（水生生物学专业论文）基于生物柴油制备的海洋高脂微藻筛选.pdf

摘要 摘要 生物能源的开发利用是缓解全球能源压力，保障能源安全的重要途径。其中 生物柴油以其较高的可持续性和清洁无污染的特点成为全球关注的焦点。微藻具 有油脂含量高，生物量大，生长周期短，易培养等特点，是制备生物柴油的良好 资源。本研究旨在通过筛选藻种和诱变选育获得脂类含量高，生长快的微藻，并 优化培养条件和培养方式，为微藻生物柴油的大规模生产提供理论基础和技术支 持。 主要研究结果如下： 1 ) 研究表明，对实验室现有藻种和野外采集到的四种底栖硅藻进行总脂含 量测定，筛选获得了如下高脂微藻：三角褐指藻( p h e a o d a c t y l u mt r i c o r n u t u m ) ， 总脂含量3 4 4 ：牟氏角毛藻( c h a e t o c e r o sm u e l l e r i ) ，总脂含量2 5 1 ；旋链角 毛藻( c 办a e t o c e r o sc u r v i s e t u s ) ，总脂含量2 4 2 ；假微型海链藻( t h a l a s s i o s i r a p s e u d o n a n a ) ，总脂含量2 4 3 ；盐生舟形藻( n a v i c u l ah a l o p h i l a ) ，总脂含量3 9 1 ； 碎片菱形藻共生变种( n i t z s c h i af r u s t u l u mv a r s y m b i o t i c a ) ，总脂含量3 5 7 。其 中，两种底栖油泥硅藻，盐生舟形藻和碎片菱形藻共生变种总脂含量较高。 2 ) 以n i l er e d 为染料，对假微型海链藻进行荧光染色并测定荧光强度，通 过对比标准物得出油脂含量。优化后的最佳染色条件为n i l e r e d 浓度0 5 叫m l ， 染色时间1 0 m i n ，染色温度4 0 。c ，藻液o d 6 8 0 的范围为o 1 o 4 。结果表明，优 化后的方法可准确测定假微型海链藻和牟氏角毛藻的中性脂含量，但对三角褐指 藻效果不佳。 3 ) 采用紫外线照射法对假微型海链藻进行诱变处理，分别通过n i l er e d 荧 光法和油脂提取称重法完成初筛和复筛。获得的7 株突变株中，h l 1 突变株的 总脂含量比出发株提高原含量的1 9 3 ，生长速率低于出发株，但生物量高于出 发株。 4 ) 在此基础上，通过正交试验，发现了两种微藻的最适生长条件和最适产 油条件。其中，三角褐指藻的最适生长和产脂条件分别为光照4 5 0 0 1 x ，温度1 7 。c ， n 0 3 。浓度2 m m o l l ，e d t a f e 浓度10 4 m m o l l 和光照3 0 0 0 i x ，温度2 2 ，n 0 3 摘要 浓度0 5 m m o l l ，e d t a f e 浓度1 0 击m m o l l 。牟氏角毛藻的最适生长和最适产脂 条件分别为光照6 0 0 0 i x ，温度2 7 ，n 0 3 浓度2 m m o l l ，e d t a f e 浓度1 0 击m m o l l 和光照3 0 0 0 i x ，温度1 7 ，n 0 3 。浓度l m m o l l ，e d t a f e 浓度1 0 一m m o l l 。 5 ) 以从各种高脂微藻中提取的油脂作为原材料，制备生物柴油，产量为干 重的5 6 1 5 3 。其中，盐生舟形藻和碎片菱形藻共生变种的生物柴油产量高于 另三株高脂硅藻，分别为1 5 3 和1 4 3 。 关键词：微藻：筛选；脂类；诱变；生物柴油 n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fb i o e n e r g yi sa ni m p o r t a n tw a yt or e l i e v et h e p r e s s u r eo fg l o b a le n e r g ys h o r t a g e b i o d i e s e lc a nb eaf o c u so ft h eb i o - e n e r g y , b e a c a u s ei ti sa c l e a n e r - b u r n i n ga n dr e n e w a b l ef u e l m i c r o a l g a eh a v eb e e nc o n s i d e r e d t 0b eai d e a ls o u r c eo fb i o d i e s e lf o ri t sh i g hg r o w t hr a t ea n dh i g hl i p i dc o n t e n t t h e p u r p o s eo ft h i sp a p e ri sg e t t i n gh i g h - l i p i dm i c r o a l g a es t r a i n sw i t hh i g hg r o w t hr a t eb y s c r e e na n dr a n d o mm u t a g e n e s i s a f t e rt h a