藻類(lèi)生物質(zhì)源的工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

藻類(lèi)生物質(zhì)源的工業(yè)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

藻類(lèi)分布廣泛，油含量高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。目前,藻類(lèi)是生產(chǎn)高級(jí)生物質(zhì)能源的重要原料,關(guān)于藻類(lèi)生物質(zhì)能源的研究(包括生物制氫、生物質(zhì)油、生物柴油等)仍處于起步階段。藻類(lèi)作為第三代生物質(zhì)能源,具有以下的特征:(1)藻類(lèi)可在廢水、再生水及咸水中生長(zhǎng),藻類(lèi)培養(yǎng)無(wú)需消耗有限的淡水資源;(2)藻類(lèi)可提供較高的生物質(zhì)產(chǎn)量,同時(shí)藻類(lèi)培養(yǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不沖突;(3)利用藻類(lèi)生物質(zhì)可通過(guò)綜合工藝生產(chǎn)各種燃料和高價(jià)值副產(chǎn)品;(4)藻類(lèi)可以從排放的高濃度CO2中回收碳元素。1燃料乙醇基因產(chǎn)品近年來(lái),歐美、日本及包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家,對(duì)藻類(lèi)生物質(zhì)能源的研究越來(lái)越重視。2007年1月,美國(guó)總統(tǒng)布什在《國(guó)情咨文》中宣稱(chēng),美國(guó)計(jì)劃在今后10年將美國(guó)的汽油消費(fèi)量減少20%,其中15%通過(guò)使用替代燃料實(shí)現(xiàn),計(jì)劃到2017年燃料乙醇的年使用量達(dá)到1325億L,是目前年使用量的7倍。美國(guó)能源部于2008年重新啟動(dòng)了與藻類(lèi)生物質(zhì)能相關(guān)的研究項(xiàng)目。2007年3月,歐盟27國(guó)出臺(tái)了新的共同能源政策,計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)生物燃料乙醇使用量占10%。繼2008年增長(zhǎng)60%后,歐盟2009年的乙醇生產(chǎn)量又繼續(xù)增長(zhǎng),增長(zhǎng)了31%,歐盟乙醇生產(chǎn)量已從2008年28億L增長(zhǎng)到2009年37億L。德國(guó)消費(fèi)11.43億L,使其成為最大的乙醇消費(fèi)國(guó)。法國(guó)是第二大消費(fèi)國(guó),消費(fèi)7.98億L;其后是瑞典,消費(fèi)3.77億L。預(yù)計(jì)到2020年,所有歐洲汽油的13%都必須來(lái)自于可再生原料。歐洲汽油現(xiàn)僅3.5%來(lái)自可再生來(lái)源生產(chǎn),預(yù)計(jì)在今后10年內(nèi)可再生運(yùn)輸工業(yè)將以超過(guò)10倍的速度增長(zhǎng)。由此可見(jiàn),藻類(lèi)生物質(zhì)能源工業(yè)化應(yīng)用的前景十分廣闊。2藻類(lèi)代謝產(chǎn)物的提取藻類(lèi)生物質(zhì)能面臨的主要問(wèn)題有:(1)優(yōu)良生物質(zhì)原料(藻種)的規(guī)?；@取;(2)藻類(lèi)代謝產(chǎn)物的提取;(3)藻類(lèi)直接代謝物的加工及應(yīng)用。具體內(nèi)容分析如下:2.1指標(biāo)篩選方法藻種在長(zhǎng)期培養(yǎng)中的穩(wěn)定性是保證生物質(zhì)能源低成本的關(guān)鍵。藻種快速生長(zhǎng)的能力對(duì)于生產(chǎn)力及與雜藻的競(jìng)爭(zhēng)力均非常重要。因此,為了考察藻種生命力,需要對(duì)大規(guī)模的培養(yǎng)條件進(jìn)行小規(guī)模的模擬研究。目前,缺乏高通量、同時(shí)評(píng)價(jià)多指標(biāo)篩選方法是大規(guī)模藻種篩選的主要技術(shù)瓶頸。藻種的篩選工作應(yīng)主要考慮三個(gè)方面:藻類(lèi)生長(zhǎng)生理學(xué)、代謝產(chǎn)物生產(chǎn)力及藻種生命力。生長(zhǎng)生理學(xué)包括一系列參數(shù),如最大比生長(zhǎng)速率、最大藻密度、對(duì)環(huán)境變化的抵抗力和營(yíng)養(yǎng)需求等?；诖x產(chǎn)物生產(chǎn)力的藻種篩選工作,通常包括細(xì)胞組成分析和作為生物質(zhì)能生產(chǎn)原料的藻細(xì)胞代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)力測(cè)定?，F(xiàn)有的藻種保藏中心可提供豐富的藻種資源,如美國(guó)得克薩斯州大學(xué)的藻種保藏中心大約有3000株藻種;Provasoli-Guillard國(guó)家海洋浮游植物保藏中心有超過(guò)2500株藻種。適用于大規(guī)模培養(yǎng)、生命力旺盛的通用藻種在生物質(zhì)能領(lǐng)域是非常重要的。將分離獲得的藻種集中保管于藻種保藏中心,可為未來(lái)的生物質(zhì)能源提供大量的生物資源。2.2藻類(lèi)制氫技術(shù)藻類(lèi)具有生物量大、生長(zhǎng)周期短、易培養(yǎng)以及含有較高的脂類(lèi)等特點(diǎn),是制備生物質(zhì)液體燃料的良好材料。微藻熱解所得的生物質(zhì)燃油熱值高達(dá)33MJ/kg,是木材或農(nóng)作物秸稈的1.6倍。