黃雄超, 牛榮麗

(華僑大學分子藥物學研究所, 教育部分子藥物工程中心, 福建 廈門, 361021 )

利用海洋微藻制備生物柴油的研究進展

The research progress on preparation of biodiesel from marine microalgae

黃雄超, 牛榮麗

(華僑大學分子藥物學研究所, 教育部分子藥物工程中心, 福建 廈門, 361021 )

世界能源危機和環(huán)境問題的日益加劇, 使越來越多的人開始關(guān)注到清潔的可再生能源。生物柴油是一種新興的可再生生物質(zhì)能, 清潔環(huán)保, 易生物降解, 燃燒后排放的氮氧化物和 CO2少, 且可直接用于現(xiàn)有的柴油發(fā)動機, 因此成為了一種良好的化石燃料替代物[1]。歐盟在2010年生產(chǎn)的生物柴油已經(jīng)取代了 5.75%的化石燃料市場, 并計劃到 2020年時將生物柴油產(chǎn)業(yè)擴展至 10%的市場份額。生物柴油是以動植物為原料通過與甲醇等醇類進行酯交換反應(yīng)制得的脂肪酸甲酯的總稱。世界范圍內(nèi), 生產(chǎn)生物柴油的傳統(tǒng)原料主要有菜籽油, 向日葵油, 大豆油和棕櫚油, 此外還有其他一些含油脂多的物種,如麻風樹、黃連木、文冠果等, 以及動物脂肪和餐飲廢棄油脂。但是這些原料生產(chǎn)生物柴油的方式是不可持續(xù)性的, 例如: 由于原材料可用于其他用途而致原材料的競爭, 生產(chǎn)周期較長, 成本較高, 經(jīng)濟可行性差, 并可能對糧食作物的生產(chǎn)構(gòu)成威脅。微藻,是目前制取生物柴油最有希望和前途的原料, 具有分布廣泛、環(huán)境適應(yīng)力強、生長迅速、油脂含量高等特點。因此微藻生物柴油的開發(fā)研究也成為一項重要的課題。

1 生產(chǎn)生物柴油的海洋微藻

微藻是一種單細胞的光合作用微生物, 每個微藻細胞都可以有效地進行光合作用和吸收二氧化碳,并且不需要像維管束植物那樣開放氣孔, 因此光合作用效率高[2]。在適宜的培養(yǎng)條件下, 微藻生物量和脂質(zhì)含量大大超過維管束植物[3], 適合從中提取油脂生產(chǎn)生物柴油。

微藻不僅具有很高的 CO2固定率和 O2產(chǎn)生率,還可以在各種氣候和環(huán)境中生長, 甚至包括沙漠和海濱等不宜農(nóng)耕的地區(qū)。與農(nóng)作物衍生的生物燃料相比, 微藻生物燃料的需求不會減少食品、飼料供應(yīng),不會對現(xiàn)有環(huán)境、作物和水資源等造成威脅。

1.1 富油微藻的種類

富含脂質(zhì)的微藻主要可以分為四個主要類別:硅藻類、綠藻類、藍綠藻類和金藻類。不同種類的微藻, 細胞中的脂質(zhì)含量是不同的(表1)。一般大多數(shù)微藻的脂肪酸含量可以達到細胞干重的10%～30%,葡萄藻(Botryococcus braunii)細胞內(nèi)的脂質(zhì)含量甚至可高達細胞干重的75%[4]。微藻脂質(zhì)含量的高低對于生物燃料質(zhì)量的影響是不同的, 因此不同的藻種適合作為不同種類的燃料的原料[5]。

1.2 微藻油脂的組成

微藻和高等植物一樣, 都是以脂肪酸三酰甘油的形式儲存脂質(zhì)。由海藻提取得到的海藻油主要由甘油三酯(占脂質(zhì)質(zhì)量90%～98%)、少量的單甘油酯和雙甘油酯及游離脂肪酸(1%～5%)組成。此外還可能含有極少量殘留的磷脂、葉綠素、胡蘿卜素、生育酚和痕量的水分[6]。

