微藻生物燃料的研究进展

刘雪艳，苏忠亮

(青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042)

微藻生物燃料的研究进展

刘雪艳，苏忠亮*

(青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266042)

在能源紧缺的今天，生物燃料一直被认为最有潜力替代化石燃料。发展微藻生物燃料是解决能源危机和环境问题的有效途径。综述了微藻生物燃料的制备工艺(包括微藻的培养、收获、提取、纯化、转化等)及应用研究进展，指出了微藻生物燃料存在的不足及今后的发展策略。

微藻；生物燃料；制备；应用

据报道，全球88%的能源消耗来源于不可再生的化石燃料(如石油、煤炭、天然气等)。在化石燃料日益匮乏[1]的今天，世界各国都在降低对化石燃料的需求，提高能源转化效率，探索新的能源，以解决能源危机并控制CO2的排放。

生物燃料一直被认为最有潜力替代化石燃料[2]。第一代生物燃料来源于可食用作物(如甘蔗、甜菜、蔬菜油和动物脂肪等)，在美国、巴西以及欧洲已经达到了商业水平，但由于影响到食用及耕地，其应用受到了限制；第二代生物燃料来源于农业、森林采伐以及木材加工过程中的残留及不可食用植物(如麻疯树、烟草种子和芒草等[3])，尽管它们不会直接影响耕地及环境，但转化效率较低，转化过程也不环保；第三代生物燃料以微藻为代表，微藻种类多，繁殖快，不占用耕地，具有很高的油脂产量，被认为最有潜力替代化石燃料。

表1为三代生物燃料的比较[4]，从中可以看出，微藻生物燃料更具有实用性。

1 制备微藻生物燃料的上游工艺

1.1 微藻的培养

1.1.1 开放式培养系统

开放式培养系统是水和营养物质通过通道径流供给微藻，主要包括跑道式、浅水池塘式或圆形池塘式[5]。在跑道式开放培养系统中，水和营养物质在桨轮的带动下在通道中循环，使得微藻悬浮于水中并不断吸收空气中的CO2。其中，通道深度要求阳光能够穿透，保证微藻进行光合作用时有充足的光照；较浅的通道还有利于CO2的循环使用。目前，大多数微藻(如小球藻、螺旋藻、雨生红球藻与杜氏盐藻等)的培养采用跑道式。

表1 三代生物燃料的比较

Tab.1Comparisonofthreegenerationsofbiofuels

来源含油量%产油率L·hm-1·a-1土地使用量m2·kg-1·a-1生物燃料产量kg·hm-1·a-1玉米4417266152大豆1863618562麻疯树2874115656亚麻荠4291512809向日葵40107011946蓖麻48130791156棕榈油36536624747微藻30587000．251927微藻50978000．186515微藻7013690000．1121104

开放式培养系统也有其局限性，如需要更多的营养供给、更依赖于外界环境条件(如水温、光照、CO2浓度)等。

1.1.2 封闭式光生物反应器

封闭式光生物反应器克服了开放式培养系统的缺点，能够更好地控制培养条件和培养参数，实现了单一微藻物种的长周期培养，提高了微藻生物质的产量[6]。封闭式光生物反应器有柱式、管式和平板式，管式光生物反应器可通过将管道排成水平、垂直、倾斜或螺旋状以获得最大采光。光生物反应器可以通过调节温度、CO2浓度等提高微藻产量并减少污染。

封闭式光生物反应器也有缺点，如过热、生物污染、氧的积累、规模扩大困难、成本高[7]、细胞会因剪切力和光照阶段材料的损坏而损伤[8]等。表2是跑道式开放培养系统和管式光生物反应器的优缺点对比[9-10]。

表2 跑道式培养系统和管式光生物反应器的优缺点

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

1.1.3 复合式光生物反应器

通过比较开放式培养系统和封闭式光生物反应器可知，开放式培养系统成本较低、投入少，但培养效率比较低。复合式光生物反应器将开放式和封闭式培养系统相结合：为避免污染，微藻生长的第一阶段采用封闭式光生物反应器；为满足生长所需的营养，微藻生长的第二阶段采用开放式培养。选用高油脂含量的微藻在合适的培养条件下获得最大产量的微藻。Huntley等[11]利用复合式光生物反应器培养红球藻生产虾青素，但由于成本高而不能用来大规模生产生物燃料，并且它属于分批式培养系统而不是连续式。

1.2 微藻的收获

微藻培养浓度通常在0.5～2.5 g·L-1范围内，为了加强微藻的光合作用，需要将微藻浓度稀释；另一方面，在提取生物燃料之前，又需要将微藻进行浓缩。因此，微藻的收获一般分两步进行：第一步是增加10倍浓度，第二步是脱水使生物质浓度达到200～250 mg·L-1[12]。常用的收获技术包括絮凝、过滤、化学诱导、离心、超声、电凝-絮凝等。收获技术高度依赖于物种的特性和收获的目的。Zittelli等[13]估计微藻收获成本占整个微藻生产成本的20%～30%。目前，研究者们正致力于优化传统微藻收获方法，以降低成本。

1.2.1 传统收获方法

絮凝是通过添加絮凝剂(如碱性化合物、金属盐或聚电解质)进行的。絮凝剂与生物质之间的浓度比是实现高效絮凝的重要因素。Granados等[12]对金属盐(包括氯化铁、硫酸铝、硫酸铁)进行絮凝测试发现，相比于聚电解质，这些无机絮凝剂的絮凝效率较低，而且絮凝过程中生物质浓度与絮凝剂浓度呈线性关系；Schlesinger等[14]研究发现，絮凝依赖于细胞密度的对数，也就是说生物质浓度与絮凝剂浓度之间不是线性相关，同时还指出，pH值对下游生物质处理也有影响。

