微藻的生產潛力

石油資源供應緊張，環境惡化已成為制約世界經濟可持續發展的主要瓶頸。作為重要的替代補充能源,生物質能開發越來越受關注。目前,發展生物質能、減少對礦物能源依賴,已成為許多國家重要的能源戰略,預計10年后,全球總能耗將有20%來自生物質。微藻是一類能夠進行光合作用,在自然界廣泛存在的微型藻類。微藻生物質具有作為生物能源原料的巨大潛力,與能源植物相比,其具有光合作用效率高、生長周期短、生物質產量高的優勢。在同樣條件下,微藻細胞生長加倍時間通常在24h內,對數生長期內細胞物質加倍時間可短至3.5h,生物質生產能力遠遠高于陸地植物。就單位面積的產油量計算,微藻產油可達陸地油料作物產油量的30倍。微藻還可以利用鹽堿地、沙漠、海域養殖,存在不與糧爭地及不與人爭糧的巨大優勢,并且能夠提供各種不同的可再生生物燃料,如藻類生物質可生產生物柴油、可制取甲烷和氫氣、可生產乙醇等,因此被認為是未來能源原料供應的重要途徑。為盡快開發微藻能源,實現藻類生物能源的產業化,世界各國在藻類的規模培養、生物煉制與產品開發等相關方面都進行了大量的嘗試與研究,并積累了許多成功的經驗。本文就該領域的最新研究動態進行了綜述,對微藻能源發展過程中的關鍵科學問題進行了分析,以期推動我國能源微藻產業的盡快發展。一、能源微藻生物轉化率的國內外研究1.我國生物公民權利保護研究獲得大量的微藻生物質是微藻生物能源發展的首要前提,而優良的微藻種質以及培養技術是提高微藻生物質產量、降低原料成本的關鍵。由于不同微藻生長特性不同,能源產品出口也不同,因此,傳統的規模養殖微藻并不能滿足能源微藻的需求。針對不同的應用出口,各國都進行了不同范圍的工程微藻選育研究。1978—1996年,美國能源部通過國家可再生能源實驗室啟動的一項利用微藻生產生物柴油的“水生生物種計劃”,對3000余種微藻資源進行了油脂含量普查,篩選出300多種微藻。1989年,美國Texas州立大學的Brand等還對90余株微藻進行了產氫篩選,獲得了25株產氫微藻。1990—2000年,日本國際貿易和工業部資助了一項名為“地球研究更新技術計劃”的項目,耗資近3億美元,分離出10000多種微藻,篩選出多株耐受高CO2濃度和高溫、生長速度快、能形成高細胞密度的藻種。我國雖然在能源微藻選育領域的研究起步相對較晚,但發展迅速,近年來,以中國科學院各研究所為代表的相關研究機構在藻種的篩選領域已開展了大量的工作,目前篩選出富油富烴微藻66株。從篩選結果來看,盡管野生型藻株性狀穩定,但在光合效率、生長速度以及抗逆性和能量產出等方面仍無法滿足工業化生產的需要,相關性狀有待于進一步提高。對藻株進行誘變篩選是獲得優良藻種的另一條途徑。向文洲等通過對綠球藻Chlorococcumsp.進行誘變,不但提高了其在極端適應條件下的生長速率,其在未充分誘導條件下的含油量就已經達到了46%。張學城等通過對普生小球藻Chlorellavulgaris進行紫外誘變育種,使小球藻的生長速率提高了6%,同時蛋白質含量提高了2.5%。值得注意的是,通過傳統的誘變育種篩選手段,雖然也可以得到具有某些優良性狀的菌株,但需要耗費較長的時間和較多的人力,且風險性很大。隨著藻類生物學相關研究的不斷深入,利用現代分子遺傳技術對藻株進行遺傳改造成為可能,可以有針對性地對藻株的特定性狀進行改進,從而將育種周期大大縮短,并且極大降低了風險性,因而近年來人們越來越傾向于利用該技術對微藻進行光合效率、生長速度、抗逆性以及能源產品產量等相關性狀的改良研究。迄今為止,雖然轉基因藻類的商業應用還未見報道,但有幾個基因工程藻類已經展現出了初步的應用前景。