t ，c u l t u r ec o n d i t i o n sa n dc u l t i v a t i o nm e t h o d s a r eo p t i m i z e df o rl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n t h em a i nr e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w ： 1 ) s i xs p e c i e so fh i g h - l i p i dc o n t e n tm i c r o a l g a ew e r es e l e c t e d ，a sc a n d i d a t e so f s o u r c eo fm i c r o a l g a lb i o d i e s e l ，b ya l g a ls p e c i e sc o l l e c t i o ni nf i e l da n dd e t e r m i n a t i o n o fl i p i dc o n t e n t so fs t r a i n sp r e s e r v ei nd i a t o ml a b ，x i a m e nu n i v e r s i t y t h e s es i x s p e c i e s a n dt h e i r l i p i d c o n t e n t s w e r e ：p h e a o d a c t y l u mt r i c o r n u t u m , 3 4 4 ； c h a e t o c e r o sm u e l l e r i , 2 5 1 ；c h a e t o c e r o sc u r v i s e t u s , 2 4 2 ；t h a l a s s i o s i r a p s e u d o n a n a ，2 4 3 ；n a v i c u l ah d o p h i t a , 3 9 1 ；n i t z s c h h ，f r u s t u l u mv a r s y m b i o t i c a , 3 5 7 a m o n gt h em i c r o a l g a ed e t e r m i n e d ，b e n t h i cd i a t o m sa r ev e r y h i g hi nl i p i d c o n t e n t 2 ) e v a l u a t en e u t r a ll i p i dc o n t e n ti nt h a l a s s i o s i r ap s e u d o n a n au s i n gn i l er e d f l u o r e s c e n c em e t h o d a f t e ro p t i m i z a t i o n ，0 5 1 t g m lw a ss e l e c t e da st h eo p t i m u md y e c o n c e n t r a t i o n ，10m i na n d4 0 cw a ss e l e c t e da st h eo p t i m u ms t a i n i n gt i m ea n d t e m p e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y t h eo p t i m u mc o n c e n t r a t i o nr a n g eo fm i c r o a l g a ew a s b e t w e e no d 6 8 00 1 0 4 t h em e t h o da n dac o n v e n t i o n a lg r a v i m e t r i cd e t e r m i n a t i o n m e t h o dp r o v i d e ds i m i l a rr e s u l t so nr e p l i c a t es a m p l e so ft h a l a s s i o s i r ap s e u d o n a n a a n dc h a e t o c e r o sm u e l l e r i b u tt h i sm e t h o dh a sb e e nu n s u c c e s s f u li np h e a o d a c t y l u m 3 ) s e v e nm u t a n ts t r a i n so ft h a l a s s i o s i r ap s e u d o n a n aw e r ei s o l a t e df o rt h e i rh i g h l i p i dc o n t e n ta f t e ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o n l i p i dc o n t e