微藻生物柴油 18307110275陈柏霖 简介 微藻是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体,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,属于原生生物的一种 生物柴油是指以油脂为原料,经过酯交换反应制成的可替代化石柴油的柴油燃料 使用微藻生产生物柴油,可缓解化石能源危机,满足日益增长的用油需要,在油价日 益增长的今天,具有广阔前景,有利于人们低价出行。且生物柴油污染少,更助推绿色环 保出行。 生 物 柴 绿色能源 油 C 技术原理 根据对产油微藻的研究,小球藻( chlorella)、鞭金球藻( Golden Whip sp.)等,细 胞油脂含量可达80%以上,且与其他油料作物相比生产速度极快,能在24h内生物倍增 微藻的富油特点保证了它是适合用来生产柴油的原料 微藻柴油的制备流程可简要用下图表述: 藻种的工 程改造 细胞破碎 油脂提取 藻种的贮 酯交换法 存 干燥 制柴油 微藻培养 采收 产出成品 柴油 接下来对每个流程进行详细介绍 1)藻种的工程改造
微藻生物柴油 18307110275 陈柏霖 简介 微藻是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体，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，属于原生生物的一种 生物柴油是指以油脂为原料，经过酯交换反应制成的可替代化石柴油的柴油燃料。 使用微藻生产生物柴油，可缓解化石能源危机，满足日益增长的用油需要，在油价日 益增长的今天，具有广阔前景，有利于人们低价出行。且生物柴油污染少，更助推绿色环 保出行。 技术原理 根据对产油微藻的研究，小球藻（chlorella）、鞭金球藻（Golden Whip sp.）等，细 胞油脂含量可达 80%以上，且与其他油料作物相比生产速度极快，能在 24h 内生物倍增。 微藻的富油特点保证了它是适合用来生产柴油的原料。 微藻柴油的制备流程可简要用下图表述： 接下来对每个流程进行详细介绍。 1） 藻种的工程改造 藻种的工 程改造 藻种的贮 存 微藻培养 采收 干燥 细胞破碎 油脂提取 酯交换法 制柴油 产出成品 柴油
野生藻种不适合工艺生产,不能 获得高产油率,故需要对藻种进行改 造。获得优良富油微藻藻种是微藻柴 油制造的最基础环节。为了得到具有 生长速度快,富油,细胞密度高,高 CO2浓度耐受,适应不同自然环境等优 良性状的藻种,目前的方法大致分为 以下几种:选择育种,诱变育种,细 胞融合,基因工程。 选择育种的种质来源有藻种库和 野外筛选,通过微生物培养技术,把 野生藻种分离,进行培养,然后直接提取测定油脂含量,测定生长速率,等等。从而获得 优良藻种。选择育种是目前使用最多的育种方式。 诱变育种主要是通过物理因素或者化学刺激使微藻产生基因突变,并筛选出优良性状 的藻株(比如油脂产率更高,油脂品质更高),使得呈现出的性状更有利于工业生产。 细胞融合技术:将不同种类的微藻(如自养藻与异养藻)融合,将微藻与细菌、真菌 融合,以改善微藻的生长和生化代谢特性,得到多重优良性状。目前在微藻育种中应用的 较少 基因工程育种能够定向地把某优良性状转给微藻,如1995年将乙酰辅酶A羧化酶基因 转入到小环藻中,获得了在实验室条件下脂质积累量达60%以上的藻种 2)优良藻种的保藏 目前的保藏方法主要有继代保藏法,干燥保藏法,固定化保藏法。