微藻的生產(chǎn)潛力

微藻的生產(chǎn)潛力

石油資源供應(yīng)緊張，環(huán)境惡化已成為制約世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。作為重要的替代補充能源,生物質(zhì)能開發(fā)越來越受關(guān)注。目前,發(fā)展生物質(zhì)能、減少對礦物能源依賴,已成為許多國家重要的能源戰(zhàn)略,預(yù)計10年后,全球總能耗將有20%來自生物質(zhì)。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(zhì)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(zhì)產(chǎn)量高的優(yōu)勢。在同樣條件下,微藻細胞生長加倍時間通常在24h內(nèi),對數(shù)生長期內(nèi)細胞物質(zhì)加倍時間可短至3.5h,生物質(zhì)生產(chǎn)能力遠遠高于陸地植物。就單位面積的產(chǎn)油量計算,微藻產(chǎn)油可達陸地油料作物產(chǎn)油量的30倍。微藻還可以利用鹽堿地、沙漠、海域養(yǎng)殖,存在不與糧爭地及不與人爭糧的巨大優(yōu)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(zhì)可生產(chǎn)生物柴油、可制取甲烷和氫氣、可生產(chǎn)乙醇等,因此被認為是未來能源原料供應(yīng)的重要途徑。為盡快開發(fā)微藻能源,實現(xiàn)藻類生物能源的產(chǎn)業(yè)化,世界各國在藻類的規(guī)模培養(yǎng)、生物煉制與產(chǎn)品開發(fā)等相關(guān)方面都進行了大量的嘗試與研究,并積累了許多成功的經(jīng)驗。本文就該領(lǐng)域的最新研究動態(tài)進行了綜述,對微藻能源發(fā)展過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題進行了分析,以期推動我國能源微藻產(chǎn)業(yè)的盡快發(fā)展。一、能源微藻生物轉(zhuǎn)化率的國內(nèi)外研究1.我國生物公民權(quán)利保護研究獲得大量的微藻生物質(zhì)是微藻生物能源發(fā)展的首要前提,而優(yōu)良的微藻種質(zhì)以及培養(yǎng)技術(shù)是提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量、降低原料成本的關(guān)鍵。由于不同微藻生長特性不同,能源產(chǎn)品出口也不同,因此,傳統(tǒng)的規(guī)模養(yǎng)殖微藻并不能滿足能源微藻的需求。針對不同的應(yīng)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(chǎn)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(xué)的Brand等還對90余株微藻進行了產(chǎn)氫篩選,獲得了25株產(chǎn)氫微藻。1990—2000年,日本國際貿(mào)易和工業(yè)部資助了一項名為“地球研究更新技術(shù)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(lǐng)域的研究起步相對較晚,但發(fā)展迅速,近年來,以中國科學(xué)院各研究所為代表的相關(guān)研究機構(gòu)在藻種的篩選領(lǐng)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(jié)果來看,盡管野生型藻株性狀穩(wěn)定,但在光合效率、生長速度以及抗逆性和能量產(chǎn)出等方面仍無法滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要,相關(guān)性狀有待于進一步提高。對藻株進行誘變篩選是獲得優(yōu)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(yīng)條件下的生長速率,其在未充分誘導(dǎo)條件下的含油量就已經(jīng)達到了46%。張學(xué)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(zhì)含量提高了2.5%。值得注意的是,通過傳統(tǒng)的誘變育種篩選手段,雖然也可以得到具有某些優(yōu)良性狀的菌株,但需要耗費較長的時間和較多的人力,且風(fēng)險性很大。隨著藻類生物學(xué)相關(guān)研究的不斷深入,利用現(xiàn)代分子遺傳技術(shù)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(fēng)險性,因而近年來人們越來越傾向于利用該技術(shù)對微藻進行光合效率、生長速度、抗逆性以及能源產(chǎn)品產(chǎn)量等相關(guān)性狀的改良研究。迄今為止,雖然轉(zhuǎn)基因藻類的商業(yè)應(yīng)用還未見報道,但有幾個基因工程藻類已經(jīng)展現(xiàn)出了初步的應(yīng)用前景。如美國選育的轉(zhuǎn)ACCase基因硅藻藻株Cyclotellacryptica和Naviculasaprophila。Apt小組發(fā)展了一個很有希望的新技術(shù)用于三角褐指藻Phaeodactylumtricornutum的異養(yǎng)大規(guī)模培養(yǎng),他們將人血紅蛋白的糖轉(zhuǎn)移蛋白基因?qū)氡磉_,從而使其能夠在黑暗條件下異養(yǎng)生長。