微藻生物柴油的现状与进展

书书书中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，２９（７）：１１８～１２６微藻生物柴油的现状与进展夏金兰　万民熙　王润民　刘　鹏　李　丽　黄　斌　邱冠周（中南大学资源加工与生物工程学院　长沙　４１００８３）摘要　微藻生物柴油能够解决目前使用植物原料发展生物柴油面临的耕地不足、气候变化对产量影响大和引起农作物价格上涨等突出问题。通过转基因技术培育“工程微藻”，繁衍能力高，生长周期短，比陆生植物产油高出几十倍，并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。介绍了微藻生物柴油的优势，高脂质微藻选育，以及工程微藻研究与下游生产工艺的研究现状和进展。关键词　微藻　生物柴油　光生物反应器中图分类号　Ｑ７７收稿日期：２００９０１０７　　修回日期：２００９０２２１国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目（５０３２１４０２）电子信箱：[e-mail]　　随着日益严重的环境恶化，控制汽车尾气排放和温室效应，保护人类赖以生存的自然环境成为人类急需解决的问题。同时全球能源需求不断扩大，寻求可以替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能源是目前普遍关注的热点。　　生物柴油（脂肪酸甲酯）是一种已经得到证明的燃料，以其为可再生性的环保燃料能源而得到世界的广泛关注［１］。生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯（ＦＡＭＥ），是以可再生资源（如油菜籽油、大豆油、玉米油、棉籽油、花生油、葵花子油、棕榈油、椰子油、回收烹饪油、动物油以及微生物油脂等）为原料而制成，具备与石油柴油相近的性能。生产和使用生物柴油的技术已经存在了５０余年［２～４］。而且与石油柴油相比，生物柴油的性能更加优良。主要表现在［５］：　　优良的环保特性。检测表明，与石化柴油相比，使用生物柴油可降低９０％的空气毒性。由于生物柴油含氧量高，燃烧时排烟少，一氧化碳的排放量可减少约１０％（有催化剂时为９５％）。同时，生物柴油的生物降解性高。另外，生物柴油原料来源于光合作用，它可抵消由于生物柴油燃烧过程所释放的ＣＯ２，因此生产和使用生物柴油不会导致温室效应。　　良好的燃料性能。生物柴油含氧量高于石油柴油，可达１１％，在燃烧过程中所需的氧气量较石油柴油少，燃烧、点火性能优于石油柴油，且燃烧残留物呈微酸性，可延长催化剂和发动机机油的使用寿命。　　可再生性。与石油资源不同，生物柴油作为一种可再生能源，通过农业和生物科技的发展，其资源不会枯竭。且通用性好，无需改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储运设备及人员的特殊技术训练。１　微藻生物柴油介绍　　目前，生物柴油主要是以植物和动物脂肪酸为原料来生产的，而不是微藻。在美国，生物柴油主要以大豆为原料，其他来源包括棕榈油、菜籽油、动物脂肪酸、玉米油、废食用油［６，７］和麻疯树油［２］。一些东南亚国家则以一些热带植物的种子为原料，如棕榈等，废弃食用油是日本的主要生物柴油制取原料［８］。近年来，我国也加大了发展生物柴油产业的力度，介于生物柴油生产的标准化和规范化由石油化工科学研究院等单位起草的我国第一项生物柴油国家标准，已由国家质监总局批准自２００７年５月１日起实施，该生物柴油国家标准主要涉及Ｂ１００生物柴油（生物柴油含量１００％）的成分、含量、润滑性能、烷值等方面的详细规范，共包括１７项技术要求［９］。　　但是，由油料作物、废食用油和动物脂肪酸生产的生物柴油尚不能满足当前车用燃料需求量的一小部分。同时使用植物原料在所有的国家都存在共同的问题。一是是否适合当地气候，实现高产稳产；二是种植２００９，２９（７）夏金兰等：微藻生物柴油的现状与进展过程中产生的土地资源紧缺的问题以及由此引起的其他农作物价格上涨的问题。特别在我国人多地少的情况下，这些问题尤为突出。１．１　微藻生物柴油的优势　　面对植物原料生产生物柴油的诸多问题，利用微藻产油具有不与农业争地的明显优势，而且可用海水作为天然培养基进行大量繁殖。跟植物一样，微藻也是利用光照产油，但却比植物作物的效率高很多。大多数微藻的产油量远远超过了最好的油料作物［１０］。不像其他油料作物，微藻生长极为迅速，而且含有极其丰富的油脂。藻类光合作用转化效率可达１０％以上，含油量达３０％（表１）。微藻的生物柴油产量是最好的油料作物的８～２４倍［１１］。　　