不同培養(yǎng)條件下, 微藻的脂質(zhì)和脂肪酸含量是不同的, Demirbas A等[7]研究了海藻油中脂肪酸占藻體干重的比例, 剛毛藻Cladophora fracta中飽和脂肪酸為 12.5%, 單不飽和脂肪酸為 33.7%, 多不飽和脂肪酸為 50.9%, 游離脂肪酸為 3.6%; 小球藻Chlorella Protothecoides中飽和脂肪酸為 10.8%, 單不飽和脂肪酸為 24.1%, 多不飽和脂肪酸為 62.8%,游離脂肪酸為2.6%。

表1 一些海洋微藻的脂質(zhì)含量

微藻中的脂肪酸主要是由 12-22 C的飽和脂肪酸和不飽和的脂肪酸組成的(表2), 主要以不飽和脂肪酸為主, 此外還存在少量的飽和脂肪酸[8]。從最終制得的微藻生物柴油的質(zhì)量來看, 選擇含飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸高的微藻才是最佳的原料, 因為不飽和脂肪酸氧化速率是與雙鍵數(shù)目和位置密切相關(guān)的[9], 如果微藻含有較多的不飽和脂肪酸會使最終制得的生物柴油的氧化穩(wěn)定性降低。

表2 微藻油脂的不飽和脂肪酸組成

2 工程微藻

工程微藻是指利用基因工程和分子生物學的技術(shù), 改變脂肪酸的合成和代謝途徑中相關(guān)的基因而得到的高脂肪酸的微藻。微藻中脂肪酸的生物合成途徑不同于高等植物, 微藻中脂肪酸生物合成在葉綠體中進行, 通過產(chǎn)生C16或C18脂肪酸, 然后合成細胞中的各種脂質(zhì), 如細胞膜和儲存形式的三酰甘油[10]。脂肪酸生物合成途徑中最關(guān)鍵的一步是乙酰輔酶A羧化酶的作用下乙酰輔酶A羧化, 生成丙二酸單酰輔酶A(圖1)。

因此控制乙酰輔酶A羧化酶的活性使其提高就可以促進乙酰輔酶 A高效表達, 從而增加微藻細胞中脂類的積累[11]。在微藻細胞中accI 基因是控制細胞編碼合成乙酰輔酶A羧化酶的關(guān)鍵基因,其高效表達可促進脂類的積累, 同時其活性可被硅元素含量與蛋白合成抑制劑所控制[12]。Martin Wagner等[13]研究了一種光能自養(yǎng)的單細胞綠藻 Ostreococcus tauri, 在該藻細胞中存在一種可以在合成三?；视?TAG)過程編碼乙酰輔酶A: 二酰甘油?；D(zhuǎn)移酶的基因 DGAT2, 通過構(gòu)建 DGAT2基因缺失載體并在酵母中表達, 發(fā)現(xiàn)DGAT2基因能編碼蛋白促進飽和和單不飽和脂肪酸形成三酰甘油。

目前工程微藻的技術(shù)路線都是基于脂質(zhì)合成和代謝過程中特定酶的克隆和控制表達。但由于脂質(zhì)合成復雜性, 面臨的難題也不少, 首先一個主要的問題就是如何分離參與TAG和脂肪酸合成的酶, 克隆獲得相應(yīng)的 cDNA序列和基因序列。其次是如何對不同脂肪酸合成酶進行相應(yīng)修飾, 對參與脂質(zhì)合成的酶進行基因誘變和設(shè)計來調(diào)控油脂脂肪酸組成,得到理想的油脂產(chǎn)品。還有一個問題就是如何避免通過基因工程調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成的負面影響, 包括對微藻生長發(fā)育和含油量及產(chǎn)量的影響。

