微藻的生产潜力

微藻的生产潜力

石油资源供应紧张，环境恶化已成为制约世界经济可持续发展的主要瓶颈。作为重要的替代补充能源,生物质能开发越来越受关注。目前,发展生物质能、减少对矿物能源依赖,已成为许多国家重要的能源战略,预计10年后,全球总能耗将有20%来自生物质。微藻是一类能够进行光合作用,在自然界广泛存在的微型藻类。微藻生物质具有作为生物能源原料的巨大潜力,与能源植物相比,其具有光合作用效率高、生长周期短、生物质产量高的优势。在同样条件下,微藻细胞生长加倍时间通常在24h内,对数生长期内细胞物质加倍时间可短至3.5h,生物质生产能力远远高于陆地植物。就单位面积的产油量计算,微藻产油可达陆地油料作物产油量的30倍。微藻还可以利用盐碱地、沙漠、海域养殖,存在不与粮争地及不与人争粮的巨大优势,并且能够提供各种不同的可再生生物燃料,如藻类生物质可生产生物柴油、可制取甲烷和氢气、可生产乙醇等,因此被认为是未来能源原料供应的重要途径。为尽快开发微藻能源,实现藻类生物能源的产业化,世界各国在藻类的规模培养、生物炼制与产品开发等相关方面都进行了大量的尝试与研究,并积累了许多成功的经验。本文就该领域的最新研究动态进行了综述,对微藻能源发展过程中的关键科学问题进行了分析,以期推动我国能源微藻产业的尽快发展。一、能源微藻生物转化率的国内外研究1.我国生物公民权利保护研究获得大量的微藻生物质是微藻生物能源发展的首要前提,而优良的微藻种质以及培养技术是提高微藻生物质产量、降低原料成本的关键。由于不同微藻生长特性不同,能源产品出口也不同,因此,传统的规模养殖微藻并不能满足能源微藻的需求。针对不同的应用出口,各国都进行了不同范围的工程微藻选育研究。1978—1996年,美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的“水生生物种计划”,对3000余种微藻资源进行了油脂含量普查,筛选出300多种微藻。1989年,美国Texas州立大学的Brand等还对90余株微藻进行了产氢筛选,获得了25株产氢微藻。1990—2000年,日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目,耗资近3亿美元,分离出10000多种微藻,筛选出多株耐受高CO2浓度和高温、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种。我国虽然在能源微藻选育领域的研究起步相对较晚,但发展迅速,近年来,以中国科学院各研究所为代表的相关研究机构在藻种的筛选领域已开展了大量的工作,目前筛选出富油富烃微藻66株。从筛选结果来看,尽管野生型藻株性状稳定,但在光合效率、生长速度以及抗逆性和能量产出等方面仍无法满足工业化生产的需要,相关性状有待于进一步提高。对藻株进行诱变筛选是获得优良藻种的另一条途径。向文洲等通过对绿球藻Chlorococcumsp.进行诱变,不但提高了其在极端适应条件下的生长速率,其在未充分诱导条件下的含油量就已经达到了46%。张学城等通过对普生小球藻Chlorellavulgaris进行紫外诱变育种,使小球藻的生长速率提高了6%,同时蛋白质含量提高了2.5%。值得注意的是,通过传统的诱变育种筛选手段,虽然也可以得到具有某些优良性状的菌株,但需要耗费较长的时间和较多的人力,且风险性很大。随着藻类生物学相关研究的不断深入,利用现代分子遗传技术对藻株进行遗传改造成为可能,可以有针对性地对藻株的特定性状进行改进,从而将育种周期大大缩短,并且极大降低了风险性,因而近年来人们越来越倾向于利用该技术对微藻进行光合效率、生长速度、抗逆性以及能源产品产量等相关性状的改良研究。