Melis小組則通過插入反義序列,下調(diào)衣藻葉綠體硫通透酶的表達,從而得到了能夠持續(xù)產(chǎn)氫的衣藻并申請了美國專利2.光生物反應(yīng)器利三焦型微藻培養(yǎng)技術(shù)是影響微藻生物質(zhì)合成速率的另一關(guān)鍵因素。在藻類高產(chǎn)技術(shù)開發(fā)過程中,結(jié)合藻類的生理需要,調(diào)控并優(yōu)化藻類細胞所處的微環(huán)境非常重要,目前藻類培養(yǎng)主要包括自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種方式,其中以自養(yǎng)為主,也有很多開展微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的研究。光自養(yǎng)培養(yǎng)采用的反應(yīng)器主要有兩大類:一類是開放式光生物反應(yīng)器,即開放池培養(yǎng)系統(tǒng);另一類是封閉式光生物反應(yīng)器,包括水平池和傾斜池等。開放式培養(yǎng)系統(tǒng)具有技術(shù)簡單、投資低廉等特點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在經(jīng)濟藻類的規(guī)模培養(yǎng)中。但開放式培養(yǎng)存在培養(yǎng)條件不穩(wěn)定、易污染等缺點,因此其培養(yǎng)效率和所獲產(chǎn)品的附加值較低。與開放式培養(yǎng)系統(tǒng)相比較,封閉式光生物反應(yīng)器具有以下優(yōu)點:藻類的培養(yǎng)條件、生長參數(shù)容易控制,培養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定;容易控制污染,可以實現(xiàn)無菌培養(yǎng);全年生產(chǎn)期較長,產(chǎn)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(yīng)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(fā)的一些新型光生物反應(yīng)器均是以管式和板式光生物反應(yīng)器為基礎(chǔ)進行的。但是,密閉式光生物反應(yīng)器造價與運行成本較高,目前多用于能生產(chǎn)一些高附加值產(chǎn)品的藻類培養(yǎng)中。微藻異養(yǎng)培養(yǎng)不受光照的影響,生長速度快,因此可以取得更高的產(chǎn)量,同時可縮短培養(yǎng)周期,可采用傳統(tǒng)的發(fā)酵裝置進行培養(yǎng),占地面積小。同時生產(chǎn)技術(shù)和發(fā)酵知識基礎(chǔ)成熟,流程控制程度高,培養(yǎng)過程不受環(huán)境條件影響,可降低采收成本。而且,異養(yǎng)培養(yǎng)已顯示出比光自養(yǎng)培養(yǎng)更高的體積產(chǎn)率和油脂含量。但異養(yǎng)微藻需要足夠的O2來分解有機底物,因此O2的供應(yīng)往往是異養(yǎng)培養(yǎng)的最大的限制因素。一般來說異養(yǎng)培養(yǎng)下微藻總脂含量與光合營養(yǎng)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(xué)法以及生物酶法由甲醇等醇類物質(zhì)與油脂中主要成分甘油三酸酯發(fā)生酯交換反應(yīng)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(nèi)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(xiàn)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(zhì)能利用形式,國內(nèi)外開展了大量研究。正常情況下,來自不同種類的產(chǎn)油微藻大多數(shù)油脂產(chǎn)率約為細胞干重的25%。在脅迫條件下,如營養(yǎng)脅迫,細胞分裂停止而細胞繼續(xù)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(yǎng)脅迫可能會增加微藻油脂的含量,但會使細胞總數(shù)及培養(yǎng)液油脂產(chǎn)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(wěn)定期后,然后在脅迫條件下培養(yǎng)。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(yǎng)物質(zhì),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(zhì)采油率約90%,其優(yōu)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(shè)備比較昂貴、操作條件要求高,工業(yè)化也存在困難。因此,目前急需發(fā)展操作簡單、經(jīng)濟可最近,美國及歐洲等發(fā)達國家,正在探索油脂通過加氫裂化制備生物柴油的技術(shù)。該技術(shù)與轉(zhuǎn)酯化技術(shù)有所不同,獲得的產(chǎn)物也截然不同。