微藻生物燃料的研究進展

劉雪艷，蘇忠亮

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

微藻生物燃料的研究進展

劉雪艷，蘇忠亮*

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

在能源緊缺的今天，生物燃料一直被認為最有潛力替代化石燃料。發展微藻生物燃料是解決能源危機和環境問題的有效途徑。綜述了微藻生物燃料的制備工藝(包括微藻的培養、收獲、提取、純化、轉化等)及應用研究進展，指出了微藻生物燃料存在的不足及今后的發展策略。

微藻；生物燃料；制備；應用

據報道，全球88%的能源消耗來源于不可再生的化石燃料(如石油、煤炭、天然氣等)。在化石燃料日益匱乏[1]的今天，世界各國都在降低對化石燃料的需求，提高能源轉化效率，探索新的能源，以解決能源危機并控制CO2的排放。

生物燃料一直被認為最有潛力替代化石燃料[2]。第一代生物燃料來源于可食用作物(如甘蔗、甜菜、蔬菜油和動物脂肪等)，在美國、巴西以及歐洲已經達到了商業水平，但由于影響到食用及耕地，其應用受到了限制；第二代生物燃料來源于農業、森林采伐以及木材加工過程中的殘留及不可食用植物(如麻瘋樹、煙草種子和芒草等[3])，盡管它們不會直接影響耕地及環境，但轉化效率較低，轉化過程也不環保；第三代生物燃料以微藻為代表，微藻種類多，繁殖快，不占用耕地，具有很高的油脂產量，被認為最有潛力替代化石燃料。

表1為三代生物燃料的比較[4]，從中可以看出，微藻生物燃料更具有實用性。

1 制備微藻生物燃料的上游工藝

1.1 微藻的培養

1.1.1 開放式培養系統

開放式培養系統是水和營養物質通過通道徑流供給微藻，主要包括跑道式、淺水池塘式或圓形池塘式[5]。在跑道式開放培養系統中，水和營養物質在槳輪的帶動下在通道中循環，使得微藻懸浮于水中并不斷吸收空氣中的CO2。其中，通道深度要求陽光能夠穿透，保證微藻進行光合作用時有充足的光照；較淺的通道還有利于CO2的循環使用。目前，大多數微藻(如小球藻、螺旋藻、雨生紅球藻與杜氏鹽藻等)的培養采用跑道式。

表1 三代生物燃料的比較

Tab.1Comparisonofthreegenerationsofbiofuels

來源含油量%產油率L·hm-1·a-1土地使用量m2·kg-1·a-1生物燃料產量kg·hm-1·a-1玉米4417266152大豆1863618562麻瘋樹2874115656亞麻薺4291512809向日葵40107011946蓖麻48130791156棕櫚油36536624747微藻30587000．251927微藻50978000．186515微藻7013690000．1121104

開放式培養系統也有其局限性，如需要更多的營養供給、更依賴于外界環境條件(如水溫、光照、CO2濃度)等。

1.1.2 封閉式光生物反應器

封閉式光生物反應器克服了開放式培養系統的缺點，能夠更好地控制培養條件和培養參數，實現了單一微藻物種的長周期培養，提高了微藻生物質的產量[6]。封閉式光生物反應器有柱式、管式和平板式，管式光生物反應器可通過將管道排成水平、垂直、傾斜或螺旋狀以獲得最大采光。光生物反應器可以通過調節溫度、CO2濃度等提高微藻產量并減少污染。

封閉式光生物反應器也有缺點，如過熱、生物污染、氧的積累、規模擴大困難、成本高[7]、細胞會因剪切力和光照階段材料的損壞而損傷[8]等。表2是跑道式開放培養系統和管式光生物反應器的優缺點對比[9-10]。

表2 跑道式培養系統和管式光生物反應器的優缺點

Tab.2 Advantages and disadvantages of raceway cultural system and tube photobioreactor

