低碳新能源微藻生物柴油现状与创新

中国环境学会  2011年 03月31日


  卢碧林  张  敏  李洪波  长江大学地球化学系  湖北荆州,434023
   
  摘要:由于石油资源日益枯竭和化石燃料使用产生的全球生态环境变化问题,可再生的、清洁无污染的绿色替代能源的开发日益受到人们的重视。生物能源中的一个重要产品是生物柴油,但制约其发展的关键问题是成本过高和原料不足。微藻是第二代生物柴油原料,其生物柴油产业化研究技术开发已成为近年来国内外生物能源领域及控制碳排放领域的研究热点。本文概述了用于提取生物燃料的微藻藻种的筛选分离、育种、大规模培养、采收方法及生物柴油的制备工艺等方面的现状,并对该产业的创新发展思路进行了分析。
  关键词:微藻;生物柴油;选育;培养
   
  1 低碳经济环境下生物新能源发展背景


  化石燃料使用给人类社会带来了极大便利,但同时也产生了全球生态环境变化的问题,大量的有害气体如SOx、NOx、CO和CO2等的排放造成了温室效应和酸雨现象,改变了人类生存的气候及环境条件,导致生存环境不断恶化。我国随着改革开放后持续多年的高速发展,能源需求大增,环境污染加剧,加上国际能源供应紧张,价格持续飙升,能源生产和消费面临经济发展需求和环境质量改善的双重压力。特别是我国能源供需矛盾突出,能源供应短缺和浪费并存,能源结构特征导致严重污染,积极开展绿色能源计划已迫在眉睫。
  生物质能源作为一种来源广泛的可再生能源,其开发利用不仅有助于缓解化石燃料日益枯竭给全球经济发展带来的危机,还可以减少主要温室气体和污染物的排放,有利于维护生态系统平衡,改善人类生存环境[1,2]。欧美等西方发达国家每年都投入大量的经费进行可再生能源的研发,积极发展可再生能源。目前几乎所有的可再生能源(如水电,太阳能,风能,潮汐能,地热能)都集中在电力行业,但是现阶段太阳能发电的成本是煤电水电的5-10倍,一些地区风能发电价格高于煤电水电。从世界范围看,预计到2030年太阳能发电也只达到世界电力供应的10%,现阶段燃料需求在全球能源需求的份额仍比其它行业要高得多,约占能源需求总量的66%,而全球已探明的石油、天然气和煤炭储量将分别在今后40、60和100年左右面临耗尽。因此发展生物柴油等生物能源被认为是二十一世纪世界能源结构战略性转变的一个方向和重要组成部分[3,4]。
  生物柴油是用植物、动物油脂、废餐饮油等可再生植物油加工制取的新型燃料,国内外众多学者进行了大量的研究[5,6,7,8],以油料和动物脂肪为原料的生物柴油的生产产量占当前的交通运输燃料需求量的0.3%。但生物柴油原料供应短缺和成本过高问题成为制约生物柴油产业化发展的瓶颈,同时增加耕地进行生物燃料生产,以大量消耗粮食和油料作物为代价的生物燃料开发,一定程度上引发了粮食等农产品价格的上涨,可能对全球粮食供应带来严重后果。另辟蹊径,培育出高产、适应性强的优良燃料油原料,是生物柴油产业化发展的必然趋势。微藻作为一类光能自养型单细胞生物,与油料植物等其他原料相比具有如下优点:①光合作用效率高、含油量高、生长周期短、单位面积油脂产率高,具有其它油料作物无法比拟的潜在优势 [9]。②在光自养培养过程中可固定大量CO2,符合全球CO2减排新趋势,而且可使微藻光自养生长所需的生产成本大幅降低。③光自养培养过程可利用废水中的N、P等营养,从而可降低水体的富营养化。④不与农作物争地、争水。微藻可利用滩涂、盐碱地、荒漠以及海水、盐碱水和荒漠地区的地下水等进行大规模培养。⑤个体小、木质素含量很低,易粉碎、干燥,用微藻来生产液体燃料所需的后处理条件相对较低。微藻因此成为低碳经济下第二代生物柴油的首选原料[10,11,12]。
   