n t sw e r ed e t e r m i n a t e db yn i l er e d f l u o r e s c e n c em e t h o da n dc o n v e n t i o n a lg r a v i m e t r i cd e t e r m i n a t i o nm e t h o di nt h ef i r s t i i i a b s t r a c t r o u n da n ds e c o n ds c r e e n ，r e s p e c t i v e l y h l 一1 ，w h i c hh a st h eh i g h e s tl i p i dc o n t e n t a m o n gs e v e nm u t a n t s ，h a s1 9 3 m o r el i p i dc o n t e n tt h a ns t a r t i n gs t r a i n h o w e v e r , t h e g r o w t hr a t eo fi l l 1w a sl o w e rt h a ns t a r t i n gs t r a i nw h i l eb i o m a s so fh l 1w a sh i g h e r t h a ns t a r t i n gs t r a i n 4 ) o r t h o g o n a lt e s tw a sd e s i g n e dt of i n do u tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rg r o w t h a n dl i p i da c c u m u l a t i o no fp h e a o d a c t y l u mt r i c o r n u t u ma n dc h a e t o c e r o sc u r v i s e t u s t h er e s u l t ss h o w , l i g h tt e n s i t y4 5 0 0i x ，l7 ，n 0 3 。c o n c e n t r a t i o n2 m m o l l ，e d t a - f e c o n c e n t r a t i o n10 4 m m o l li st h eb e s tc o n d i t i o nf o rg r o w t ho fp t r i c o r n u t u m , w h e nt h e b e s tc o n d i t i o nf o rl i p i da c c u m u l a t i o ni sl i g h tt e n s i t y3 0 0 0 i x ，2 2 ( 2 ，n 0 3 c o n c e n t r a t i o n 0 5 m m o l l ，10 6 m m o l l a n dt h eb e s tc o n d i t i o n sf o rg r o w t ho fc c u r v i s e t u si sl i g h t t e n s i t y6 0 0 0 i x ，2 7 c ，n 0 3 。c o n c e n t r a t i o n2 m m o l l ，e d t a - f ec o n c e n t r a t i o n 10 由m m o u l ，w h e nt h eb e s tc o n d i t i o nf o rl i p i da c c u m u l a t i o ni sl i g h tt e n s i t y3 0 0 0 i x ， 17 c ，n 0 3 c o n c e n t r a t i o nlm m o l l ，e d t a f ec o n c e n t r a t i o nlo 。5 m m o l l 5 ) b i o d i e s e lw a sp r o d u c e dw i t ho i le x t r a c tf r o md i f f e r e n tm i c r o a l g a es p e c i e s ，t h e b i o d i e s e ly i e l di s5 6 1 5 姒( d r yw e i g h t ) t w ob e n t h i cd i a t o mc a ny i e l dm o r e b i o d i e s e lt h a no t h e rs p e c i e s t h ey i e l do fb i o d i e s e lc a nr e a c h15 3 a n d1 4 3 i n n a v i c u l ah a l o p h i l aa n dn i t z s c h i a f r u s t u l u mv a r s y m b i o t i c a ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：m i