工程微藻的技術(shù)水平上存在的一個瓶頸問題就是外源目的基因的獲得及其在藻體中的表達。應(yīng)用組學技術(shù)(如基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學)對微藻基因進行快速測序, 克隆和控制將成為工程微藻研究的一個重要方向。此外, 應(yīng)用蛋白質(zhì)工程對脂質(zhì)合成酶進行設(shè)計、修飾和表達也是工程微藻研究的另一個突破口。

圖1 葉綠體中脂肪酸合成途徑

由于工程微藻是按人類的需要改變了藻體細胞中的脂質(zhì)積累量和不同脂肪酸的組成, 這樣生產(chǎn)出來的生物柴油在產(chǎn)量上都相比于普通微藻有較大提高。Wang等[14]利用基因工程培育了一種的缺少ADP-葡糖焦磷酸化酶的萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)變種, 該變種經(jīng)過48 h缺氮培養(yǎng)后, 最終細胞中三酰甘油含量達到 17ng/cell, 而同等條件下的野生型僅為10 ng/cell。而利用工程微藻生產(chǎn)的生物柴油是否符合生物柴油標準, 在燃燒性能上是否有較大提高等尚未見報道, 需要繼續(xù)深入研究。

3 微藻的生長與培養(yǎng)系統(tǒng)

微藻的培養(yǎng)規(guī)模和生長速率的問題是制約微藻(包括工程微藻)工業(yè)化發(fā)展的另一個瓶頸, 即如何在微藻高密度大規(guī)模的培養(yǎng)的同時不能降低微藻的生長速率。

自然界中, 微藻的生長分主要為自養(yǎng)和異養(yǎng),另外還有少量混養(yǎng)。光能自養(yǎng)微藻需要以光和 CO2進行光合作用, 而異養(yǎng)微藻不需要光, 在黑暗條件下可以利用有機碳為碳源進行生長。光能自養(yǎng)微藻生長需要光照、CO2、水和無機鹽, 溫度一般需要保持在20～30℃。異養(yǎng)微藻則需要含有機碳的培養(yǎng)基,其中還要添加營養(yǎng)元素, 包括N、P、Fe和一些微量元素。不同的生長條件(如光照, 溫度, pH, 鹽分等)對藻體脂質(zhì)的積累量有很大影響。對于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn), 微藻需要采用特定的培養(yǎng)系統(tǒng), 以保證微藻油脂產(chǎn)生率和產(chǎn)油穩(wěn)定性。

微藻培養(yǎng)系統(tǒng)主要可以分為開放式和密閉式兩種。它們各自有不同的特點, 選擇培養(yǎng)系統(tǒng)的時候,需要綜合考慮微藻生長特性, 氣候狀況, 土地用水等多種因素。

3.1 開放式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

開放式培養(yǎng)系統(tǒng)就是在戶外利用陽光進行微藻培養(yǎng), 因此擴大規(guī)模比較容易, 成本較低。但是開放式培養(yǎng)系統(tǒng)容易受外界環(huán)境的影響, 如光照強度,光照時間, 溫度和天氣。也容易受到其他藻種、細菌及致病微生物的污染。開放式培養(yǎng)系統(tǒng)可以分為大池型、開放式槽體、圓形培養(yǎng)池和跑道型培養(yǎng)池(圖2)四種形態(tài)。美國在位于加利福尼亞州的卡利帕特里亞(Calipatria)的建立了世界最大的生產(chǎn)螺旋藻的跑道型培養(yǎng)池, 占地約440 000 m2。美國紐約新能源研究所在海灣地域?qū)ｉT建池養(yǎng)殖海藻, 每平方米水面平均每天可獲 500多克的藻體, 含類脂物量 67%以上, 每年可從藻體中提取燃料油122L。