  2 微藻生物柴油研究现状


  从美国1978至1996年立项微藻生物柴油方面的研究开始,微藻生物柴油在藻种筛选与选育、大规模培养、采收技术、生物柴油制备等方面取得了较大进展。
  目前国内外的科学家利用各种方法筛选出了一批生长速度快、脂质含量较高的微藻,分属于绿藻、硅藻、蓝藻、金藻和红藻等[13],为低成本的生物燃料的生产提供了原料支持。微藻的分离、纯化方法主要有微吸管分离法、水滴分离法、稀释分离法和平板分离法等。
  微藻育种方法主要有选择育种、诱变育种、细胞融合、叶绿素荧光技术筛选、基因工程育种等。选择育种是藻类遗传育种基础,诱变育种是微藻育种中使用最多的一种方法[14,15],基因工程育种是微藻育种最有效的方法。近年来微藻基因工程的研究取得了许多进展。在微藻中表达重要的蛋白、多肽甚至次生产物合成酶体系,通过分子生物学技术阻断或修饰代谢途径,已经创制具有商业价值的工程藻株和开发高价值微藻产品,如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”,该微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[16]。利用基因工程技术进行微藻选育采用的方法主要有:①外源DNA导入:目前采用基因枪法、玻璃珠法、金刚砂法和电击法等能将外缘DNA导入微藻中,其中基因枪法是一个常用技术,用于叶绿体和线粒体的基因传导已经成功使用在绿藻和硅藻中[17,18]。②筛选标记及其启动子:筛选标记及其合适的启动子是建立微藻遗传转化系统的两个先决条件。目前已经成功将卡那霉素抗性基因nptⅡ作为筛选标记应用于Cyclotella cryptica,Navicula saprophila,Phaeodatylum tricorntum[19,20]。而抗生素Zeocin的耐药基因sh ble,N-乙酰化转移酶基因nat1,硫阴离子输运蛋白基因sat-1也成功应用到微藻中,启动子方面乙酸辅酶A羧化酶基因ACC1和叶绿素a/c结合蛋白基因fcp启动子广泛在微藻中成功表达外源基因[21]。③相关基因:ACCase是脂肪酸生物合成途径的关键限速酶,目前“工程微藻”中脂质含量的提高主要是通过乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达,并于1995年将ACCase基因转化小环藻成功。利用基因工程进行新藻种的选育具有目标明确,针对性强等特点,但对于微藻基因工程的研究还处于初步阶段,当前已转化的微藻种类还较少,主要原因是外源基因或经体外修饰后的内源基因导入微藻后不能进行基因表达,同时其安全性还有待进一步验证。
  目前微藻培养方式有自养培养、异养培养和混合培养。
  微藻多为光合自养,自养微藻的大规模培养多采用传统的敞开式跑道式培养、封闭式的光生物反应器培养和封闭式的发酵罐生产。敞开式跑道式培养是传统而又简单的微藻培养模式[22],其优点是构建简单、投资成本低廉及操作简便,但开放式培养过程受光照、温度等自然环境影响较大,并且水分蒸发严重,二氧化碳供给不足,易被真菌、原生动物和其他藻种污染,这些因素都将导致细胞培养密度偏低,产量低、培养面积大、生长因子难控制、CO2补加困难、收获成本高、易被其他生物污染和产品质量低等缺点。能适应大池培养的微藻藻种必须是在极端环境下能快速生长的藻种,目前能满足这些条件的藻种不多。封闭式光生物反应器有较高的光能利用效率,并且可以进行全天候的连续或半连续培养,实现光合生物的高密度培养并获得较高的单位面积或体积生物量产量,适合微藻的大量和高密度培养, 已成为当今的发展方向[23,24].目前封闭式反应器有多种形式,如发酵罐式、管式和板式等光生物反应器[66,67]。