c r o a l g a e ；s c r e e n ；l i p i d ；m u t a g e n e s i s ；b i o d i e s e l i v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为(石主燕钟毫皇) 课题( 组) 的研究成果，获得(名乏蕃前竞茔) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 石毫辫研花茔) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 弘誓年多月目 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦f j 大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( i , f f 在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明入( 签名) ： y ，降月i e l 第一章前言 1 1 生物柴油概述 1 i 1 赫能源生物缝源 第一章前言 随着全球经济一体化的不断发展，石油作为战略资源已成为世界各国能源经 济的最主要内容。自2 0 世纪7 0 年代缝源危机以来，人们越来越清楚地认识到 传统化石能源资源的开发和利用正面临着严峻的形势。根据现在的全球化石能源 的消费速度以及对石油、煤炭、天然气的贮量和开采时限进行估算与推测，石油 还可以持续开采4 1 年，天燃气为5 4 年，煤炭为1 5 5 年( g o l d e m b e r g ，2 0 0 7 ) 。尽管 还会有新的油气田被发现，而且开采技术也在不断进步，但石油和天然气将在2l 世纪中叶趋于枯竭( 孙晓仁等，2 0 0 4 ) 。发展替代能源是保障能源安全的重大战 略举措。 我国目前是世界上第二大能源消费国，由于人叠众多、能源利用效率低、能 源结构不合理和能源生产隐性成本高等问题，能源问题现已极其严峻。自1 9 9 3 年我国成为石油进口国以来，每年石油进躁量以4 的速度递增，这使我国石油 对外依存度从1 9 9 5 年的7 6 增加到2 0 0 0 年的3 3 8 ( 蒋剑春等，2 0 0 6 ) 。预计2 0 1 0 年，我国的原油加工量将达到2 7 亿t ，但原油的产量却不超过1 7 亿t ( 谭天伟等， 2 0 0 3 ) 。r a g a u s k a s 等( 2 0 0 6 ) 就指出，n 2 0 5 0 年，能源的需求将比现在增老n 5 0 。 能源匮乏，甚至是能源危机，与能源需求增长之闯的矛盾园经成为影响人类社会 发展的一大难题。 随着人们环保意识的提高，环境保护越来越受到入们的重视。化石燃料的消 费对环境造成了严重的污染。据统计，空气中的c 0 2 、硫化物和颗粒悬浮物约7 0 来自化石燃料燃烧的排放物。近年来，我国大量消耗化石燃料，使大气中c 0 2 、 硫化物和颗粒悬浮物含量急剧增加。有资料报道，我凰每年排放二氧化硫1 6 0 0 万吨，二氧化碳1 5 2 0 亿吨，烟尘1 4 0 0 多万吨。以上污染给我国造成的经济损失 每年达1 0 0 0 亿元以上( 谭天伟等，2 0 0 3 ) 。 毋庸置疑，这些变化已经对人类和其它生物赖以生存的地球生态环境造成了 极大威胁，环境保护成为人类又一迫切需要解决的难题。能源短缺和环境污染已 海洋高脂微藻的筛选和生物柴油的制备 经成为目前人类社会所面临的巨大挑战。为了维持各自国家经济的可持续发展， 许多国家政府正大力开发化石能源的替代产品。 生物能源是利用生物可再生原料及太阳能而生产的能源，如燃料酒精、生物 柴油、生物质颗粒燃料等。生物能源作为一种新能源的开发利用，可以缓解我国 能源供应紧张的状况，并对国家能源安全起到重要作用。同时，由于生物能源的 含氧量高，燃烧过程比较完全，能够有效减少污染物排放量，对环境恶化起到抑 制作用。 近年来，生物能源的开发利用已引起世界各国政府和科学家的关注，各国经 过长期的研究与开发，已形成了各具特色的生物能源研究与开发体系，如日本的 阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等 ( g r o s se ta 1 ，2 0 0 6 ；y o k o y a m ae ta 1 ，2 0 0 0 ) 。目前，我国对生物能源的研究与应用 也正在积极的开展。 1 1 2 生物柴油的基本性质 生物柴油( b i o d i e s e l ) ，是指以油料作物、野生油料作物和工程微藻等水生植 物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料油通过酯交换反应( t r a n s e s t e r i f i c a t i o n r e a c t i o n ) 工艺制成的甲酯或乙酯燃料。作为可替代石化柴油的清洁生物燃料， 生物柴油的使用性能与现用石化柴油基本相当，且具有良好的环境特性和可生物 降解性，具有广阔的发展前景。 生物柴油主要是由c ，h ，0 三种元素组成。其主要成分是软脂酸、硬脂酸、 油酸、亚油酸等长链饱和或不饱和脂肪酸同甲醇或乙醇等醇类物质所形成的酯类 化合物。 