采用轉(zhuǎn)酯化技術(shù)獲得的最終產(chǎn)物是脂肪酸甲酯生物柴油;而加氫裂化技術(shù)獲得的產(chǎn)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(yīng)用市場,不需要對現(xiàn)有發(fā)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(xiàn)有工藝與設(shè)備,因此具有投資少、容易產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢,是微藻油脂加工的重要發(fā)展方向。另外,微藻生物質(zhì)發(fā)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(zhì)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(zhì)含量極低,十分利于細菌發(fā)酵。同時可應(yīng)用于這種技術(shù)的藻類生物質(zhì)范圍極廣,各種養(yǎng)殖藻類以及藻華產(chǎn)生的藻類生物質(zhì)均可,因此該技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。中國科學(xué)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(fā)出了適于藻類生物質(zhì)發(fā)酵的CSTR反應(yīng)系統(tǒng),并以提油后藻渣為原料,通過初步優(yōu)化,產(chǎn)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(xiàn)有天然氣的標(biāo)準(zhǔn),對于開發(fā)可再生天然氣資源具有重要意義。同時,微藻光解水產(chǎn)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(chǎn)生氫氣。該現(xiàn)象由Gaffron等首先發(fā)現(xiàn),但是在20世紀(jì),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(dǎo)和暗發(fā)酵上,產(chǎn)氫量極低[23—26]。21世紀(jì)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(zhì)中的淀粉質(zhì)、糖質(zhì)為原料,經(jīng)微生物發(fā)酵、蒸餾制得乙醇。據(jù)報道微藻的淀粉含量為9%—69%,可與玉米、小麥以及其它常規(guī)乙醇原料相媲美。1996年,Royhei等發(fā)明了一種微藻乙醇生產(chǎn)工藝,先通過大量培養(yǎng)淀粉含量高的微藻,濃縮后誘導(dǎo)微藻自體發(fā)酵,通過調(diào)控pH值,乙醇產(chǎn)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(zhì)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(yōu)勢,但是成本較高依然是微藻能源產(chǎn)業(yè)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(shù),轉(zhuǎn)變能源微藻的養(yǎng)殖模式,大幅降低能源微藻的養(yǎng)殖成本,也是近年來備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。相對于傳統(tǒng)的微藻培養(yǎng)模式,生態(tài)養(yǎng)殖模式是近些年來發(fā)展起來的一種與煙道氣CO2減排及污水處理相結(jié)合的藻類培養(yǎng)模式。在該培養(yǎng)體系中,煙道氣CO2用于為微藻培養(yǎng)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(yǎng)元素。該培養(yǎng)模式因其可大幅度降低養(yǎng)殖成本,同時具有顯著的環(huán)境效應(yīng),受到廣泛的關(guān)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(yǎng)小球藻,可以完全替代傳統(tǒng)培養(yǎng)基,無需向培養(yǎng)基中添加任何N、P等元素,并且培養(yǎng)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(zhì),尤其是一些有獨特醫(yī)療功效的物質(zhì)(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(jīng)加工后用于化工、食品工業(yè)和飼料工業(yè)等。由于能源微藻,也同樣含有生物活性物質(zhì),為達到微藻生物質(zhì)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(xù)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(zhì),并將這些物質(zhì)分離提純,應(yīng)用于醫(yī)藥方面,而殘余物還可用于發(fā)酵生產(chǎn)生物燃氣。對能源微藻進行生態(tài)培養(yǎng)和綜合開發(fā),一方面充分利用了廢棄資源,具有明顯的環(huán)境治理效益;另一方面最大程度地利用了微藻生物質(zhì)資源,可以大幅節(jié)約成本,增加收益,是微藻能源產(chǎn)業(yè)鏈的有益補充,也是未來微藻能源產(chǎn)業(yè)的一個重要發(fā)展方向。