平板式光生物反应器光合作用效率较高,能得到较高密度的藻体(>80g/L)[25]。柱式光生物反应器可分为鼓泡式和气升式两种,由于混合效果好,单位体积气体传递速率高以及培养条件易控等优势,这种反应器被认为最适合藻类大规模培养[26,27]。一般藻类工业生产中采用的密闭式反应器多为管式光生物反应器。为了降低反应器成本,也有采用一次性塑料生产光反应器[28]。与开放式光池相比,封闭式光生物反应器无污染,适用于各种微藻的培养;培养过程中,生长参数容易控制,培养环境非常稳定;不受外界环境因素影响,全年生长期较长;比表面积大,光能利用率高,可以维持较高的培养密度而且容易收获。但密闭式光生物反应器结构复杂,放大较难,成本较高,技术上也存在一些限制因素,比如当微藻达到较高细胞密度时,光的穿透性受到限制,内部细胞难以得到充分的光照;水压增加使细胞受损,温度难控制,反应器表面和传感器上的生物附着等问题。封闭式的发酵罐培养可以大量培养隐甲藻(Crypthecodinium cohnni)等异养藻,但是对于其他的自养藻却很不利。该发酵罐培养需要较高的操作技术,培养基的添加等也限制着该方法的应用。
  一些藻类能利用有机物(如葡萄糖、醋酸盐等)作为唯一的碳源和能源进行异养生长。与自养培养方式相比,异养培养过程无需光照,具有较大的培养密度,底物的转化率高,能实现培养条件的自动化控制,可降低采收和产物提纯等下游技术的成本,可以利用传统发酵设备生产高价值产品。藻类的异养生长,不仅可提高细胞内脂类的含量,而且也是提高其生物量的有效途径。这种培养方式避免了光自养培养过程中光抑制或光限制等问题,降低了能耗,节约了成本,为工业化大规模高密度培养微藻奠定了基础。但并不是所有微藻都能以有机碳源为底物进行异养生长,同时异养培养微藻失去了光自养培养微藻生产优点,生产过程中不仅不能固定CO2反而会排放出CO2;成本高,需要外加碳源 ;异养培养系统易被生长速度快的细菌污染。
  微藻混和培养能利用有机物、碳源,同时进行光合作用。微藻的混和培养过程中,光合自养和化能异养是同步且相对独立的过程。光照对两条代谢途径都有影响,但影响程度不同。
  微藻生物量的采收过程是生产过程的一个限制因素。在正常生产中的藻浓度相对较低,约为0.1~1.0 g/L,并且藻细胞很小、脆弱,易受到损伤破裂。因此用常规的动力离心、过滤及自然沉淀法不能有效地收集藻体。单独运用化学絮凝法、过滤法、微气泡絮凝悬浮法收集微藻都有一定的优势和局限性。指数生长期末期是微藻的收获期,应根据微藻的特性选择不同的方法和试剂,将其从培养液中分离出来。考虑到经济因素,目前一般采用絮凝法、离心法和气浮法3种方法采收微藻。       其中化学絮凝法需要针对不同种类的微藻寻找合适的絮凝剂;离心分离法比较简单,但成本较高;气浮法采收小球藻成本较低,又可连续化操作,适合大生产的需要,但是气浮法需要向藻液中鼓入大量的气体,采收效果受到絮凝剂用量、pH和充入的气泡密度等因素影响。
  酯交换法是当前制备生物柴油的常用方法。根据催化剂类型的不同,酯交换法主要分酸催化、碱催化、生物酶催化和超临界催化四种。酸催化的酯化反应需要较高的温度,耗能较高;碱催化的特点是转化率高,但容易产生皂化,且在后处理中容易产生污水;酶催化的缺点是酶的价格较高;超临界法的特点是反应时间短,转化率高,产物易分离但其反应设备条件要求高,醇耗量大,生产成本高。目前酸催化的反应条件为30℃、醇油质量比56:1、反应时间4h;碱催化的反应条件为50、醇油比30:1、催化剂KOH用量为1%,反应时间lh;采用超声化学技术与固定化半导型纳米氧化物催化生产微藻生物柴油也取得进展[29,30,31]。
   