迄今为止,虽然转基因藻类的商业应用还未见报道,但有几个基因工程藻类已经展现出了初步的应用前景。如美国选育的转ACCase基因硅藻藻株Cyclotellacryptica和Naviculasaprophila。Apt小组发展了一个很有希望的新技术用于三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum的异养大规模培养,他们将人血红蛋白的糖转移蛋白基因导入表达,从而使其能够在黑暗条件下异养生长。Melis小组则通过插入反义序列,下调衣藻叶绿体硫通透酶的表达,从而得到了能够持续产氢的衣藻并申请了美国专利2.光生物反应器利三焦型微藻培养技术是影响微藻生物质合成速率的另一关键因素。在藻类高产技术开发过程中,结合藻类的生理需要,调控并优化藻类细胞所处的微环境非常重要,目前藻类培养主要包括自养和异养两种方式,其中以自养为主,也有很多开展微藻异养培养的研究。光自养培养采用的反应器主要有两大类:一类是开放式光生物反应器,即开放池培养系统;另一类是封闭式光生物反应器,包括水平池和倾斜池等。开放式培养系统具有技术简单、投资低廉等特点,已经广泛应用在经济藻类的规模培养中。但开放式培养存在培养条件不稳定、易污染等缺点,因此其培养效率和所获产品的附加值较低。与开放式培养系统相比较,封闭式光生物反应器具有以下优点:藻类的培养条件、生长参数容易控制,培养环境稳定;容易控制污染,可以实现无菌培养;全年生产期较长,产率较高;能够维持较高的藻液浓度,能一定程度地降低采收成本。目前,封闭式光生物反应器的主要类型有:柱式、管式、板式及一些其它特殊类型。近年来开发的一些新型光生物反应器均是以管式和板式光生物反应器为基础进行的。但是,密闭式光生物反应器造价与运行成本较高,目前多用于能生产一些高附加值产品的藻类培养中。微藻异养培养不受光照的影响,生长速度快,因此可以取得更高的产量,同时可缩短培养周期,可采用传统的发酵装置进行培养,占地面积小。同时生产技术和发酵知识基础成熟,流程控制程度高,培养过程不受环境条件影响,可降低采收成本。而且,异养培养已显示出比光自养培养更高的体积产率和油脂含量。但异养微藻需要足够的O2来分解有机底物,因此O2的供应往往是异养培养的最大的限制因素。一般来说异养培养下微藻总脂含量与光合营养相比有所增加。3.微藻油脂提取微藻生物柴油又称燃料甲酯,可通过化学法以及生物酶法由甲醇等醇类物质与油脂中主要成分甘油三酸酯发生酯交换反应获得,从而降低油料的粘度,改善油料的流动性和汽化性能,达到作为燃料使用的要求。其性能与0#柴油相近,可以替代0#柴油,用于各种型号的拖拉机、内河船及车用柴油机。其热值约10000大卡/千克,能与0#柴油混合,无需对现有柴油机进行改动。微藻生物柴油是目前最为主流的微藻生物质能利用形式,国内外开展了大量研究。正常情况下,来自不同种类的产油微藻大多数油脂产率约为细胞干重的25%。在胁迫条件下,如营养胁迫,细胞分裂停止而细胞继续积累油脂,积累的油脂可达细胞干重的35%—70%。例如:Botryococcusbraunii在氮饥饿压力下其油脂含量可从46%增加到54%;Dunaliellasalina在适度盐度胁迫下,油脂含量可以从60%提高到70%;而小球藻Chlorellavulgaris在高Fe离子浓度胁迫下,中性脂含量也可提高到56.6%。虽然营养胁迫可能会增加微藻油脂的含量,但会使细胞总数及培养液油脂产率减少,因此,Benemann等建议采用分阶段的办法,微藻首先在没有限制条件的情况下生长,待微藻生长到稳定期后,然后在胁迫条件下培养。