淺析微生物生產生物柴油的優勢

熊雨

（浙江大學寧波理工學院，浙江寧波 315000）

隨著經濟的快速發展，能源短缺和環境惡化等問題日益加重。石油屬不可再生資源，終有一日會消失殆盡，開發環境友好型可再生新能源替代傳統石化能源已成為許多科學家共同奮斗的目標。

生物柴油作為一種綠色、環保、可再生能源，具有十六烷值較高、閃點較高、低溫啟動等優點，被國內外研究人員廣泛深入研究。目前，植物油或餐飲廢棄油脂作為主要生產生物柴油的原料在國內外研究應用。然而，植物油的處理成本高，餐飲廢棄柴油脂來源不穩定，運輸困難，這都制約著生物柴油的產業化進程。相對傳統生物柴油生產方法，微生物生產生物柴油的優勢在于廉價環保再生、易于大規模連續化生產等。因此，利用微生物油脂制備生物柴油具有良好的發展前景和廣闊的應用價值。

1 生物柴油生產現狀

目前，歐洲和北美主要以植物油為原料生產生物柴油，美國以大豆油為主要生產生物柴油的原料，而歐洲則以菜籽油為主要原料[1]。在生物柴油的研究上，我國起步較晚，但隨著我國不斷發展的科學技術，生物柴油已被廣泛應用，如海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司等已開發出擁有自主知識產權的技術，這些公司生物柴油的年生產能力均超萬噸。生物柴油生產技術也在不斷創新，使用廉價環保的方法生產生物柴油具有重要意義與價值。

2 微生物法合成油脂及發展介紹

2.1 微生物油脂及產油微生物

微生物油脂，又稱單細胞油脂（Single Cell Oil，SCO），是由許多產油微生物在一定條件下將碳水化合物轉化而成并貯存在菌體內的油脂。

產油微生物分布廣泛、種類繁多，包括藻類、霉菌、酵母、細菌。其中常用的是酵母菌和霉菌。淺白色隱球酵母（Cryptococcusalbidus）、茁芽絲孢酵母（Trichospiron pullulans）、膠粘紅酵母（Rhodotorula giutinis）等是常見用來生產生物柴油的酵母菌，土霉菌（Aspergillus terreus）、紫癱麥角菌（Claviceps purpurea）、深黃被孢霉（Mortierella isabellina）等是常見的產油霉菌。

2.2 微生物法合成油脂

微生物油脂的合成是一個生化過程，即從乙酰-CoA羧化酶催化羧化反應開始，經過多次鏈的延長，或再經過去飽和作用等得到微生物油脂。若微生物要在體內積累油脂，除了氮源匿乏之外，還需要兩個必備條件[2]：一是充足的乙酰-CoA，作為脂肪酸合成的前體；二是充足的NADPH，在脂肪酸鏈延長中發揮重要的還原作用。

微生物油脂的合成一般分為菌體的大量富集、油脂的合成兩個階段[3]。菌體大量富集期間，菌體利用培養基中的營養物質進行正常生理代謝和細胞分裂繁殖，同時也合成油脂，但主要以體質脂的形式參與細胞膜和其他細胞器的合成。油脂的合成一般包括5個主要過程，分別為乙酰輔酶A的生成、脂肪酰輔酶A的生成、脂肪酸碳鏈的延長和脫飽和、二酰甘油酯（DGA）的生成及三酰甘油酯（TAG）的生成。檸檬酸裂解酶（ACL）和蘋果酸酶（ME）這兩個關鍵酶在油脂的合成代謝調控中起著重要作用。在細胞溶膠中，ACL催化檸檬酸裂解反應，得到乙酰-CoA和草酰乙酸，草酰乙酸在蘋果酸脫氫酶作用下被還原成蘋果酸后，由ME氧化脫羧得到丙酮，并釋放NADPH，繼而這兩種物質完成TAG合成調控的循環。

2.3 發展介紹

現如今，生物柴油的制備經歷了三代。2010年，我國生物柴油總產量為50萬噸，預計2020年我國生物柴油產能將達到900萬噸左右[4]。利用微生物生產的生物柴油作為第三代的產物，是原料來源范圍的開拓。

第一、二次世界大戰期間，人們就開始了對微生物油脂的研究，德國科學家在那時為解決食用油匱乏問題，利用能生產油脂的內孢霉屬（Endomyces）和單細胞藻類鐮刀屬（Fusarium）的某些菌種，而后因經濟等因素中止了。隨著現代生物技術的發展，微生物產油效率逐漸提高，此外，微生物油脂還可以作為可塑劑、潤滑油、香料和農藥等的出發原料。目前，微生物柴油的制備方法有直接混合法、酯交換法、微乳液法、熱裂解法、超臨界甲醇法等。未來微生物油脂主要研究方向可能為：降低微生物培養成本；探索及篩選產油率高的菌種；開發推廣功能性油脂在醫藥、食品等方面的應用[5]。

3 微生物法優勢分析

3.1 原料優勢

由于中國人口密集，糧食供應有限，使用食用油來作為生產生物柴油原料不現實。目前，餐飲廢油（如地溝油、泔水油等）是我國生物柴油的原料，該原料價格低廉，但是收集的餐飲廢油來源不同，沒有固定的來源，廢油中含雜質量高，較難保證生產所得的生物柴油質量。現如今大量鼓勵種植含油脂豐富的農作物，如棉花籽、大豆、油菜籽等，種植光皮樹、沙棘等。從原料角度分析，微生物生長周期短、環境適應力強，因此原料供給充足。

3.2 成本優勢

麻風樹的果實成熟時間不一，種子有毒，處理時存在的風險導致原料處理成本上升；因需求量上升導致大豆油、地溝油等市場價格不斷升高；餐飲油等雜質含量高，處理需投入更高成本，而產油微生物繁殖快、油脂含量高、處理成本相對較低。利用微生物生產的生物柴油同其他植物油脂相比，其產物主要成分的不飽和程度更高，品質也更高[6]。除此之外，利用微生物生產生物柴油的產品附加值高。這是因為大部分產油微生物不僅能生成油脂，還會積累ARA、DHA和EPA等高附加值副產品，提高了產品利潤[7]。

3.3 生產優勢

溫度、濕度等外界條件對微生物影響不大，因此，從生產規模方面考慮，生物柴油能大規模地在一些生物反應器中生產。無需考慮采收富含油脂的植物等問題，其所需勞動力少，可規模化管理，且可以通過改變培養基組成、培養條件等因素控制微生物積累油脂量。

3.4 資源及環境保護優勢

微生物生產不占用耕地與淡水資源，比如部分藻類適合水中生長；可以充分利用自然界中的光能，比如海藻和藍細菌。與酸堿催化法相比，不會產生廢水及其他不利反應，因此有效地保護了環境。

4 結語

為保護城市環境和節約能源資源，進一步實施可持續發展戰略，發展微生物柴油具有重要意義。隨著科研工作者對優質高產菌株及廉價碳源等的研究，微生物生產生物柴油也將得到廣泛應用。