利用微藻制取生物柴油的研究进展
朱晗生物技术07Q2 20073004104
摘要：随着人口增长的加速，自然资源日益短缺，而且面临着枯竭的危险。传统能源枯竭的焦虑，引起了人们对可再生的生物资源浓厚的兴趣。本文主要讨论了微藻，生物柴油以及利用微藻发酵制取生物柴油的研究进展。
关键词: 微藻; 生物柴油; 发酵
0 前言
生物柴油(Biodiesel)即脂肪酸甲酯, 是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料，是一种可生物降解、无毒的可再生能源。生物柴油是生物质能的一种，作为一种清洁的低碳燃料,其含硫和含氮量均较低,同时灰分含量也很小,所以燃烧后SO2 、NO 和灰尘排放量比化石燃料要小得多,是可再生能源中理想的清洁燃料之一[1]。但是由于较高的原材料成本，生物柴油的价格高于传统柴油,因此选取合适的、低成本的植物油脂资源来积极发展和生产生物柴油是发展的总趋势。利用微藻制取生物柴油，不仅能够降低成本，另外，有些微藻会引起水华，赤潮等爆发，消耗水中大量的溶解氧，并会上升至水面而形成一层绿色的黏质物，使水体严重恶臭，水体中生物大量死亡，因此，如果利用此类微藻资源，还减轻环境负荷。自1988 年以来,许多欧洲国家就已经开始将生物柴油作为传统柴油的替代品加以利用，并取得了较好的效果。本文就利用微藻发酵生物柴油的制取进行综述,并讨论了存在的问题及其应用前景。
1 生物柴油
生物柴油是典型“绿色能源”，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。
目前生物柴油的制取方法主要有以下几种：利用油脂原料合成生物柴油的方法；用动物油制取的生物柴油及制取方法；生物柴油和生物燃料油的添加剂；废动植物油脂生产的轻柴油乳化剂及其应用；低成本无污染的生物质液化工艺及装置；低能耗生物质热裂解的工艺及装置；利用微藻快速热解制备生物柴油的方法；用废塑料、废油、废植物油脚提取汽、柴油用的解聚釜，生物质气化制备燃料气的方法及气化反应装置；以植物油脚中提取石油制品的工艺方法；用等离子体热解气化生物质制取合成气的方法，用淀粉酶解培养异养藻制备生物柴油的方法；用生物质生产液体燃料的方法；用植物油下脚料生产燃油的工艺方法，由生物质水解残渣制备生物油的方法，植物油脚提取汽油柴油的生产方法；废油再生燃料油的装置和方法；脱除催化裂化柴油中胶质的方法；废橡胶(废塑料、废机油)提炼燃料油的环保型新工艺，脱除柴油中氧化总不溶物及胶质的化学精制方法；阻止柴油、汽油变色和胶凝的助剂；废润滑油的絮凝分离处理方法。
生物柴油优点很多，如具有良好的环境属性；具有较好的低温发动机启动性能；具有较好的润滑性能；具有较好的安全性能；具有良好的燃料性能；具有可再生性能。
综观国际上的发达国家如美国、德国、日本，到次发达的南非、巴西、韩国，到发展中的印度、泰国等，均在发展石油替代产业的国际政策制度、技术完善、装置建设和车辆制造等方面提供了良好的借鉴，为中国走特色石油替代之路铺平了道路。特别是巴西经验，更具实际意义[2]。
2 微藻制取生物柴油的优势
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
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。藻类具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境
适应能力强、生长周期短、产量高等突出特点，从微藻中得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲酯，即生物柴油；在沸石催化剂
作用下，微藻通过热化学转化可生产出汽油型燃料；生长在海水中的绿藻，能积累大量游离的甘油以平衡环境中的盐浓度，
其甘油的含量可占自身干重的85%[3]。另外，微藻产量非常高，一般陆地能源植物一年只能收获一到两季，而微藻几天就
可收获一代，而且不因收获而破坏生态系统，就单位面积产量来说比玉米高几十倍，不占用可耕地，藻类可以种植在海洋
或露天的池塘，因而可利用不同类型的水土资源，具有不与传统农业争地的优势。大量研究表明,微藻油脂的含量随微藻种
类的不同有较大差异,且微藻油脂含量及组成会因环境因素的差异而产生变化。由于微藻是单细胞结构，它用用极高的光能
利用率和营养吸收率，微藻的生长和产油效率是油料作物如大豆的30～100倍。
[5]有研究者对十余株微藻进行筛选,筛选出
金藻(Isochrysis sp.)、前沟藻(Amphidiniu sp.)、异湾藻(Heterosigma sp.)和原甲藻(Prorocentrum sp.)等4株富油微藻,其粗脂含
量分别为45%、36.7%、35%和29.5%[6]，微藻生长不会与农业产生竞争关系，它的生产设备可以是封闭的而且不需要土壤，
与传统农业相比节水99％，可以建在远离水源的非农业土地上。有些微藻还能在盐碱环境下生长，所以一些盐碱化土地也能
用作培养微藻的场所。[3]可见微藻是一种含油量很高，极有前景的一种生物能源。
3 利用微藻制取柴油的主要方法
生物柴油的制取主要步骤如下图所示：
3.1 产油微藻的选取
由于微藻油脂的含量随微藻种类的不同有差异较大，要对微藻进行改造、选育。美国国家可更新实验室(NREL)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。[2]另外，在我国，清华大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其脂含量高达细胞干重的55％（质量分散），是自养藻细胞的4倍。此外，清华大学还应用细胞培养技术（异养发酵技术）控制有机与无机C、N的供给，获得叶绿素消失、细胞变黄的异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大量增加，蛋白质含量下降。与未经转化的自养藻相比，异养藻细胞和粗脂肪含量提高了4倍以上。中科院植物研究所和中科院水生生物研究所的科研人员借鉴美国的经验教训，在较短的时间内，通过基因工程开发出了高产的油藻品种。青岛海洋大学经过十几年的淡水及海水藻类物质的研究，也已积累了丰富的海洋藻类开发和产业化的经验[5]。