  3 微藻生物柴油研究开发中存在问题


  从国内外已有的文献及相关报道来看,目前微藻生物柴油的研究和开发处于起步阶段,微藻生产生物柴油的真实成本尚无公开报道的数据。结合已有的研究结果分析,存在的突出问题是成本过高,理论和现实差距较大,技术层面上许多关键技术有待突破,开发应用上相关工程技术需要集成,组织管理上支撑资金配套政策亟需完善。
  高成本是目前限制该技术产业化的瓶颈。根据NREL的数据,每公顷海藻的生物柴油生产系统的营运成本为12000美元,其中包括了固定资产折旧、人工、电力、化工原料、维护保养及投资回报等所有经营成本[32]。据此可测算出,从工程海藻中提取生物柴油在美国的成本为134.4美元/桶,相当于人民币约6700元/t,明显高于现有石化柴油。
  其次,原料问题也限制该技术的发展。微藻细胞小、细胞壁大多坚硬,缺乏经济有效的藻体收获和细胞破壁技术,也是当前面临的问题。目前,生长快的微藻藻种通常含油量只有10%~20%,而含油量大于60%的藻种生长速度较慢,体积小于10µm的细胞不易于收获。
  再次,缺乏成熟的工业化工艺技术。现有微藻的研究工作多停留在实验室和小规模基础上,关键培养装置的规模仅仅只有几百吨,缺少工业化培养的大型光生物反应器装置以及适宜于自然阳光和温度变化条件下的细胞高密度原理与培养技术,如何规模放大是当前的主要瓶颈。微藻细胞工程培养存在多种渠道的敌害生物污染,严重影响培养效率甚至导致彻底失败,需要建立敌害生物污染综合防治技术。
  另外,生物柴油产业化还存在投入资金不足、政策滞后等问题。
   
  4 微藻生物柴油的发展方向


  针对生物柴油研究开发过程中存在的问题,微藻生物柴油的发展可基于以下发展思路:建立工业化微藻产油技术集成平台,对限制微藻生物能源开发的关键理论和应用技术难点开展多学科攻关,突破关键技术,优化产业化技术工艺和流程,完善政策管理体系。
  采用系统生物学方法,提高微藻油脂产量。以抗敌害生物污染能力强、生长快、胞内油含量高(含油量≥60%)为评价指标,结合适应多种极端或胁迫生理条件(耐盐碱、光温胁迫、光氧化胁迫、营养基质胁迫)和具有高值化综合利用的潜力,采用系统生物学和基因工程方法,开展能源微藻藻种的选育(包括诱变育种,特别是分子生物学改造等),确定适合于不同气温条件下培养的能源微藻藻种(尤其是低温藻种)。
  多学科交叉,强化微藻培养、采收和分离生产效率。用于微藻培养的光生物反应器是微藻大规模商业化生产的技术平台,在设计高效的光生物反应器时要充分考虑反应器内,外环境因素,藻类的生物学特性以及生产成本。反应器的采光面积、体系的循环方式、光通量密度、温度、pH等因素都会对微藻的培养产生很大大的影响。通过光生物反应器的设计使反应器增大反应器的比表面积,充分利用光能;增强气液传质效率,保证稳定的最大生物量产率;提供高效光源,尽可能保持最高的光能转化效率,保证反应器整体的高效率运转;选用适宜的材料并根据所培养藻类的特点确定反应器大小、形状及结构;反应器的总体积结构应简洁、实用,并且易于放大。
  微藻制备生物柴油的过程中,收获藻体,细胞干燥,裂解和抽提油脂的花费占柴油生产总成本的40%~60%。目前通过技术集成化繁为简,用有机溶剂与培养液共混,使细胞内油脂连续被抽提至有机相,藻细胞仍能保持良好的生长趋势,经蒸馏分离有机溶剂(重复利用)和油脂,是新的研究方向。
  优化系统,降低微藻生物柴油生产系统成本。微藻生物柴油生产过程的成本受地域、气候、季节、藻种及石油价格等因素的影响很大,要对微藻生物柴油生产系统各个环节的成本进行综合的系统优化。根据中试运行的实际成本,进行微藻生物柴油生产系统中微藻生物柴油、能源微藻胞内生物活性物质等副产品开发利用(如蛋白质、多糖、色素、多不饱和脂肪酸等微藻源系列产品)以及包括CO2减排、富含N和P的废水处理等产生的收益等的综合评估和预测,确定我国不同区域、不同季节的微藻生物柴油产业化成本及进一步优化的技术关键点。
   
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