此法虽然一定程度上限制了微藻生长速率,但使微藻积累了营养物质,因而并不减少生物量。微藻油脂提取通常采用有机溶剂法,如Bligh等的氯仿-甲醇提取法等,微藻生物质采油率约90%,其优势在于成本相对较低。若采用压滤法,虽然操作相对简单,但是由于细胞破碎率低,采油率也较低(约75%)。还有一种方法是超临界CO2流体萃取方法,该方法采油率最高,可接近100%,但是这一方法设备比较昂贵、操作条件要求高,工业化也存在困难。因此,目前急需发展操作简单、经济可最近,美国及欧洲等发达国家,正在探索油脂通过加氢裂化制备生物柴油的技术。该技术与转酯化技术有所不同,获得的产物也截然不同。采用转酯化技术获得的最终产物是脂肪酸甲酯生物柴油;而加氢裂化技术获得的产物是烷烃生物柴油,其成分与石化柴油完全相同,可以与石化柴油以任意比例混合使用,甚至完全替代石化柴油,因此具有更加广泛的应用市场,不需要对现有发动机作任何改动。同时加氢裂化工艺可以采用目前石油炼制工厂的现有工艺与设备,因此具有投资少、容易产业化的优势,是微藻油脂加工的重要发展方向。另外,微藻生物质发酵制取生物燃气也是微藻能源利用的一个重要方面,主要指以微藻为生物基质获得氢气和甲烷气。微藻与高等植物不同,其中纤维素、半纤维素等不宜降解的物质含量极低,十分利于细菌发酵。同时可应用于这种技术的藻类生物质范围极广,各种养殖藻类以及藻华产生的藻类生物质均可,因此该技术具有很好的应用前景。中国科学院青岛生物能源与过程研究所在该方面开展了一些研究,自行开发出了适于藻类生物质发酵的CSTR反应系统,并以提油后藻渣为原料,通过初步优化,产氢量可达40ml/gdw以上。生物燃气通过净化完全可以达到甚至超过现有天然气的标准,对于开发可再生天然气资源具有重要意义。同时,微藻光解水产氢以及微藻制乙醇也是微藻能源利用的另外两个方面。微藻通过光合作用,利用太阳能将水分子光解,从而产生氢气。该现象由Gaffron等首先发现,但是在20世纪,微藻制氢的研究并没有取得突破性进展,主要局限在厌氧诱导和暗发酵上,产氢量极低[23—26]。21世纪初,微藻氢化酶的分离和新厌氧方法的建立,使微藻制氢进入新的研究阶段。微藻生物乙醇是以微藻生物质中的淀粉质、糖质为原料,经微生物发酵、蒸馏制得乙醇。据报道微藻的淀粉含量为9%—69%,可与玉米、小麦以及其它常规乙醇原料相媲美。1996年,Royhei等发明了一种微藻乙醇生产工艺,先通过大量培养淀粉含量高的微藻,浓缩后诱导微藻自体发酵,通过调控pH值,乙醇产率可达7500mg/L,从而提供了一条微藻制备生物乙醇的新思路。4.生物活性物质的提取尽管与其它高等植物相比,作为生物能源原料,微藻具有极为显著的优势,但是成本较高依然是微藻能源产业化面临的核心问题。而要解决这一问题,不但需要进一步完善各项技术,转变能源微藻的养殖模式,大幅降低能源微藻的养殖成本,也是近年来备受关注的产业发展方向。相对于传统的微藻培养模式,生态养殖模式是近些年来发展起来的一种与烟道气CO2减排及污水处理相结合的藻类培养模式。在该培养体系中,烟道气CO2用于为微藻培养提供碳源,而高N、P含量的污水则用以提供微藻生长所需要的营养元素。该培养模式因其可大幅度降低养殖成本,同时具有显著的环境效应,受到广泛的关注。目前已有研究表明,烟道气CO2可以明显提高微藻生长速度,并且CO2的去除率可达90%以上。同时,我们实验室的前期研究表明,用城市生活污水培养小球藻,可以完全替代传统培养基,无需向培养基中添加任何N、P等元素,并且培养6天后,城市生活污水中的氨氮去除率可达92%,而总P去除率可达94%以上。