圖2 跑道型微藻培養(yǎng)系統(tǒng)示意圖

3.2 密閉式微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)是指利用培養(yǎng)基在密閉的容器內(nèi)進行微藻培養(yǎng)。密閉式培養(yǎng)系統(tǒng)可分為發(fā)酵槽型(圖3)、培養(yǎng)袋型、平板型光生化反應(yīng)器和管型光生化反應(yīng)器。這種培養(yǎng)系統(tǒng)可以提高產(chǎn)量60%～300%,產(chǎn)率較高, 適用各種藻種, 微藻品質(zhì)穩(wěn)定, 后續(xù)分離純化成本也可以減少, 且該系統(tǒng)不易被雜菌污染。但是該系統(tǒng)設(shè)備成本較高, 不易擴大培養(yǎng)規(guī)模。美國Solix公司正在開發(fā)一種間隔排列板的膜封閉池(encosed chambers)系統(tǒng), 該裝置可完全避免冒泡供氧, 而改用透氣膜來進行氣體交換, 使微藻生長速率和產(chǎn)量大大提高。

4 微藻生物柴油的制備工藝

傳統(tǒng)的生物柴油制備方法主要有直接混合法[15],微乳液法[16], 高溫裂解法[17]和酯交換法[18]。直接混合法和微乳液法雖然制備工藝較簡單, 但制得的生物柴油質(zhì)量不高, 黏度較高。高溫裂解法制得的生物柴油與普通柴油性質(zhì)相近, 但該法工藝復雜, 反應(yīng)溫度高, 不易控制, 需要消耗大量熱能, 同時裂解設(shè)備比較昂貴, 成本較高。

圖3 發(fā)酵槽型微藻培養(yǎng)系統(tǒng)

酯交換法是指將油脂與甲醇或乙醇等醇類在催化劑的作用下, 發(fā)生酯交換反應(yīng), 得到脂肪酸甲酯或乙酯的方法。酯交換法由于生產(chǎn)工藝簡單, 成本較低, 成為生物柴油工業(yè)生產(chǎn)上最廣泛使用的方法。

4.1 反應(yīng)原理

油脂中的主要成分是甘油三酯, 酯交換反應(yīng)就是通過醇類分子的甲氧基取代甘油三酯上的甘油基,將甘油三酸酯鍵斷裂, 形成三個脂肪酸甲酯或乙酯(圖4), 從而縮短碳鏈, 降低黏度, 改善生物柴油的燃燒性能, 使其達到各項質(zhì)量指標。

從反應(yīng)式可以看出, 酯交換反應(yīng)使一個可逆平衡反應(yīng)。三酰甘油與醇的理論摩爾比是1 : 3, 但實際中一般要使用1 : 6, 確保醇過量, 有利于提高反應(yīng)產(chǎn)率。從原料投入與生物柴油產(chǎn)出的質(zhì)量關(guān)系可以看出, 理論上1 kg的油脂反應(yīng)可以得到1 kg的生物柴油。

圖4 三酰甘油的酯交換反應(yīng)

4.2 催化劑類型

生產(chǎn)生物柴油的酯化反應(yīng)的催化劑分為均相催化劑和非均相催化劑。均相催化劑是生產(chǎn)上生產(chǎn)生物柴油最主要的催化劑, 它包括酸催化劑和堿催化劑。均相酸催化劑一般有H2SO4、HCl、H3PO4和苯磺酸等。一般酸催化劑的用量為1%～5%, 催化的酯交換率高, 適合游離脂肪酸和水分含量較高的油脂,但是酸催化反應(yīng)速率較慢, 對反應(yīng)設(shè)備有腐蝕性。繆曉玲等[19]用濃硫酸催化異養(yǎng)微藻細胞中提取的油脂得到了高質(zhì)量的生物柴油。鐘鳴等[20]以磷酸為催化劑, 地溝油與甲醇為原料, 正交設(shè)計實驗得出最佳反應(yīng)條件為醇油摩爾比為30 : 1, 反應(yīng)溫度70℃, 催化劑為原料油的8%時, 生物柴油產(chǎn)率達85%以上。