1.1.3 復合式光生物反應器

通過比較開放式培養系統和封閉式光生物反應器可知，開放式培養系統成本較低、投入少，但培養效率比較低。復合式光生物反應器將開放式和封閉式培養系統相結合：為避免污染，微藻生長的第一階段采用封閉式光生物反應器；為滿足生長所需的營養，微藻生長的第二階段采用開放式培養。選用高油脂含量的微藻在合適的培養條件下獲得最大產量的微藻。Huntley等[11]利用復合式光生物反應器培養紅球藻生產蝦青素，但由于成本高而不能用來大規模生產生物燃料，并且它屬于分批式培養系統而不是連續式。

1.2 微藻的收獲

微藻培養濃度通常在0.5～2.5 g·L-1范圍內，為了加強微藻的光合作用，需要將微藻濃度稀釋；另一方面，在提取生物燃料之前，又需要將微藻進行濃縮。因此，微藻的收獲一般分兩步進行：第一步是增加10倍濃度，第二步是脫水使生物質濃度達到200～250 mg·L-1[12]。常用的收獲技術包括絮凝、過濾、化學誘導、離心、超聲、電凝-絮凝等。收獲技術高度依賴于物種的特性和收獲的目的。Zittelli等[13]估計微藻收獲成本占整個微藻生產成本的20%～30%。目前，研究者們正致力于優化傳統微藻收獲方法，以降低成本。

1.2.1 傳統收獲方法

絮凝是通過添加絮凝劑(如堿性化合物、金屬鹽或聚電解質)進行的。絮凝劑與生物質之間的濃度比是實現高效絮凝的重要因素。Granados等[12]對金屬鹽(包括氯化鐵、硫酸鋁、硫酸鐵)進行絮凝測試發現，相比于聚電解質，這些無機絮凝劑的絮凝效率較低，而且絮凝過程中生物質濃度與絮凝劑濃度呈線性關系；Schlesinger等[14]研究發現，絮凝依賴于細胞密度的對數，也就是說生物質濃度與絮凝劑濃度之間不是線性相關，同時還指出，pH值對下游生物質處理也有影響。

過濾可以根據微藻的大小和形態選擇不同的膜。過濾法比較適用于螺旋藻類的絲狀藻，不適用于單細胞小微藻。過濾法的優點是細胞能夠完全保存；缺點是為了避免堵塞，膜需要反洗。過濾法的成本最低，收獲小球藻和三角褐指藻的能量消耗僅為0.64 kW·h·kg-1和0.98 kW·h·kg-1。Vonshak等[15]利用傾斜和振動篩進行過濾，效率非常高。

1.2.2 創新收獲方法

Vandamme等[16]對電凝-絮凝進行了研究。結果表明，鋁作為陽極比鐵的效果更好，金屬氫氧化物有助于生物絮凝。研究表明，高電流密度也有助于絮凝，但會增加成本，如收獲小球藻和三角褐指藻的能量消耗分別達到2.1 kW·h·kg-1和0.2 kW·h·kg-1。微藻屬于海洋物種，介質電導率較高而有利于電凝-絮凝。Poelman等[17]發現電凝-絮凝存在陰極結垢的缺點，使得內部電阻增加，導致電流強度減小。此外，高電流密度可能會導致細胞成分的變化?？傮w而言，電凝-絮凝的主要約束條件是高能耗。Lee等[18]比較了幾種收獲方法的成本，發現離心成本最高。因此，微生物絮凝從經濟上看具有可行性。Salim等[19]發現，在培養系統中先添加其它藻類絮凝、然后離心分離的能耗較單獨離心降低2 MJ·kg-1。

2 制備微藻生物燃料的下游工藝

收獲足夠的微藻后，將其與水分離、干燥，即可進行提取純化。一般來說，微藻的分離有1～2個固液分離步驟[20-21]，其成本占總成本的20%～30%，而干燥是微藻生物燃料的主要耗能過程。因此，必須減少微藻干燥過程中的能耗以降低成本。

2.1 微藻的提取和純化

微藻的提取方法有超臨界二氧化碳萃取法、超聲波輔助提取法、滲透沖擊法、溶劑萃取法、酶提取法，其中前3種方法僅適用于實驗室規模；酶提取法可以在商業生產上應用，但生產成本較高[22]。選擇提取工藝時應綜合考慮成本、效率、毒性和操作等因素。