根据研究，作为柴油替代品的理想物质应当有如下的分子结构( 盛梅等， 2 0 0 4 ) ： 1 ) 拥有较长的碳直链。 2 ) 双键的数目应尽可能要少，最好只有一个双键。并且双健位于碳分子链 的末端或者是均匀分布在碳分子链中。 3 ) 含有一定量的氧元素，最好是酯类、醚类、醇类化合物。 4 ) 分子结构尽可能没有或只有很少的碳支链。 5 ) 分子中不含有芳香烃结构。 2 第一章前富 原因在于：碳链较长，可以保证有比较高的沸点，不易挥发，有利于安全储 存、运输和使焉，但碳链过长，剡会使熔点过高，丽导致流动性和低温性能交差， 一般认为1 6 - 1 9 个碳比较合适；含有双键可以保证在常温保持液体状态，增加流 动性，特别是低温流动性，保证了作为燃料使用的必要条件；双键过多会使物质 不稳定，且燃烧不完全，影嘛像为燃料使用麓适焉性；双键位于分子链的末端或 均匀分布，可以使该物质的抗爆性增加，并且易于点燃；没有碳支链的存在可以 使其易于氧化，保证燃烧充分，不会产生碳沉积而堵塞燃料的喷嘴；没有芳香烃 结构的存在，可以保证充分燃烧，不会产生炭黑；长碳链结构还可以搜生物柴油 能以任何比例与矿物柴油相混合。因此，一般将理想的柴油替代品的分子式表示 为：c 1 9 h 3 6 0 2 ，并具有如下所示的分子结构： c h 2 = c h ( c h 2 ) i s c o o c h 3 可以看出生物柴油的分子结构基本上与理想的柴油替代品的分予结构相类 似。因此，从理论上来讲，生物柴油具有代替矿物柴油使用的可能性。 重。1 3 生物柴油的优势和缺点 生物柴油具有较好的低温发动起动机性能，无添加剂冷凝点达2 0 ；具有 较好的润滑性能，使喷油泵，发动机缸体和连杆豹磨损降低；高十六烷馕使生物 柴油的燃烧性能好于石油柴油，燃烧残留物晕微酸性使倦化帮和发动机机油的使 用寿命延长。 由于闲点赢，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的优 势是显丽易见的。在环保方面，生物柴油含硫量低，所以燃用生物柴油产生的s 0 2 的排放量比燃用化石柴油低很多，在很大程度上避免了酸雨的形成；生物柴油的 燃烧残炭低，也不含有对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低 于柴漓。检测表明，与石油柴油相比，使用生物柴油可降低9 0 的空气毒性，在 一定程度上降低因环境污染造成的患癌率；生物柴油含氧量高，燃烧时排烟少， 其中一氧化碳的排放与石油柴油相比减少约1 0 。 生物柴油的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标不仪满足臣 前的欧洲i i 号标准，甚至满足随后即将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲i 号排 放标准。丽且由予生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低予该植物生长过程中所吸 收的二氧化碳，从而改善由于叠氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类 海洋高脂微藻的筛选和生物柴油的制备 的重大环境问题。因此生物柴油是一种真正的绿色柴油。 燕时，生物柴油也有它的缺点，主要力：价格太高；贮存性麓差，易变质： 粘度较高，在气候寒冷地区使用受到影响。 1 1 。4 生物柴油原料的研究 生物柴油的油脂原料来自植物油脂( 大豆油、玉米油、菜籽油、棕榈油等) 、 动物油脂( 各种动物脂肪) 、微藻脂肪酸以及废弃食用油( 地沟油) 等。 其中的植物潍脂主要包括油菜籽、大鼹、花生以及备种油料佟物所提取的油 脂，以油菜籽制取的生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯含量较多( 巫淼鑫等，2 0 0 3 ) 。 目前，基因工程改造油菜籽融取得了初步的进展，这是因为油菜作为我国最主要 的油料作物，它与模式植物羧南芥丽属十字花科芸苔属，亲缘关系毒常楱近，拟 南芥功能基因可直接应用于油菜的表达调控。目前利用油菜制造生物柴油技术已 有较为成熟的生产工艺，特别是我国运用具有自主知识产权的“底物竞争”基因调 控技术育成反义p e p “超漓”油菜，大堰度提高了油菜含漓量。由瑟可见，剩雳基 因改良如油菜等油料作物进行生物柴油的生产将大有可为。 另外，利用术本油料植物制取生物柴油也发展很快。我国产油林木种类丰富， 常见静产油林木有油棕、麻疯树、光皮树、油茶等，我囡有很多科研单位正在相 继开展这方面工作，其中建立了良种供应基地的有l o 种左右。这些产油林木可以 大面积广泛种植，既营造了良好的生态环境，也带来了经济效益。 利用滩涂能源植物也能制取生物柴油。某些滩涂耐盐植物，如海滨锦葵、碱 蓬和海蓬子的种子也富含油脂。在海滨滩涂盐碱地开展此类植物的种植栽培，有 望为生物柴油的生产提供廉价的原料来源。 以植物油为原料生产生物柴油成本偏高，丽将餐饮业废油脂进行回收生产 生物柴油则是一个相对较好的方案( 葛蕴珊等，2 0 0 4 ) 。既节省了能源，又使废 物资源化，减少了污染。