过滤可以根据微藻的大小和形态选择不同的膜。过滤法比较适用于螺旋藻类的丝状藻，不适用于单细胞小微藻。过滤法的优点是细胞能够完全保存；缺点是为了避免堵塞，膜需要反洗。过滤法的成本最低，收获小球藻和三角褐指藻的能量消耗仅为0.64 kW·h·kg-1和0.98 kW·h·kg-1。Vonshak等[15]利用倾斜和振动筛进行过滤，效率非常高。

1.2.2 创新收获方法

Vandamme等[16]对电凝-絮凝进行了研究。结果表明，铝作为阳极比铁的效果更好，金属氢氧化物有助于生物絮凝。研究表明，高电流密度也有助于絮凝，但会增加成本，如收获小球藻和三角褐指藻的能量消耗分别达到2.1 kW·h·kg-1和0.2 kW·h·kg-1。微藻属于海洋物种，介质电导率较高而有利于电凝-絮凝。Poelman等[17]发现电凝-絮凝存在阴极结垢的缺点，使得内部电阻增加，导致电流强度减小。此外，高电流密度可能会导致细胞成分的变化。总体而言，电凝-絮凝的主要约束条件是高能耗。Lee等[18]比较了几种收获方法的成本，发现离心成本最高。因此，微生物絮凝从经济上看具有可行性。Salim等[19]发现，在培养系统中先添加其它藻类絮凝、然后离心分离的能耗较单独离心降低2 MJ·kg-1。

2 制备微藻生物燃料的下游工艺

收获足够的微藻后，将其与水分离、干燥，即可进行提取纯化。一般来说，微藻的分离有1～2个固液分离步骤[20-21]，其成本占总成本的20%～30%，而干燥是微藻生物燃料的主要耗能过程。因此，必须减少微藻干燥过程中的能耗以降低成本。

2.1 微藻的提取和纯化

微藻的提取方法有超临界二氧化碳萃取法、超声波辅助提取法、渗透冲击法、溶剂萃取法、酶提取法，其中前3种方法仅适用于实验室规模；酶提取法可以在商业生产上应用，但生产成本较高[22]。选择提取工艺时应综合考虑成本、效率、毒性和操作等因素。

2.2 微藻的转化

微藻的转化方法可分为化学转化法、生化转化法、热化学转化法及直接燃烧转化法[23]。化学转化法是将提取的脂类转化为生物柴油；生化转化法可用于甲醇(厌氧消化)和乙醇(发酵)的生产；热化学转化法可用于木炭热解(生物油)、煤气(燃气)、液化(生物油)；直接燃烧转化法可以将储存在微藻细胞中的能量转化为电能。

3 微藻生物燃料的应用

3.1 微藻生物燃料在内燃机中的应用

目前，主要有汽油和柴油两种化石燃料用于运输。基于微藻生物燃料的化学特性，已越来越多地替代化石燃料用于运输。为此，世界各国纷纷制定了微藻生物燃料(生物柴油)标准。美国的ASTMD6751标准和欧洲的EN14214标准[24]如表3所示。

表3 美国的ASTMD6751标准与欧洲的EN14214标准

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

注：十六烷值表明了石油的燃烧特性。

微藻生物燃料能替代化石燃料主要取决于其化学特性，而化学特性又主要取决于脂肪酸甲酯的含量。微藻产脂肪酸甲酯的量取决于培养参数，如环境温度、光强、营养及生长时间。当油酸含量较高时，生物柴油的点火质量、燃烧热、冷滤点、氧化稳定性、黏度和润滑性较好[25-26]。甲醇、乙醇和生物柴油等生物燃料在燃烧过程中能产生更清洁的含氧化合物，具有更好的燃烧性能。研究表明，与生物燃料混合的化石燃料或纯生物柴油在内燃机中有很好的性能[8]。

3.2 微藻生物质发电

煤炭发电对环境影响较大。预计2035年世界煤炭使用量会增加56%(与2007年相比)[27]。在众多可以取代煤炭的生物质中，浅水池塘式开放系统培养的微藻被认为是最有发展前景的，不仅可以减少CO2及重金属排放，还能支持燃料供应以及运输基础设施的发展。

但是，使用微藻生物质发电时会在发电站附近造成自然资源的消耗以及富营养化。因此，必须使微藻生物质发电和微藻培养达到一个合适的平衡点，以满足环保要求[28]。

4 结语

微藻生物燃料的优势明显，但也存在一些缺点：微藻生物质含量和油脂含量较低；小规模微藻细胞的收获成本很高；微藻生物质干燥过程能耗较高；微藻的培养复杂且成本较高。随着技术的发展，微藻的培养、收获、提取、纯化、转化等工艺的进一步优化，微藻生物燃料的应用领域将不断拓展。为降低微藻生物燃料的生产成本，更好地服务社会，今后的研究应重点关注以下几方面：发展生物炼制或副产品加工策略；设计高光合效率的光生物反应器；发展更经济的微藻生物质提取和干燥技术；通过基因工程改造微藻的代谢途径以及提高油脂含量；通过微藻和细菌共生提高油脂含量和微藻产量。

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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

刘雪艳(1992-)，女，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：生物制药，E-mail:2291642744@qq.com；

苏忠亮，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

刘雪艳，苏忠亮.微藻生物燃料的研究进展[J].化学与生物工程，2017，34(3)：11-14.