均相堿催化劑有 NaOH, KOH, NaOCH3、KOCH3、Ba(OH)2、有機堿等。一般堿催化劑的用量不超過 1%, 反應(yīng)迅速, 但要求原料油脂里水分和游離脂肪酸含量極低, 否則會產(chǎn)生皂化反應(yīng)是催化劑失活而影響得率。西班牙馬德里康普斯頓大學的研究人員[21]比較了用NaOH、KOH、NaOCH3和KOCH3四種不同的均相催化體系對葵花籽油酯交換反應(yīng)的催化效果, 通過四種催化劑制得的生物柴油純度在99.5%～99.8%, NaOH和KOH的生物柴油得率分別為86.71%和91.67%, NaOCH3和KOCH3的生物柴油的得率分別為99.33%和98.46%。雖然甲醇鹽催化劑的催化效率很高, 但是甲醇鹽易吸潮, 難于操作, 且價格較貴。制得的生物柴油除碘值較高外, 其他質(zhì)量指標均符合德國生物柴油標準(DIN 51606)。劉偉偉[22]等研究了 Ba(OH)2催化酯交換反應(yīng)的效果, 生物柴油轉(zhuǎn)化率可達 94.27%, 且 Ba(OH)2可通過 BaSO4沉淀形式回收。

非均相催化劑包括負載型固體酸堿催化劑、金屬氧化物、酶催化劑、分子篩、離子交換樹脂等。魯明波等[23]優(yōu)化了Lipozyme TLIM固定化脂肪酶催化酯交換反應(yīng)合成脂肪酸甲酯的生產(chǎn)工藝, 轉(zhuǎn)化率最高可達到94%。Ayato Kawashima等[24]研究了多種不同的非均相催化劑對于酯交換反應(yīng)的催化效果,制備了包括鈣、鋇、鎂、鑭等金屬元素在內(nèi)的13種不同金屬氧化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在溫度為 60℃, 醇油摩爾比為 6 : 1, 反應(yīng) 10 h的條件下, 含鈣催化劑如CaTiO3, CaMnO3, Ca2Fe2O5, CaZrO3和 CaO-CeO2的堿性和催化活性最高, 脂肪酸甲酯的得率為 79% ～92%。再將這些含鈣催化劑經(jīng)過重復酯交換反應(yīng)次數(shù)的催化耐久性試驗, 發(fā)現(xiàn)CaZrO3和CaO-CeO2的分別經(jīng)過5次和7次酯交換反應(yīng)后脂肪酸甲酯得率都高達80%。非均相催化劑催化酯交換反應(yīng)活性較高、選擇性好、易于與產(chǎn)物分離、可循環(huán)利用、對設(shè)備腐蝕性較小。但是用非均相催化劑進行酯交換反應(yīng)式常需要苛刻的操作條件, 如高溫高壓, 而且非均相催化劑極易被空氣中的二氧化碳和水污染而失活,使用壽命較短, 同時非均相催化劑機械強度較差,制備成本也比較昂貴。

4.3 新型生產(chǎn)工藝

超臨界酯交換法是一種將油脂或醇在超臨界狀態(tài)下進行酯交換反應(yīng)制得脂肪酸酯的方法。原理是當流體的溫度和壓力處于臨界溫度和臨界壓力之上時, 會形成一種施加任何壓力都不會凝聚的超臨界狀態(tài)。這種超臨界流體既可以作為反應(yīng)介質(zhì), 又可以參與反應(yīng), 油和醇可以完全混合, 形成單相體系, 因此反應(yīng)速率快, 轉(zhuǎn)化率高。日本京都大學的研究人員[25]開發(fā)出一種菜籽油與超臨界甲醇酯交換反應(yīng)得到脂肪酸甲酯的新工藝, 將菜籽油在溫度 270℃, 壓力17 MPa, 油醇摩爾比1 : 14(體積比1 : 6)的條件下經(jīng)超臨界甲醇處理 15 min, 最終生物柴油的得率高達97%, 并且可以回收20%的甘油。超臨界法制備脂肪酸酯產(chǎn)率很高, 速度快, 反應(yīng)不需催化劑或只需要少量催化劑, 無皂化副反應(yīng)且后續(xù)處理簡單, 但是超臨界制備生物柴油的方法需要在高溫高壓條件下進行, 因此能耗高, 用于工業(yè)生產(chǎn)還需要進行更深入的研究。