通過(guò)調(diào)節(jié)微藻的培養(yǎng)條件和脂類(lèi)含量,可獲得高品質(zhì)、高熱值的生物質(zhì)燃油。藻類(lèi)是低等植物,種類(lèi)繁多,分布極其廣泛。藻類(lèi)按其大小可分為大藻和微藻,大藻是直徑大于2mm的藻體,微藻是直徑小于2mm的單細(xì)胞或絲狀藻體,微藻油脂含量較高,生長(zhǎng)較快,是制備生物柴油的較好藻類(lèi)。目前,世界范圍內(nèi)大多以綠藻綱和硅藻綱中的高油脂微藻為原料研究生物柴油生產(chǎn)工藝,尤其是綠藻綱中的小球藻被認(rèn)為是理想的能源微藻資源,而以大藻為原料的報(bào)道較少。近年來(lái),藻類(lèi)產(chǎn)氫也生物質(zhì)能源的一個(gè)研究方向。藻類(lèi)制氫的發(fā)展受到一些生物學(xué)因素的限制,目前已經(jīng)識(shí)別出的因素主要包括以下四個(gè)方面:(1)氫化酶對(duì)O2的敏感性問(wèn)題;(2)其他代謝途徑在鐵氧化還原蛋白處對(duì)光合還原劑的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題;(3)ATP的過(guò)量產(chǎn)生導(dǎo)致的調(diào)控問(wèn)題;(4)太陽(yáng)能利用效率低的問(wèn)題。上述問(wèn)題可通過(guò)以下途徑解決:(1)通過(guò)工程手段改善氫化酶對(duì)O2的耐受能力;(2)識(shí)別與氫化酶競(jìng)爭(zhēng)光合還原劑的代謝途徑,并在產(chǎn)氫過(guò)程中抑制這些代謝途徑;(3)調(diào)控光合生物膜,減少ATP生成;(4)調(diào)控光合天線(xiàn)色素含量,提高光能利用率。某些微藻及藍(lán)組菌可以生產(chǎn)氫。2.3藻類(lèi)生物復(fù)合研究方法當(dāng)前,我國(guó)面臨著水資源匱乏和能源緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)。胡洪營(yíng)等人提出的污水深度脫氮除磷與微藻生物質(zhì)能源生產(chǎn)耦合工藝提供了緩解這一問(wèn)題的有效途徑。藻類(lèi)生物質(zhì)能生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性,基本取決于其生物生產(chǎn)力的高低。為了評(píng)估藻種的生產(chǎn)力,還需要更好的方法來(lái)檢測(cè)燃料前體物的產(chǎn)量。目前采用了熒光及核磁共振等方法來(lái)快速篩查藻類(lèi)的油脂含量,并已在許多類(lèi)型的浮游植物中有所應(yīng)用。這些及其他方法如近紅外光譜等,還需要開(kāi)展更多的研究,更加自動(dòng)化,以滿(mǎn)足快速、經(jīng)濟(jì)、高通量的監(jiān)測(cè)要求。通過(guò)現(xiàn)代分析方法可以更好地理解藻類(lèi)生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物積累的生物學(xué)原理,從基因和細(xì)胞的水平上掌握各種藻類(lèi)能源物質(zhì)的合成及調(diào)控過(guò)程,為藻種改良提供多種方案,但目前能按照工藝需求改變?cè)宸N特性的技術(shù)水平十分有限,這是限制藻類(lèi)能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸?；A(chǔ)生物學(xué)可提供的信息有:水平基因轉(zhuǎn)移、產(chǎn)毒潛力、大規(guī)模爆發(fā)水華并形成缺氧區(qū)的潛力,因此對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)的深入理解同樣十分重要。高通量方法,如基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué),可以在整個(gè)細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行深度分析。這些方法為生物研究帶來(lái)了突破性的發(fā)展。同時(shí),計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了以上學(xué)科的發(fā)展,并創(chuàng)造了生物信息學(xué)這一全新領(lǐng)域。該領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的新數(shù)據(jù)庫(kù)和搜索算法,有助于生物學(xué)家以前所未有的時(shí)間跨度和方式分享并獲得研究成果,更好地理解藻細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控。3藻類(lèi)生物質(zhì)生產(chǎn)廢水處理利用藻類(lèi)生產(chǎn)生物質(zhì)能源的主要優(yōu)點(diǎn)是它們能夠在不同類(lèi)型的水環(huán)境中生存,如蓄水層的鹽堿水和海水。然而,藻類(lèi)生物大規(guī)模培養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)水的需求量十分巨大。在藻類(lèi)培養(yǎng)中,需綜合分析當(dāng)?shù)氐乃终舭l(fā)速率、水資源成本和利用性。水資源的循環(huán)利用也十分必要,但循環(huán)量取決于藻種、水質(zhì)、工藝和地點(diǎn)。此外,大水量循環(huán)水的輸送是一個(gè)高能耗過(guò)程,其成本也不容忽視。藻類(lèi)生物質(zhì)能生產(chǎn)與污水處理相藕合主要特點(diǎn)如下:1)與傳統(tǒng)的污水處理相比,投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低。2)污