保藏后,能够在需 要培养时取用 3)微藻培养 培养方式主要分为两种,自养培养 和异养培养 自养藻主要利用光合作用,在富含 水、无机盐的条件下,微藻利用二氧化 碳合成有机质进而合成脂质,一般在开 放池或光生物反应器内进行。其绿色环 保,成本低,但是由于是自然生长,微 藻浓度低,干重增加速率慢 异养藻以葡萄糖或其他单糖作为碳 源,在含有无机盐的生化反应器内合成 脂质,微藻浓度与自养藻相比大大提升,而且干重増加速率也快。但是原料中含有葡萄 糖,所以增加了成本 4)采收 微藻个体小,含水量又极高,所以采集藻粉 (含脂部分)的难度较大,降低采收成本为降低 成本的关键。目前主要有物理法,化学法,生物 法。物理法包括过滤、离心等:化学法包括等电 点法、絮凝法等,生物法主要指生物絮凝法。其 中,自养生产出的低浓度的微藻通常可以使用絮 凝法,加入絮凝剂后搅拌沉降即可,成本低产率
野生藻种不适合工艺生产，不能 获得高产油率，故需要对藻种进行改 造。获得优良富油微藻藻种是微藻柴 油制造的最基础环节。为了得到具有 生长速度快，富油，细胞密度高，高 CO2 浓度耐受，适应不同自然环境等优 良性状的藻种，目前的方法大致分为 以下几种：选择育种，诱变育种，细 胞融合，基因工程。 选择育种的种质来源有藻种库和 野外筛选，通过微生物培养技术，把 野生藻种分离，进行培养，然后直接提取测定油脂含量，测定生长速率，等等。从而获得 优良藻种。选择育种是目前使用最多的育种方式。 诱变育种主要是通过物理因素或者化学刺激使微藻产生基因突变，并筛选出优良性状 的藻株（比如油脂产率更高，油脂品质更高），使得呈现出的性状更有利于工业生产。 细胞融合技术：将不同种类的微藻（如自养藻与异养藻）融合，将微藻与细菌、真菌 融合，以改善微藻的生长和生化代谢特性，得到多重优良性状。目前在微藻育种中应用的 较少。 基因工程育种能够定向地把某优良性状转给微藻，如 1995 年将乙酰辅酶 A 羧化酶基因 转入到小环藻中，获得了在实验室条件下脂质积累量达 60%以上的藻种。 2）优良藻种的保藏 目前的保藏方法主要有继代保藏法，干燥保藏法，固定化保藏法。保藏后，能够在需 要培养时取用。 3）微藻培养 培养方式主要分为两种，自养培养 和异养培养。 自养藻主要利用光合作用，在富含 水、无机盐的条件下，微藻利用二氧化 碳合成有机质进而合成脂质，一般在开 放池或光生物反应器内进行。其绿色环 保，成本低，但是由于是自然生长，微 藻浓度低，干重增加速率慢。 异养藻以葡萄糖或其他单糖作为碳 源，在含有无机盐的生化反应器内合成 脂质，微藻浓度与自养藻相比大大提升，而且干重增加速率也快。但是原料中含有葡萄 糖，所以增加了成本。 4）采收 微藻个体小，含水量又极高，所以采集藻粉 （含脂部分）的难度较大，降低采收成本为降低 成本的关键。目前主要有物理法，化学法，生物 法。物理法包括过滤、离心等；化学法包括等电 点法、絮凝法等，生物法主要指生物絮凝法。其 中，自养生产出的低浓度的微藻通常可以使用絮 凝法，加入絮凝剂后搅拌沉降即可，成本低产率
高,而离心法适合绝大多数微藻品种,产率高但是成本高。还有许多新方法正在开发中, 如磁选法等 5)干燥 藻粉收集后需要大幅降低其含水量(低于5%)以便于长期保存。干燥方法主要包括: 喷雾干燥法、真空干燥法、冷冻干燥法、热风干燥法、微波干燥法。 6)细胞破碎 由于微藻油脂大多存在于藻体细胞内部,被 细胞壁包裹,且部分油脂以脂蛋白或脂多糖的形 式存在,所以在油脂提取前需要破碎细胞,以增 大油脂提取率。有物理破碎法,化学破碎法,生 物破碎法。 物理破碎法:利用机械应力对细胞壁进行破 碎,主要包括高压均质法,反复冻融法,研磨 法,超声波破壁法等。