但餐饮废油脂是含有杂质的高酸值油脂，含有较多游离 脂肪酸、聚合物、分解物等杂质，在酯交换反应之前，必须对其进行预处理，包 括废油脂物力精炼和甲醇预酯化( 孟凡清等，2 0 0 3 ) 。废弃动植物油脂在我国的 生物柴油生产中也有应用，回收的废弃动植物油脂每年可生产约2 0 0 万吨生物柴 油( 贾虎森等，2 0 0 6 ) 。但值得注意的是餐饮玻油的剩阕存在资源总量有限，供 应不稳定，原料组成及性能变化大等影响因素。 4 第一章前言 含油藻类是潜在的生物柴油生产原料。据报道异养培养小球藻( c h l o r e l l a p r o t o t h e c o i d e s ) 的含油量可达藻体干重豹5 7 2 ，经快速热解可获得生物油( 缪晓 玲等，2 0 0 3 ) 。但微藻属于低等植物，在基因工程改造以及进行高密度培养等技 术上还要克服很大的困难。圈内外有许多科学家正在探索并研制“工程微藻”，希 望缝实现援模他养殖，降低成本，为获取油脂资源提供一条可靠的途径。 1 1 5 生物柴油制备方法 薹翦，生物柴油割备方法主要有直接混合法、徽乳化法、高温裂解法和蘸交 换法。前两种方法属于物理方法，虽简单易行，能降低动植物油的黏度，但十六 烷值不高，燃烧中积炭及润滑油污染等问题难以解决。高温裂解法过程简单，没 有污染物产生，缺点是在高温下进行，需摧化剂，裂解设备昂贵，反应程度难控 制，且高温裂解法主要产品是生物汽油，生物柴油产量不高。工业上生产生物柴 油主要方法是酯交换法。在酯交换反应中，油料主要成分甘油三酯与各种短链醇 主要是甲醇在催纯剂作用下发生醍交换反应得到脂肪酸绎酯和甘油。可用于酯交 换的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇，其中最常用的是甲醇，这是由于甲 醇价格较低，碳链短，极性强，能够很快与脂肪酸甘油酯发生反应。酯交换反应 是可逆反应，过量的醇可使平衡向生成产物静方向移动，所以醇的实际用量远大 于其化学计量比。反应所使用的催化剂可以是碱、酸或酶催化剂等，它可加快反 应速率以提高产率。酯交换法包括酸催化、碱催化、超临界酯交换法和生物酶催 化法。 直接混合法在生物柴油研究初期，研究入员设想将天然油脂与柴油、溶剂 或醇类混合以降低其黏度，提高挥发度。长期使用后常发生植物油变质、聚合和 燃烧不完全现象。a m a n s 等( 1 9 8 3 ) 将脱胶的大豆油与2 雾柴油分别以l ：l 和l ：2 的 比例混合，在直接喷射涡轮发动机上进行6 0 0 h 的试验。当两种油品以l ：l 混合时， 会出现润滑油变浑以及凝胶化现象，而l ：2 的比例不会出现该现象，可以作为农 用机械的替代燃料。z i e j e w s k i ( 1 9 8 3 ) 将葵花籽油与柴油、红花油与柴油、大豆 油与干洗溶裁油( 4 8 石蜡和5 2 环烷) 分别混合，虽然粘度有所下降，但长簸 使用仍会使进气阀积碳，并附着气缸盖和钢环上。在柴油中掺入9 5 的回收煎炸 浊，发现每运行4 。4 5 k m 就必须更换润滑、油，这是因为植物油的高黏度弓| 起了不 饱和成分的聚合使润滑油受到污染而变质。菜籽油与2 鬃柴油分别以5 0 ：5 0 ，7 0 ：3 0 5 海洋高脂微藻的筛选和生物柴油的制备 和1 0 0 ：0 的比例混合后，它们的黏度是2 撑柴油的6 1 8 倍。菜籽油与l 绺柴油的混合 油用于小型单瓤柴油机可成功运行8 5 0 d , 时。 微乳液法将动植物油脂与溶剂等混合制成微乳液也是解决动植物油粘度 赢的一种方法。微乳状液可以包含石化柴油、植物油、醇、表面活性剂以及一种 十六烷值改进剂。微乳液长期放置不分层，其成分的沸点低，憝改善闪蒸时熬雾 化特性，只是其热值和十六烷值稍低，但粘度仍高于标准。长期使用微乳液后， 喷油嘴和尾气阀上也会产生积碳。n e u m a 等( 2 0 0 1 ) 使用表面活性荆( 主要成分 为豆油皂质、十二烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇胺 、动表面活性剂成分为乙基、丙 基和异戊基醇) 、水、炼制柴油和大豆油为原料，开发了可替代柴油的新型微乳 状液体系，其中组成为柴油3 1 6 0 9 、大豆油0 7 9 0 9 、水0 0 5 0 9 、异戊醇0 3 3 8 9 、十 二烷基碳酸钠0 。6 7 6 9 的徽乳状液体系豹性质与柴油最为接近。 高温裂解法高温热裂解法目前，高温热裂解主要有植物油的热裂解和生物 质的热解两种途径。王一平等( 2 0 0 3 ) 对植物油的热裂解作了一些尝试，以生物 质为原料热解合成生物柴油的研究主要集中在以下两方瑟：l 戬木材和农作物 秸秆为原料的快速热解，所得生物柴油的氢含量为6 2 ，氧含量为3 7 3 ：( 2 ) 藻类的慢速热解。吴庆余等( 2 0 0 3 ) 用微藻快速热解合成生物柴油，得到的微藻 快速热纂油氢含量毙木材或农作物秸秆的快速热解油蔫，氧含量则较低，平均热 值高达2 9m j k g ，是木材或农作物秸秆等的1 5 倍，同时也更稳定，适宜于用作 制备生物柴油的原料。但反应产物难以控制，所需反应设备昂贵等也影响了高温 热裂解法雄广使用。 酯交换法工业上生产生物柴油主要方法是酯交换法。在酯交换反应中，油 料主要成分三酸甘油酯与各种短链醇在催化剂作用下发生酯交换反应得到脂肪 酸霉酯和甘油。