高。为解决这一问题,一方面可以采用混养或 异养微藻,提高产油率,另一方面,可构建生长快 的富油工程藻株。 2)优化光生物反应器的设计。使微藻能充分 利用光能,提高生长速率和细胞密度,同时,开发 低成本、易放大的培养系统。 3)与废气、废料、废水处理相结合。以工厂排 放的CO,自养培养微藻,富含碳源或氮源的农业 废料、工业废水异养培养微藻。 4)微藻的综合利用。富油微藻中除油脂外,还 含有大量蛋白、多糖、色素及其他营养成分,如果 将这些高附加值的产品和微藻生物柴油一起开发 利用,可降低成本。 5发展趋势及展望 2011年第46卷第6期 生物学通报 5 利用微藻生产维生素E的研究现状与应用前景 史晓丽 陈德富 陈喜文一 (南开大学生命科学学院 天津300071) 摘要 维生素E(生育酚)是一种人体和动物所必需的脂溶性营养成分。植物油等组织是 天然维生素E的重要来源之一。但植物组织中生育酚含量低,且大多为低活性类型。利用微藻 进行维生素E生产很具商业化前景。其中裸藻生长速度快,仅一生育酚含量高,可占生育酚总量 的97%以上。对利用微藻生产维生素E的研究现状和应用进行了综述。 关键词 生育酚 抗氧化 微藻 培养体系 中国图书分类号:o566 文献标识码:A 维生素E是OL一、13一、 一、6一生育酚和0/.一、 胆固醇.对阿尔茨海默氏病有明显的改善作用,预 B一、^y一、8一三烯生育酚的总称,是重要的脂溶性抗 防由光引起的皮肤病、眼病。植物方面,维生素E 氧化剂,仅由植物等光合生物合成。机体代谢不断 还保护类囊体组分免受氧化损伤,在电子传递反 形成活性氧与自由基,氧化体内如DNA、蛋白质 应和细胞膜通透性及流动性方面发挥着重要作 等生物大分子,导致组织机能紊乱,出现动脉粥样 用。水产实验表明,生育酚能加快鱼虾的生长,增 硬化、心血管疾病和癌症。维生素E作为抗氧化 强对疾病的抵抗力。维生素E缺乏将导致鱼类性 剂及氧自由基清除剂与其他抗氧化剂可共同对付 腺发育不成熟,孵化率和后代成活率下降。 这些氧自由基。此外,维生素E能降低血液中的 鉴于生育酚的多种生理作用。它已被广泛应 利用微藻生产生物柴油,无论在科学研究还 osynthesis—fermentation model euhauccs algal lipid synthesis 是在政治、经济等方面,都有很重要的意义。世界 bi。diesel producti on.Bi。res。u—TechnologY,2o10, 01: 各国都在大力扶持这一产业的发展,力图加速微 ……~ . . 。藻生物柴油的商业化生产和应用。在这一过程中, ing activitv for lipid p d 。ti ?0 p on。f a1i 。 一 基础理论研究和相关工程技术的应用都是至关重 。i M 。irci ell。id。 lead t。。2.5一fold i 。 e i 要的,只有把这二者结合起来,才能寻找有效的路lipid accumulation.Microbiology,2007,153:2013--2025. 径提高产率,降低成本。筛选或者基因工程构建高 5姜进举,苗凤萍,冯大伟等・微藻生物柴油技术的研究现状 产油的藻株是微藻生物柴油产业化的基础,同时. 及展望,中国生物工程杂,2010,30( ): 4一 4o- 光生物反应器的设计及下游生产工艺等也需要得 。 k rv。ti。 i。 lg E karv c。ll- :l0.1l28/Ec伽364一 到进一步的改善,以获得最高的环保和经济效益。 nq 各方面的积极努力和配合必将推进微藻生物柴油 7 She Y.,Y W.,Pei z.J.et 』.Microalgae Mass Produetion 的产业化进程。 Methods.Transactions of the ASABE 2009,52(4):1275—1287・ 主要参考文献8 Hu Q‘,K “。N・,K i M 川 “igh-cell-density ca- l ch。“c・Y’,Y h K・L’,懒ah R・。 c“1 p}1010bj。re photobioreaclor.Applied Microbiology and Bi0techn。l。gy,1998, desjgn and h 。 ti“g。f i。 a1g 。for bi。dies。l P d 。 i。“ 46:655—62. critical reVi w・Bio e 。u ce T。 hn0l。gY,2011,102:71—81_ 9 Singh J.。Gu S..Commereialization potential。f micmalgae for 2 Xiong W.,Li X・F・,Xiang J.Y.e£ ・High-density ferm。nIati。n biofuels produeti0n.Renewable and Sustainable Ene Revie— of m m Ig hl。rell Pr0t0th。。n1d ln b 。 。 t。 for m 。 0h 。一 ws.2010.14:2596--2610. di。 1 produ。 i。n’Appl・Mi。mbi。 ・Bi。 。。hn。l‘,2008,78:29~3 6‘ (E—mail:qingyu@maiI.tsinghua.edu.cn) 基金项目:国家自然科学基金(31070273)和海洋公益性行业科研专项(200805044) ¥ 通讯作者 

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