二、模養(yǎng)技術(shù)與微藻生物質(zhì)生物制備技術(shù)的探索與研究綜上所述,從國內(nèi)外能源微藻在不同層面上的發(fā)展趨勢來看,優(yōu)良藻種的選育仍是能源微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要問題,篩選生長迅速且生物質(zhì)產(chǎn)量高的藻種,同時結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)的分子改造手段,構(gòu)建基因工程藻株,是能源微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力。另外,在優(yōu)良藻株的基礎(chǔ)上,規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)是微藻高效率獲得大量生物質(zhì)的關(guān)鍵。從上述大量文獻調(diào)研可以發(fā)現(xiàn),影響微藻生長的關(guān)鍵問題有兩個方面,一是微藻自身代謝的調(diào)控,二是微藻在光反應(yīng)器內(nèi)的生長環(huán)境。無論采用哪種培養(yǎng)技術(shù),關(guān)鍵問題是把微藻自身代謝過程與其生長環(huán)境有機結(jié)合在一起。把微藻培養(yǎng)技術(shù)與微藻代謝調(diào)控技術(shù)以及微藻環(huán)境適應(yīng)機制研究結(jié)合起來,開發(fā)出微藻高效、低成本規(guī)模培養(yǎng)技術(shù),是能源微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。微藻生物質(zhì)的生物煉制與能源產(chǎn)品開發(fā),需要根據(jù)微藻生物質(zhì)的組成特點,重點解決微藻生物煉制的物理化學(xué)基礎(chǔ)問題,才能開發(fā)出適合微藻生物質(zhì)特性的高效煉制手段和創(chuàng)新技術(shù)。因此,結(jié)合國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀分析,我們可以明確地認識到,能源微藻的發(fā)展處于起步發(fā)展階段,目前的科研任務(wù)仍將側(cè)重于微藻生物煉制過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題。具體來說,能源微藻生物煉制的關(guān)鍵科學(xué)問題主要體現(xiàn)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(xué)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(zhì)的形式將其儲存。只有對能源微藻產(chǎn)能的基本分子機理認識清楚,我們才可以利用現(xiàn)代生物學(xué)的技術(shù)手段對其進行優(yōu)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(zhuǎn)化效率,為能源微藻進一步的工業(yè)化利用奠定基礎(chǔ)。2.微藻規(guī)?；囵B(yǎng)的環(huán)境優(yōu)化影響能源微藻產(chǎn)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(guī)模化工業(yè)環(huán)境培養(yǎng)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(xié)調(diào)的矛盾已成為能源微藻規(guī)模化培養(yǎng)實現(xiàn)的瓶頸。微藻規(guī)?；囵B(yǎng)環(huán)境條件的優(yōu)化,是降低微藻生產(chǎn)成本的有效途徑。目前有關(guān)的研究大多停留在宏觀層面,尚無全面系統(tǒng)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(chǎn)油過程受物質(zhì)和環(huán)境影響的本質(zhì)的認識。揭示微藻規(guī)?；囵B(yǎng)過程中質(zhì)能平衡、環(huán)境調(diào)控和過程放大方面的共性規(guī)律,是推動能源微藻工程化利用的前提。3.微藻生物質(zhì)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(huán)節(jié)。首先,研究微藻細胞壁結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成及其與細胞壁強度的關(guān)系,有助于發(fā)展微藻生物質(zhì)分離、純化與提取的新原理與新方法。其次,微藻生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生物燃料過程中的催化問題、反應(yīng)動力學(xué)問題以及物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律等,是微藻煉制生物燃料創(chuàng)新工藝與新型燃料開發(fā)的基礎(chǔ)。這些科學(xué)問題的解決,決定了微藻生物質(zhì)能否高效轉(zhuǎn)化為能源,是微藻生物質(zhì)提煉能源的創(chuàng)新理