如美國選育的轉ACCase基因硅藻藻株Cyclotellacryptica和Naviculasaprophila。Apt小組發展了一個很有希望的新技術用于三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum的異養大規模培養,他們將人血紅蛋白的糖轉移蛋白基因導入表達,從而使其能夠在黑暗條件下異養生長。Melis小組則通過插入反義序列,下調衣藻葉綠體硫通透酶的表達,從而得到了能夠持續產氫的衣藻并申請了美國專利2.光生物反應器利三焦型微藻培養技術是影響微藻生物質合成速率的另一關鍵因素。在藻類高產技術開發過程中,結合藻類的生理需要,調控并優化藻類細胞所處的微環境非常重要,目前藻類培養主要包括自養和異養兩種方式,其中以自養為主,也有很多開展微藻異養培養的研究。光自養培養采用的反應器主要有兩大類:一類是開放式光生物反應器,即開放池培養系統;另一類是封閉式光生物反應器,包括水平池和傾斜池等。開放式培養系統具有技術簡單、投資低廉等特點,已經廣泛應用在經濟藻類的規模培養中。但開放式培養存在培養條件不穩定、易污染等缺點,因此其培養效率和所獲產品的附加值較低。與開放式培養系統相比較,封閉式光生物反應器具有以下優點:藻類的培養條件、生長參數容易控制,培養環境穩定;容易控制污染,可以實現無菌培養;全年生產期較長,產率較高;能夠維持較高的藻液濃度,能一定程度地降低采收成本。目前,封閉式光生物反應器的主要類型有:柱式、管式、板式及一些其它特殊類型。近年來開發的一些新型光生物反應器均是以管式和板式光生物反應器為基礎進行的。但是,密閉式光生物反應器造價與運行成本較高,目前多用于能生產一些高附加值產品的藻類培養中。微藻異養培養不受光照的影響,生長速度快,因此可以取得更高的產量,同時可縮短培養周期,可采用傳統的發酵裝置進行培養,占地面積小。同時生產技術和發酵知識基礎成熟,流程控制程度高,培養過程不受環境條件影響,可降低采收成本。而且,異養培養已顯示出比光自養培養更高的體積產率和油脂含量。但異養微藻需要足夠的O2來分解有機底物,因此O2的供應往往是異養培養的最大的限制因素。一般來說異養培養下微藻總脂含量與光合營養相比有所增加。3.微藻油脂提取微藻生物柴油又稱燃料甲酯,可通過化學法以及生物酶法由甲醇等醇類物質與油脂中主要成分甘油三酸酯發生酯交換反應獲得,從而降低油料的粘度,改善油料的流動性和汽化性能,達到作為燃料使用的要求。其性能與0#柴油相近,可以替代0#柴油,用于各種型號的拖拉機、內河船及車用柴油機。其熱值約10000大卡/千克,能與0#柴油混合,無需對現有柴油機進行改動。微藻生物柴油是目前最為主流的微藻生物質能利用形式,國內外開展了大量研究。正常情況下,來自不同種類的產油微藻大多數油脂產率約為細胞干重的25%。在脅迫條件下,如營養脅迫,細胞分裂停止而細胞繼續積累油脂,積累的油脂可達細胞干重的35%—70%。例如:Botryococcusbraunii在氮饑餓壓力下其油脂含量可從46%增加到54%;Dunaliellasalina在適度鹽度脅迫下,油脂含量可以從60%提高到70%;而小球藻Chlorellavulgaris在高Fe離子濃度脅迫下,中性脂含量也可提高到56.6%。雖然營養脅迫可能會增加微藻油脂的含量,但會使細胞總數及培養液油脂產率減少,因此,Benemann等建議采用分階段的辦法,微藻首先在沒有限制條件的情況下生長,待微藻生長到穩定期后,然后在脅迫條件下培養。此法雖然一定程度上限制了微藻生長速率,但使微藻積累了營養物質,因而并不減少生物量。