破壁效果佳,能耗高,操 作步骤多。 化学破碎法:利用化学物质对细胞壁中糖分 及蛋白质等成分进行溶解,从而使原来结构紧凑 的细胞壁变得疏松,胞质从中逸出。主要用酸碱 处理细胞壁。 生物破碎法:主要指酶解法,在一定条件下利用果胶酶和纤维素酶破碎细胞壁,条件 温和,能耗低,具有巨大发展潜力。 7)油脂提取 细胞破碎后,可以用相应的有机溶剂把细胞内的油脂、多糖等有效成分提取出来。油 脂提取主要可分为抽提法和有机溶剂萃取法 8)由微藻油脂生产微藻生物柴油 利用提取到的微藻油脂,在一定的醇油比、催化剂之下,发生酯化反应,得到的产物 在密度、粘度、热值等方面与传统柴油相当,且某些性质可能更加优良。(如更好的冷滤 点) 技术应用 如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类,生物柴油的生产规模可 以达到数千万吨。如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类,生物柴油 的生产规模可以达到数千万吨。能够大大解决我国的用油需求,而且通过改善技术、降低 成本,能够有效降低油价,解决能源问题 同时,微藻在生长的过程中需要吸收大量的无机盐,有助于治理水体污染、净化工厂 排岀的污水。微藻柴油与传统柴油相比,硫等燃烧后对环境有污染的元素含量低,是环境 友好型产品 技术优缺点 1)优点 微藻生物柴油具有与石化相似的性能,包括密度、黏度、闪点、冷流和热值 微藻与其他产油植物相比,具有生长周期短(24h数目能翻一倍),生产率高(优良微 藻脂质含量很高),相对成本较为低廉等优点,比玉米、棕榈、动物等更适合制柴油。作为 新型生物燃料,其能有效缓解用油危机,应对化石燃料供应量减少的问题,若微藻柴油技
高，而离心法适合绝大多数微藻品种，产率高但是成本高。还有许多新方法正在开发中， 如磁选法等。 5）干燥 藻粉收集后需要大幅降低其含水量（低于 5%）以便于长期保存。干燥方法主要包括： 喷雾干燥法、真空干燥法、冷冻干燥法、热风干燥法、微波干燥法。 6）细胞破碎 由于微藻油脂大多存在于藻体细胞内部，被 细胞壁包裹，且部分油脂以脂蛋白或脂多糖的形 式存在，所以在油脂提取前需要破碎细胞，以增 大油脂提取率。有物理破碎法，化学破碎法，生 物破碎法。 物理破碎法：利用机械应力对细胞壁进行破 碎，主要包括高压均质法，反复冻融法，研磨 法，超声波破壁法等。破壁效果佳，能耗高，操 作步骤多。 化学破碎法：利用化学物质对细胞壁中糖分 及蛋白质等成分进行溶解，从而使原来结构紧凑 的细胞壁变得疏松，胞质从中逸出。主要用酸碱 处理细胞壁。 生物破碎法：主要指酶解法，在一定条件下利用果胶酶和纤维素酶破碎细胞壁，条件 温和，能耗低，具有巨大发展潜力。 7）油脂提取 细胞破碎后，可以用相应的有机溶剂把细胞内的油脂、多糖等有效成分提取出来。油 脂提取主要可分为抽提法和有机溶剂萃取法。 8）由微藻油脂生产微藻生物柴油 利用提取到的微藻油脂，在一定的醇油比、催化剂之下，发生酯化反应，得到的产物 在密度、粘度、热值等方面与传统柴油相当，且某些性质可能更加优良。（如更好的冷滤 点）。 技术应用 如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类，生物柴油的生产规模可 以达到数千万吨。如果在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类，生物柴油 的生产规模可以达到数千万吨。能够大大解决我国的用油需求，而且通过改善技术、降低 成本，能够有效降低油价，解决能源问题。 