微藻不是一个分类学的名词，而是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体。微藻通常是指含有叶绿素ａ并能进行光合作用的微生物的总称，其中还包括蓝细菌（Ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ，原核生物）。目前发现的藻类有三万余种，其中微小类群占７０％，即两万余种，广泛分布于各种水体。目前应用生物技术进行大量培养或生产的微藻分属于４个藻门：蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。表１　常见微藻脂质含量Ｔａｂｌｅ１　Ｌｉｑｕｉｄｃｏｎｔｅｎｔｉｎｍｉｃｒｏａｌｇａｅ门类种属名脂质含量（％，占干重）绿藻门（Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｔａ）Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓｂｒａｕｎｉｉ２９～７５Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｓｐｐ．２８～３２Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｒｏｔｏｔｈｅｃｏｉｄｅｓ（ａｕｔｏｔｒｏｐｈｉｃ／ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃ）１５～５５Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａ．ｔｅｒｔｉｏｌｅｃｔａ３６～４２Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｏｐｓｉｓｓｐｐ．３１～６８Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｓｉｓｓｐｐ．２０～３５Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｅｃｉｃａ１５～３２硅藻门（Ｂａｃｉｌｌａｒｉｏｐｈｙｔａ）Ｃｙｃｌｏｔｅｌｌａｓｐｐ．２９Ｈａｎｔｚｓｃｈｉａｓｐｐ．６６Ｎｉｔｚｓｃｈｉａｓｐｐ．２８～５０Ｐｈａｅｏｄａｃｔｙｌｕｍｔｒｉｃｏｒｎｕｔｕｍ２０～３０Ｔｈａｌａｓｓｉｏｓｉｒａｐｓｅｕｄｏｎａｎａ２１～３１Ｃｙｌｉｎｄｒｏｔｈｅｃａｓｐｐ．１６～３７金藻门（ｃｈｏｙｓｏｐｈｙｔａ）Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｓｐｐ．２５～３３　　与油料植物相比，除占地面积小，产量高等主要优势外，微藻用作生物质能源原料还有如下优点：　　微藻通常呈单细胞，或少数细胞相互着生呈链状或团状，无根茎叶分化，所以微藻细胞不同于植物，其全部生物量均可用于生物柴油的制取。而且作为单细胞生物，对其进行遗传改造相对高等植物容易得多。　　某些微藻富含蛋白质、不饱和脂肪酸和其他生理活性物质。如杜氏藻富含类胡萝卜素，雨生红球藻则用于虾青素的生产等等。如果微藻生物柴油生产过程中可以和某些高附加值的生理活性物质的生产相偶联，将大大提高微藻生物柴油的经济效益。众所周之，生产成本高，缺乏经济竞争力是生物柴油产业面临的最大的问题。　　某些微藻可以在一些极端的环境中生长，如极端ｐＨ、高盐环境等。微藻对重金属离子有很好的吸附效果，而且一些异养微藻可以分解利用有机物。所以，微藻生物燃料的生产可以和污水处理相结合，非常具有经济价值和环保意义。１．２　唯一可取代石化油的微藻生物柴油　　同时，目前通过植物作物和动物油脂生产的生物柴油总计只能满足运输用油的０．３％。Ｃｈｉｓｔｉ［１０，１２］通过建立数学模型和工程计算得出目前来自于作物生产生物柴油取代石化油是不可能的，唯一可能取代石化油的生物柴油只能是来自于微藻的生物柴油。表２为生物柴油几种材料来源的比较。表２　几种生物柴油来源比较［１３］Ｔａｂｌｅ２　ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｏｍｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｂｉｏｄｉｅｓｅｌＰｌａｎｔｓｏｕｒｃｅＢｉｏｄｉｅｓｅｌ（Ｌ／ｈａ／ｙｅａｒ）Ａｒｅａｔｏｐｒｏｄｕｃｅｇｌｏｂａｌｏｉｌｄｅｍａｎｄ（ｈｅｃｔａｒｅｓ×１０６）ＡｒｅａｒｅｑｕｉｒｅｄａｓｐｅｒｃｅｎｔｇｌｏｂａｌｌａｎｄｍａｓｓＡｒｅａａｓｐｅｒｃｅｎｔｇｌｏｂａｌａｒａｂｌｅｌａｎｄＣｏｔｔｏｎ３２５１５００２１００．