微藻含有丰富的生物活性物质,尤其是一些有独特医疗功效的物质(如B2胡萝卜素、藻兰素等色素类,抗生素类、抗病毒类、抗真菌类、细胞毒素和抗癌类,还有微藻脂肪酸、多糖、维生素、甾醇等),是重要的药物资源,有些还可直接或经加工后用于化工、食品工业和饲料工业等。由于能源微藻,也同样含有生物活性物质,为达到微藻生物质资源的充分利用,在对微藻进行油脂提取处理后,剩余藻渣仍可继续进行利用,从中提取多聚糖、蛋白、色素等高附加值生物活性物质,并将这些物质分离提纯,应用于医药方面,而残余物还可用于发酵生产生物燃气。对能源微藻进行生态培养和综合开发,一方面充分利用了废弃资源,具有明显的环境治理效益;另一方面最大程度地利用了微藻生物质资源,可以大幅节约成本,增加收益,是微藻能源产业链的有益补充,也是未来微藻能源产业的一个重要发展方向。二、模养技术与微藻生物质生物制备技术的探索与研究综上所述,从国内外能源微藻在不同层面上的发展趋势来看,优良藻种的选育仍是能源微藻产业发展的首要问题,筛选生长迅速且生物质产量高的藻种,同时结合现代分子生物学的分子改造手段,构建基因工程藻株,是能源微藻产业发展的原动力。另外,在优良藻株的基础上,规模培养技术是微藻高效率获得大量生物质的关键。从上述大量文献调研可以发现,影响微藻生长的关键问题有两个方面,一是微藻自身代谢的调控,二是微藻在光反应器内的生长环境。无论采用哪种培养技术,关键问题是把微藻自身代谢过程与其生长环境有机结合在一起。把微藻培养技术与微藻代谢调控技术以及微藻环境适应机制研究结合起来,开发出微藻高效、低成本规模培养技术,是能源微藻产业发展的关键环节。微藻生物质的生物炼制与能源产品开发,需要根据微藻生物质的组成特点,重点解决微藻生物炼制的物理化学基础问题,才能开发出适合微藻生物质特性的高效炼制手段和创新技术。因此,结合国内外的发展现状分析,我们可以明确地认识到,能源微藻的发展处于起步发展阶段,目前的科研任务仍将侧重于微藻生物炼制过程中的关键科学问题。具体来说,能源微藻生物炼制的关键科学问题主要体现在以下3个方面:1.作为能量来源利用能源微藻作为石油能源的可再生替代资源,首先需要研究解决的科学问题是,在分子水平上,能源微藻是如何利用太阳能作为能量来源,利用CO2作为碳源,通过光合作用,从而为自身的生理代谢提供能量,并且通过一系列生理代谢途径,以高能量密度物质的形式将其储存。只有对能源微藻产能的基本分子机理认识清楚,我们才可以利用现代生物学的技术手段对其进行优化改造,进而提高能源微藻从太阳能和CO2到高能量密度分子的转化效率,为能源微藻进一步的工业化利用奠定基础。2.微藻规模化培养的环境优化影响能源微藻产油量的一个主要因素是微藻细胞量的积累,这一因素决定了其在规模化工业环境培养中的难度。此外,微藻细胞量积累和微藻细胞中油脂含量增加之间难以协调的矛盾已成为能源微藻规模化培养实现的瓶颈。微藻规模化培养环境条件的优化,是降低微藻生产成本的有效途径。目前有关的研究大多停留在宏观层面,尚无全面系统而实用的理论体系形成,根本原因在于缺乏对能源微藻生长和产油过程受物质和环境影响的本质的认识。揭示微藻规模化培养过程中质能平衡、环境调控和过程放大方面的共性规律,是推动能源微藻工程化利用的前提。3.微藻生物质制备生物燃料的基本原则分离提取与炼制,是微藻生物燃料炼制的两个重要环节。首先,研究微藻细胞壁结构与化学组成及其与细胞壁强度的关系,有助于发展微藻生物质分离、纯化与提取的新原理与新方法。其次,微藻生物质转化生物燃料过程中的催化问题、反应动力学问题以及物质和能量转化规律等,是微藻炼制生物燃料创新工艺与新型燃料开发的基础。这些科学问题的解决,决定了微藻生物质能否高效转化为能源,是微藻生物质提炼能源的创新理