可用于酯交换的醇包括甲醇、乙醇、霭醇、丁醇和戊醇，其中最 常用的是甲醇，这是由于甲酵价格较低，碳链短，极性强，能够很快与脂肪酸甘 油酯发生反应，且碱性催化剂易溶于甲醇。反应所使用的催化剂可以是碱、酸或 酶催化剂等，它可加快反应速率以提高产率。酯交换法包括酸催化、碱催纯、生 物酶催化和超临界酯交换法等。酯交换反应由一系列串联反应组成，三酸甘油酯 分步转变成二甘油酯、单甘油酯，最后转变成甘油，每步反应均产生一个酯。 反应方程式如下： 6 第一章前言 c 飓c 0 0 r 。 | 镶稍 l m c 0 0 飓 c h 2 0 h 催化剡l 3 c r , - 0 h ；_ c h 嘲 l c h 2 i 嫩 油脂甲醇甘油 1 1 6 生物柴油应用的国内外现状 r - c o c l c 】瞰 + 赋c l | 3 融c i d ( ) c 生物柴油 我国生物柴瀵的研究与开发虽起步较晚，但发展速度很快。自“八五”期闻开 始在国有科研单位开展生物柴油技术的研究与开发。现如今，从油脂植物的分布、 选择、培育、遗传改良，到加工工艺和设备制造，都已具备产业化能力。海南、 四川和福建先后有公司开发出拥有自主知识产权的生物柴油生产技术，并相继建 成了规模超过万吨的生物柴油产厂。2 0 0 2 年8 月，古杉油脂化学公司成功开发出 生物柴油，该公司以植物油下脚料为原料生产生物柴油，产品的使用性能与o 撑 柴油相当，燃烧詹废物排放较普通柴油下降7 0 。2 0 0 2 ：訇z 9 月，福建龙岩也建成 2 万吨a 生物柴油装置，截至2 0 0 3 年5 月，爵生产生物柴油5 0 0 0 多吨。产品经上海 内燃机研究所认定，其技术性能优于o 稃柴油。随着生物柴油生产技术的口趋成熟， 产菇质量提高，生产成本下降，在汽车燃料方蘑的应用会有良好的市场发展机遇。 但是，我国的生物柴油商业化舀前还处于正在起步的阶段，存在着生产规模小， 技术落后，后续发展不好等缺点。目前的研究成果就是利用菜籽油、大豆油、米 糠油脚料等作为原料，经过预酯亿和酯交换过程制备出生物柴油。 我国从2 0 0 1 年开始生产生物柴油。目前全国生产生物柴油的企弛澄有数十 家，年产量超过1 0 万吨。我国生物柴油的原料来源十分丰富，据中国林业科学研 究院副院长储富祥介绍，我国常见的本本油料植物有6 0 0 多种，总面积超过6 6 6 万公顷，年产种仁2 0 0 万吨以上。其中，种仨含油量达到或接近5 0 的就有数十 种，主要有麻风树、黄连木、光树皮、文冠果等。据天津大学生物能源研究中心 的一项研究，我圈废油脂资源中仅地沟油一项，每年就有4 0 1 万吨。2 0 0 5 年国家 专项农林生物工程顼露确定，我国n 2 0 1 0 年生物柴油的年生产能力要达墅l j 2 0 0 万 吨，2 0 2 0 年生物柴油的年生产能力达到1 5 0 0 万吨。 欧盟是全世界生物柴油发展最快的地区。据欧洲生物柴油委员会公布的数 据，2 0 0 2 年欧盟生物柴油生产总量为1 0 6 5 万吨，2 0 0 3 年提高到1 4 3 4 万吨，增加 7 海洋高脂微藻的筛选和生物柴油的制备 了3 5 ；2 0 0 4 年提高至1 j 2 2 4 6 万吨a ，增加了1 0 。预计n 2 0 l o 年产量将达n 8 0 0 万1 0 0 0 万吨，生物柴油在柴油市场中的份额将达n 5 7 5 ，2 0 2 0 年可达到2 0 。 德国是目前全球最大的生物柴油生产国，主要以纯态生物柴油0 3 1 0 0 ) 作为车用燃 料，享受免征燃油税政策。法国的生物柴油以5 的调和比例加入到石油柴油中 进入市场。同时在排放控制严格的地区，b 3 0 生物柴油也作为公共交通燃料。意 大利是目前欧洲生物柴油使用最广的国家，生物柴油主要用于柴油车辆和农业机 械方面，基本上使用纯态生物柴油作为车用燃料。巴西采用其丰产的蓖麻油为原 料生产生物柴油：印度是通过大规模种植麻疯树等非食用油料作物开发生物柴 油：菲律宾用椰子油生产生物柴油；马来西亚采用棕搁油和废油生产生物柴油。 1 2 微藻生物柴油 1 2 1 微藻的优势 藻类，尤其是微藻，是地球上最早出现的能进行光合作用生物物种之一，其 中的某些物种已经在地球上生存了3 5 亿年之久。它们能十分有效地利用太阳能将 h 2 0 ，c 0 2 和无机盐类转化为有机资源，是地球有机资源的最初级生产力，有了 它们才有了大气中的氧气，才有了海洋和陆地的其他生物，也才有了人类。随着 科技水平的不断提高，人口的不断增长、人类生活水平的不断提高、陆地资源和 可耕种面积的持续减少，全球性食品资源短缺压力口益增加。开发和利用海洋微 藻是最长远的解决人类食品资源和能源的重要途径。因为藻类不仅富含蛋白质、 脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的要素，而且还含有可燃性油类、各种氨 基酸、多种维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其他多种生物活性物质，是人 类向海洋索取食品、药品、燃料、生化试剂、精细化工产品以及其他重要材料的 一把金钥匙。 油脂原料的选择主要决定于原料成本以及其来源的广泛性。