2.2 微藻的轉化

微藻的轉化方法可分為化學轉化法、生化轉化法、熱化學轉化法及直接燃燒轉化法[23]。化學轉化法是將提取的脂類轉化為生物柴油；生化轉化法可用于甲醇(厭氧消化)和乙醇(發酵)的生產；熱化學轉化法可用于木炭熱解(生物油)、煤氣(燃氣)、液化(生物油)；直接燃燒轉化法可以將儲存在微藻細胞中的能量轉化為電能。

3 微藻生物燃料的應用

3.1 微藻生物燃料在內燃機中的應用

目前，主要有汽油和柴油兩種化石燃料用于運輸?；谖⒃迳锶剂系幕瘜W特性，已越來越多地替代化石燃料用于運輸。為此，世界各國紛紛制定了微藻生物燃料(生物柴油)標準。美國的ASTMD6751標準和歐洲的EN14214標準[24]如表3所示。

表3 美國的ASTMD6751標準與歐洲的EN14214標準

Tab.3 Standard ASTMD6751 from USA and standard EN14214 from Europe

注：十六烷值表明了石油的燃燒特性。

微藻生物燃料能替代化石燃料主要取決于其化學特性，而化學特性又主要取決于脂肪酸甲酯的含量。微藻產脂肪酸甲酯的量取決于培養參數，如環境溫度、光強、營養及生長時間。當油酸含量較高時，生物柴油的點火質量、燃燒熱、冷濾點、氧化穩定性、黏度和潤滑性較好[25-26]。甲醇、乙醇和生物柴油等生物燃料在燃燒過程中能產生更清潔的含氧化合物，具有更好的燃燒性能。研究表明，與生物燃料混合的化石燃料或純生物柴油在內燃機中有很好的性能[8]。

3.2 微藻生物質發電

煤炭發電對環境影響較大。預計2035年世界煤炭使用量會增加56%(與2007年相比)[27]。在眾多可以取代煤炭的生物質中，淺水池塘式開放系統培養的微藻被認為是最有發展前景的，不僅可以減少CO2及重金屬排放，還能支持燃料供應以及運輸基礎設施的發展。

但是，使用微藻生物質發電時會在發電站附近造成自然資源的消耗以及富營養化。因此，必須使微藻生物質發電和微藻培養達到一個合適的平衡點，以滿足環保要求[28]。

4 結語

微藻生物燃料的優勢明顯，但也存在一些缺點：微藻生物質含量和油脂含量較低；小規模微藻細胞的收獲成本很高；微藻生物質干燥過程能耗較高；微藻的培養復雜且成本較高。隨著技術的發展，微藻的培養、收獲、提取、純化、轉化等工藝的進一步優化，微藻生物燃料的應用領域將不斷拓展。為降低微藻生物燃料的生產成本，更好地服務社會，今后的研究應重點關注以下幾方面：發展生物煉制或副產品加工策略；設計高光合效率的光生物反應器；發展更經濟的微藻生物質提取和干燥技術；通過基因工程改造微藻的代謝途徑以及提高油脂含量；通過微藻和細菌共生提高油脂含量和微藻產量。

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Research Progress on Microalgae Biofuel

LIU Xue-yan,SU Zhong-liang*

(CollegeofChemicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266042,China)

Inanenergy-deficientworldtoday，biofuelsareconsideredtobethemostpotentialalternativestofossilfuels.Developingmicroalgaebiofuelsisaneffectivesolutiontoenergycrisisandenvironmentalproblems.Thepreparationprocessesofmicroalgaebiofuels(includingcultivation，harvest，extraction，purification，transformationofmicroalgae，etc.)andtheirresearchprogressofapplicationarereviewedinthispaper.Meanwhile，theshortcomingsofmicroalgaebiofuelsandthedevelopmentstrategiesforthefuturearealsoproposed.

microalgae;biofuel;preparation;application

2016-06-23

劉雪艷(1992-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：生物制藥，E-mail:2291642744@qq.com；

蘇忠亮，副教授，E-mail：albertszhl@126.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.003

TQ517 TK6

A

1672-5425(2017)03-0011-04

劉雪艷，蘇忠亮.微藻生物燃料的研究進展[J].化學與生物工程，2017，34(3)：11-14.