同时，微藻在生长的过程中需要吸收大量的无机盐，有助于治理水体污染、净化工厂 排出的污水。微藻柴油与传统柴油相比，硫等燃烧后对环境有污染的元素含量低，是环境 友好型产品。 技术优缺点 1） 优点 微藻生物柴油具有与石化相似的性能, 包括密度、黏度、闪点、冷流和热值。 微藻与其他产油植物相比，具有生长周期短（24h 数目能翻一倍），生产率高（优良微 藻脂质含量很高），相对成本较为低廉等优点，比玉米、棕榈、动物等更适合制柴油。作为 新型生物燃料，其能有效缓解用油危机，应对化石燃料供应量减少的问题，若微藻柴油技
术发展成熟,能够大规模投入工业化生产,能源问题将在很大程度上得到解决。而且与传 统柴油相比较,具有低毒性,可再生,燃烧后产物更环保的优点。 2)缺点 从技术的成熟到微藻燃油的生产系统投产还有很长的路要走。首先就是成本问题,如 上文所提到的,采收环节成本很高(约为获得藻粉的总成本的30%),还有一些其他流程 成本也很高,且产业链很长,这导致了制成品的价格是柴油价格的数倍。而且若实际生产 微藻柴油,需要很大规模才能做,而目前研究的规模都很小。再者,由于微藻对光和水的 高需求,若不能找到合适的生产场地,微藻产油能力将会大打折扣。使用生物柴油作为燃 料,易受到细菌氧化,随后导致储罐的内部腐蚀 展望 随着科学家对微藻生物柴油的进一步研究,成本能够进一步降低,产率能够进一步提 髙,现在基因工程等技术已经成熟,能够培养出适应不同条件生长的微藻藻株,利用废水 培养富含微藻所需的无机盐,而且有助于治理环境污染,达到了“变废为宝”。微藻生物柴 油的前景是光明的,在未来,包括微藻柴油在内的生物燃料很有可能完全替代传统燃料, 解决能源问题。 附录 流程图自制,其他图源均来自网络 参考文献 [1]百度百科“微藻柴油”词条 2]浏婷浅谈微藻生物柴油]生物化工20184(04):109-112 3海涛.异养小球藻制备生物柴油的工艺研究[]浙江大学2017 4胀张森刘平怀杨勋郝宗娣张玲罗宁富油微藻育种技术研究进展]广东农业科学,201340(14)232-236
术发展成熟，能够大规模投入工业化生产，能源问题将在很大程度上得到解决。而且与传 统柴油相比较，具有低毒性，可再生，燃烧后产物更环保的优点。 2） 缺点 从技术的成熟到微藻燃油的生产系统投产还有很长的路要走。首先就是成本问题，如 上文所提到的，采收环节成本很高（约为获得藻粉的总成本的 30%），还有一些其他流程， 成本也很高，且产业链很长，这导致了制成品的价格是柴油价格的数倍。而且若实际生产 微藻柴油，需要很大规模才能做，而目前研究的规模都很小。再者，由于微藻对光和水的 高需求，若不能找到合适的生产场地，微藻产油能力将会大打折扣。使用生物柴油作为燃 料, 易受到细菌氧化, 随后导致储罐的内部腐蚀。 展望 随着科学家对微藻生物柴油的进一步研究，成本能够进一步降低，产率能够进一步提 高，现在基因工程等技术已经成熟，能够培养出适应不同条件生长的微藻藻株，利用废水 培养富含微藻所需的无机盐，而且有助于治理环境污染，达到了“变废为宝”。微藻生物柴 油的前景是光明的，在未来，包括微藻柴油在内的生物燃料很有可能完全替代传统燃料， 解决能源问题。 附录 流程图自制，其他图源均来自网络。 参考文献： [1]百度百科“微藻柴油”词条 [2]刘婷.浅谈微藻生物柴油[J].生物化工,2018,4(04):109-112. [3]海涛. 异养小球藻制备生物柴油的工艺研究[D].浙江大学,2017. [4]张森,刘平怀,杨勋,郝宗娣,张玲,罗宁.富油微藻育种技术研究进展[J].广东农业科学,2013,40(14):232-236