微藻油脂提取通常采用有機溶劑法,如Bligh等的氯仿-甲醇提取法等,微藻生物質采油率約90%,其優勢在于成本相對較低。若采用壓濾法,雖然操作相對簡單,但是由于細胞破碎率低,采油率也較低(約75%)。還有一種方法是超臨界CO2流體萃取方法,該方法采油率最高,可接近100%,但是這一方法設備比較昂貴、操作條件要求高,工業化也存在困難。因此,目前急需發展操作簡單、經濟可最近,美國及歐洲等發達國家,正在探索油脂通過加氫裂化制備生物柴油的技術。該技術與轉酯化技術有所不同,獲得的產物也截然不同。采用轉酯化技術獲得的最終產物是脂肪酸甲酯生物柴油;而加氫裂化技術獲得的產物是烷烴生物柴油,其成分與石化柴油完全相同,可以與石化柴油以任意比例混合使用,甚至完全替代石化柴油,因此具有更加廣泛的應用市場,不需要對現有發動機作任何改動。同時加氫裂化工藝可以采用目前石油煉制工廠的現有工藝與設備,因此具有投資少、容易產業化的優勢,是微藻油脂加工的重要發展方向。另外,微藻生物質發酵制取生物燃氣也是微藻能源利用的一個重要方面,主要指以微藻為生物基質獲得氫氣和甲烷氣。微藻與高等植物不同,其中纖維素、半纖維素等不宜降解的物質含量極低,十分利于細菌發酵。同時可應用于這種技術的藻類生物質范圍極廣,各種養殖藻類以及藻華產生的藻類生物質均可,因此該技術具有很好的應用前景。中國科學院青島生物能源與過程研究所在該方面開展了一些研究,自行開發出了適于藻類生物質發酵的CSTR反應系統,并以提油后藻渣為原料,通過初步優化,產氫量可達40ml/gdw以上。生物燃氣通過凈化完全可以達到甚至超過現有天然氣的標準,對于開發可再生天然氣資源具有重要意義。同時,微藻光解水產氫以及微藻制乙醇也是微藻能源利用的另外兩個方面。微藻通過光合作用,利用太陽能將水分子光解,從而產生氫氣。該現象由Gaffron等首先發現,但是在20世紀,微藻制氫的研究并沒有取得突破性進展,主要局限在厭氧誘導和暗發酵上,產氫量極低[23—26]。21世紀初,微藻氫化酶的分離和新厭氧方法的建立,使微藻制氫進入新的研究階段。微藻生物乙醇是以微藻生物質中的淀粉質、糖質為原料,經微生物發酵、蒸餾制得乙醇。據報道微藻的淀粉含量為9%—69%,可與玉米、小麥以及其它常規乙醇原料相媲美。1996年,Royhei等發明了一種微藻乙醇生產工藝,先通過大量培養淀粉含量高的微藻,濃縮后誘導微藻自體發酵,通過調控pH值,乙醇產率可達7500mg/L,從而提供了一條微藻制備生物乙醇的新思路。4.生物活性物質的提取盡管與其它高等植物相比,作為生物能源原料,微藻具有極為顯著的優勢,但是成本較高依然是微藻能源產業化面臨的核心問題。而要解決這一問題,不但需要進一步完善各項技術,轉變能源微藻的養殖模式,大幅降低能源微藻的養殖成本,也是近年來備受關注的產業發展方向。相對于傳統的微藻培養模式,生態養殖模式是近些年來發展起來的一種與煙道氣CO2減排及污水處理相結合的藻類培養模式。在該培養體系中,煙道氣CO2用于為微藻培養提供碳源,而高N、P含量的污水則用以提供微藻生長所需要的營養元素。該培養模式因其可大幅度降低養殖成本,同時具有顯著的環境效應,受到廣泛的關注。目前已有研究表明,煙道氣CO2可以明顯提高微藻生長速度,并且CO2的去除率可達90%以上。同時,我們實驗室的前期研究表明,用城市生活污水培養小球藻,可以完全替代傳統培養基,無需向培養基中添加任何N、P等元素,并且培養6天后,城市生活污水中的氨氮去除率可達92%,而總P去除率可達94%以上。