７７５６．９Ｓｏｙｂｅａｎ４４６１０９３２７３．４５５１．６Ｍｕｓｔａｒｄｓｅｅｄ５７２８５２４５７．２Ｓｕｎｆｌｏｗｅｒ９５２５１２１３４．４２５８．４Ｒａｐｅｓｅｅｄ／ｃａｎｏｌａ１１９０４０９７２７．５２０６．７Ｊａｔｒｏｐｈａ１８９２２５７７１７．３１３０（０ａ）Ｏｉｌｐａｌｍ５９５０８１９５．５４１．３Ａｌｇａｅ（１０ｇｍ－２ｄａｙ－１ａｔ３０％ＴＡＧ）１２０００４０６２．７２０．５（０ａ）Ａｌｇａｅ（５０ｇｍ－２ｄａｙ－１ａｔ５０％ＴＡＧ）９８５００４９０．３２．５（０ａ）　　ａ：Ｉｆａｌｇａｌｐｏｎｄｓａｎｄｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓａｒｅｓｉｔｕａｔｅｄｏｎｎｏｎａｒａｂｌｅｌａｎｄ；Ｊａｔｒｏｐｈａｉｓｍａｉｎｌｙｇｒｏｗｎｏｎｍａｒｇｉｎａｌｌａｎｄ　　满足全球运输燃料需求，即使种植油料植物，仍需要占用现有全球４１．３％面积的耕地，而以产量高的工程微藻作为原料，只需占用２．５％的耕地，甚至可以不需要耕地也能培养。因此，微藻是不用占用耕地并可以满足全球车用燃料需求的唯一可再生资源。１．３　高脂质积累能力微藻选育及培养条件优化的研究　　微藻作为生物能源的原料，如果要具有很强的竞争力那么就必须具有很高的生物量和脂质的积累，许多生长条件对微藻细胞脂质含量的积累都可以产生影９１１中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．２９Ｎｏ．７２００９响，如ｐＨ、氮元素的缺乏、光照强度、温度等培养的一般条件都会对积累有影响。美国能源部从１９７８至１９９６年立项微藻生物柴油方面的研究，并从海洋和湖泊中分离得到３０００株微藻，并从中筛选出３００多株生长速度快、脂质含量较高的微藻，分属于绿藻、硅藻、蓝藻等［１４］。因微藻的种类和菌株的不同，微藻的脂质含量可占其干重的１％～７０％，在特定的培养条件下，可以达到８０％～９０％，例如缺氮、缺硅（对于某些硅藻）等［１５］。但是也有人指出，在缺乏氮源、硅源等必要营养元素的条件下，虽然脂质含量相对增加，但是在这种培养条件下微藻的生物量会大大减小，并不能达到增产的目的。　　目前的研究表明还存在着很多影响脂质积累的因素存在。培养基中盐度的不同对某些微藻脂质的积累产生影响。Ｒａｏ等［１６］对产烃葡萄藻的研究发现不同的盐度对微藻的总脂含量产生不同程度的影响。Ｃｈｉｕ等［１７］研究了ＣＯ２浓度对微绿球藻的生长和脂质积累的影响。他们通入不同浓度的ＣＯ２发现２％ＣＯ２与通入空气相比可以提高微绿球藻的比生长速率和生物量，而更高浓度的ＣＯ２则会抑制微绿球藻的生长。并且收获指数期、稳定期早期和稳定期的微藻细胞进行脂质含量的测定，脂质含量分别占干重的３０．８％，３９．７％和５０．４％。铁离子对微藻的生长和脂质的积累存在影响，如Ｌｉｕ等［１８］对铁离子对小球藻生长和脂质积累的影响进行了研究他们发现当小球藻生长达到对数生长末期时加入铁离子可以延长对数生长期，进而增大了生物量。而培养到对数末期的小球藻收集后接种到含有不同浓度铁离子浓度的新鲜培养基中后，细胞中脂质含量有了不同程度的升高，当铁离子浓度达到１．２×１０５ｍｏｌ／Ｌ时脂质的含量达到了干重的５６．６％是其他含有低铁离子浓度培养基的３～７倍。清华的大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂质含量的异养小球藻细胞，脂质含量达到细胞干重的５５％，是自养藻细胞的４倍［１９］。２　工程微藻研究进展　　当前，国内外有许多科学家在探索发现新的藻种，并研制“工程微藻”，希望能实现规模化养殖，降低成本，为获取油脂资源提供一条可靠的途径。微藻繁衍能力高，生长周期短，比陆生植物产油高出几十倍［２０］，并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。美国可再生能源国家实验室（ＮＲＥＬ）曾支持海洋微藻研究长达２０年之久。ＮＲＥＬ通过现代生物技术制成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。该种藻类在实验室条件下可使脂质质量分数达６０％以上，户外生产也可达４０％以上。预计每ｍ２“工程微藻”每年可生产约１１６Ｌ柴油。Ｍｅｔｔｉｎｇ和Ｓｐｏｌａｏｒｅ研究发现微藻常常可以在２４ｈ内使其生物量翻倍，在指数生长期，生物量倍增时间可短至３．５ｈ，油脂含量达微藻干重的８０％［１４］。２．１　外源ＤＮＡ导入方法研究　　目前已有很多技术都能将外缘ＤＮＡ导入微藻中，但基因枪法越来越成为一个普通使用的技术［２１］。目前已经成功使用在绿藻和硅藻中［２