据统计，生物柴 油制备成本的7 5 是原料成本，因此采用廉价原料及提高转化率从而降低成本是 生物柴油能否实用化的关键。油料植物由于占用耕地面积、生长周期长、受气候 影响等缺点，而不能成为生物柴油原料油脂供应的长久之策。海洋微藻是海洋生 态体系中有机物和能量的主要提供者，与其他原料相比，具有光合作用效率高、 环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点( m i l n ee ta 1 ，1 9 9 0 ；m i a o & w u ， 8 第一章前言 2 0 0 6 ) 。 微藻壶于具有种类多样、光合作用效率赢、生物产鬣高、生长繁殖快、生长 周期短和自身合成油脂能力强的有利特点而被许多学者认为是制备生物柴油最 佳的生物质能原料之一。根据s o u m i a ( 1 9 9 5 ) 的统计，在世界各地报道的海洋微 藻有4 0 0 0 种之多。徽藻与油料像物相比，微藻细胞生长是以指数式的生长繁殖方 式，并且某些微藻的含油量非常高，表1 1 列出了部分微藻含油量的千质量比， 大部分微藻含油量都在2 0 5 0 ，某些微藻的含油量甚至可以达到7 7 ( c h i s t i 。2 7 ) 。 表1 1 部分微藻的油脂含量 t a b 1 1o i lc o n t e n to f s o m em i c r o a l g a e 微藻名称 质嚣分数( ，于质鼙) b o t r y o c o c c u sb r a u n i i c h l o r e l l as p c r y p t h e c o d i n iu m c o h n i i c y l i n d r o t h e c as p d u n a l i e l l ap r i m o l e c t a i s o c h r y s i ss p m o n a l l a n t h u ss a l i n a n a n n o c h l o r i ss p n a n n o c h l o r o p s i ss p 。 n e o c h l o r i so l e o a b u n d a n s n i t z s c h i as p p h a e o d a c t y l u mt r i c o r n u t u m s c h i z o c h y t r i u ms p t e t r a s e l m i ss u e i c a 2 5 7 5 2 8 3 2 2 0 1 6 3 7 2 3 2 5 3 3 2 0 2 0 3 5 3 | - - 6 8 3 5 5 4 4 5 - - 4 7 2 0 3 0 5 0 , - 一7 7 1 5 2 3 注：引1 2 1c h i s t iy , 2 0 0 7 此外，可利厝微生物发酵技术，在光反应器中高密度、高速率培养微藻。在 同样条件下，微藻细胞生长加倍时间通常在2 4h 内，对数生长期内细胞物质加 倍时间缩短至3 。5h ( c h i s t i ，2 0 0 7 ) 。作为低等植物的微藻大多分布在江海湖泊中， 不与农幸# 物争地，可以整年生长。其中原核的蓝藻( 也称蓝细菌) 可营宙养生活， 无需另外添加c 、n 源。从海洋和湖泊中分离到真核的硅藻、绿藻和褐藻等藻种， 经过驯化。其中一些藻类的光合生产率已经达到5 0 9 m - 2d ，其油脂组成与一般 漶料檀物相曩鬟，以c 1 6 、c 1 8 系脂肪酸为主。我国1 8 0 0 0k m 海岸线上有着大片 9 海洋离脂微藻的筛选和生物柴油的制各 滩涂和湿地，非常适合微藻的大规模养殖和循环利用。由于微藻易养易收，群体 众多，所含脂肪酸等生物质熊重大，因此徽藻是新型生物柴油原料油源之一，也 是未来生物柴油发展的趋势之一。 1 2 。2 高脂微藻的筛选 美国能源部i 溉年就立项支持利用藻类制备生物柴油的研发工作，从海洋和 湖泊中分离了3 0 0 0 多种藻类，从中筛选出3 0 0 多种生长快、含油高的硅藻、绿藻 和蓝藻等藻稀。经过驯化，其中一些藻类的光合生产率强经达到5 9 。m 2 f f l ，含、油 率达到8 0 ( s h e e h a n 1 9 9 8 ) 。 近3 0 年来，对硅藻脂肪酸含量及组成的研究也在不断进行中( 徐芳等，2 0 0 5 ) 。 以藻类培养生产多不饱和脂肪酸的研究始予2 0 世纪8 0 年代早期，硅藻嚣其藻体细 胞内较高的脂肪含量，被认为是最有可能实现产业化生产油脂的藻种之一。 a h l g r e n ( 1 9 9 0 ) 认为硅藻是天然油脂的可靠来源，无论是作为燃料还是海洋浮 游动物或是虾类幼体的饵料。这不仅是奎于硅藻孛极高的油脂含量，还因麓萁中 包含了大量多不饱和脂肪酸，p u f a s ( r e n a u d 。1 9 9 4 ) 。d u n s t a n 等( 1 9 9 4 ) 研究 了1 4 种海洋硅藻脂肪酸组成，测得海洋硅藻主要脂肪酸分别为：1 4 ：0 、1 6 ：0 、1 6 ：1 、 2 0 ：5 ( e p a ) ，并至 2 2 ：6 ( d h a ) 的相对含量也在4 左右；国癌学者李荷芳等( 1 9 9 9 ) 研究新月菱形藻、三角褐指藻、舟形藻、牟氏角毛藻的脂肪酸组成，也得到了