微藻含有豐富的生物活性物質,尤其是一些有獨特醫療功效的物質(如B2胡蘿卜素、藻蘭素等色素類,抗生素類、抗病毒類、抗真菌類、細胞毒素和抗癌類,還有微藻脂肪酸、多糖、維生素、甾醇等),是重要的藥物資源,有些還可直接或經加工后用于化工、食品工業和飼料工業等。由于能源微藻,也同樣含有生物活性物質,為達到微藻生物質資源的充分利用,在對微藻進行油脂提取處理后,剩余藻渣仍可繼續進行利用,從中提取多聚糖、蛋白、色素等高附加值生物活性物質,并將這些物質分離提純,應用于醫藥方面,而殘余物還可用于發酵生產生物燃氣。對能源微藻進行生態培養和綜合開發,一方面充分利用了廢棄資源,具有明顯的環境治理效益;另一方面最大程度地利用了微藻生物質資源,可以大幅節約成本,增加收益,是微藻能源產業鏈的有益補充,也是未來微藻能源產業的一個重要發展方向。二、模養技術與微藻生物質生物制備技術的探索與研究綜上所述,從國內外能源微藻在不同層面上的發展趨勢來看,優良藻種的選育仍是能源微藻產業發展的首要問題,篩選生長迅速且生物質產量高的藻種,同時結合現代分子生物學的分子改造手段,構建基因工程藻株,是能源微藻產業發展的原動力。另外,在優良藻株的基礎上,規模培養技術是微藻高效率獲得大量生物質的關鍵。從上述大量文獻調研可以發現,影響微藻生長的關鍵問題有兩個方面,一是微藻自身代謝的調控,二是微藻在光反應器內的生長環境。無論采用哪種培養技術,關鍵問題是把微藻自身代謝過程與其生長環境有機結合在一起。把微藻培養技術與微藻代謝調控技術以及微藻環境適應機制研究結合起來,開發出微藻高效、低成本規模培養技術,是能源微藻產業發展的關鍵環節。微藻生物質的生物煉制與能源產品開發,需要根據微藻生物質的組成特點,重點解決微藻生物煉制的物理化學基礎問題,才能開發出適合微藻生物質特性的高效煉制手段和創新技術。因此,結合國內外的發展現狀分析,我們可以明確地認識到,能源微藻的發展處于起步發展階段,目前的科研任務仍將側重于微藻生物煉制過程中的關鍵科學問題。具體來說,能源微藻生物煉制的關鍵科學問題主要體現在以下3個方面:1.作為能量來源利用能源微藻作為石油能源的可再生替代資源,首先需要研究解決的科學問題是,在分子水平上,能源微藻是如何利用太陽能作為能量來源,利用CO2作為碳源,通過光合作用,從而為自身的生理代謝提供能量,并且通過一系列生理代謝途徑,以高能量密度物質的形式將其儲存。只有對能源微藻產能的基本分子機理認識清楚,我們才可以利用現代生物學的技術手段對其進行優化改造,進而提高能源微藻從太陽能和CO2到高能量密度分子的轉化效率,為能源微藻進一步的工業化利用奠定基礎。2.微藻規模化培養的環境優化影響能源微藻產油量的一個主要因素是微藻細胞量的積累,這一因素決定了其在規模化工業環境培養中的難度。此外,微藻細胞量積累和微藻細胞中油脂含量增加之間難以協調的矛盾已成為能源微藻規模化培養實現的瓶頸。微藻規模化培養環境條件的優化,是降低微藻生產成本的有效途徑。目前有關的研究大多停留在宏觀層面,尚無全面系統而實用的理論體系形成,根本原因在于缺乏對能源微藻生長和產油過程受物質和環境影響的本質的認識。揭示微藻規模化培養過程中質能平衡、環境調控和過程放大方面的共性規律,是推動能源微藻工程化利用的前提。3.微藻生物質制備生物燃料的基本原則分離提取與煉制,是微藻生物燃料煉制的兩個重要環節。首先,研究微藻細胞壁結構與化學組成及其與細胞壁強度的關系,有助于發展微藻生物質分離、純化與提取的新原理與新方法。其次,微藻生物質轉化生物燃料過程中的催化問題、反應動力學問題以及物質和能量轉化規律等,是微藻煉制生物燃料創新工藝與新型燃料開發的基礎。這些科學問題的解決,決定了微藻生物質能否高效轉化為能源,是微藻生物質提煉能源的創新理