物理強化酯交換法是一種新型的酯交換強化輔助方法, 主要包括超聲輔助[26], 微波輔助[27]和水力空化[28]等反應(yīng)過程強化技術(shù)。在生物柴油生產(chǎn)過程中, 由于原料油和醇會出現(xiàn)部分不互溶現(xiàn)象, 使酯交換速率減慢, 產(chǎn)率降低。采用合適的強化技術(shù)可以增加兩相界面的面積, 減少傳質(zhì)阻力, 從而極大地提高酯交換反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。日本的研究人員 Le Tu Thanh等[29]使用超聲頻率為 20Hz的連續(xù)超聲反應(yīng)器強化以KOH為催化劑的廢棄餐飲油脂的酯交換反應(yīng), 分兩步進行酯交換, 整個過程的醇油摩爾比為4 : 1, KOH加入量為1%, 反應(yīng)物通過超聲反應(yīng)器進行超聲強化的時間為0.93min, 最終生物柴油的產(chǎn)率高達 93.8%, 制得的生物柴油符合日本工業(yè)標準(JIS K2390)和歐盟標準 (EN 14214)。Nicholas EL等[30]用微波強化酯交換反應(yīng), 加入 1%的 KOH催化劑后, 使用600W的微波功率加熱反應(yīng)混合物到50℃,3.5min后轉(zhuǎn)化率就達到98%以上。反應(yīng)規(guī)模擴大10倍也未有任何負面影響。印度的研究人員[31]研究了利用水力空化技術(shù)強化堿催化酯交換反應(yīng)合成生物柴油的過程, 發(fā)現(xiàn)在油醇摩爾比為1 : 4.5, NaOH為油脂質(zhì)量1%, 溫度保持45～55℃的條件下, 30 min內(nèi)生物柴油得率達到了80%。

4.4 微藻生物柴油的生產(chǎn)

微藻生物柴油的生產(chǎn)包括藻種篩選——微藻培養(yǎng)——藻體收集與干燥——油脂提取——油脂酯交換——生物柴油精制——甘油的回收利用。

藻體的收集與干燥是生產(chǎn)生物柴油的前提, 而且直接決定了原料部分的生產(chǎn)成本。藻體的收集方法主要有離心分離、絮凝、過濾、沉降、浮選和電泳[32]。接著將濕的藻體經(jīng)過高溫快速干燥或真空干燥脫水, 得到便于儲存和運輸?shù)纳a(chǎn)原料。

微藻脂質(zhì)的提取主要有氯仿-甲醇法, 超聲輔助法, 凍融法和索式提取法。這些方法都需要用到大量的有機溶劑, 提取的油脂得率與溶劑配比, 提取時間和溫度等相關(guān)。除了使用有機溶劑溶解細胞中的油脂外, 還可以使用高壓滅菌、球磨法、微波輔助、聲波降解和添加10%NaCl溶液等方法[33]裂解細胞形成液體燃料直接用于酯交換。

生物柴油的精制通常需要經(jīng)過水洗, 脫色, 除臭等去除生物柴油中殘留的酸、甲醇、催化劑和其他雜質(zhì)等, 降低生物柴油酸值, 得到色澤澄清的精制生物柴油。副產(chǎn)物粗甘油可以通過離子交換法、減壓蒸餾法和膜過濾法等除去有色雜質(zhì), 精制甘油不僅可作溶劑、軟化劑和干燥劑等, 還可以制備1,3-丙二醇等化工原料。

5 生物柴油質(zhì)量的指標和標準

生物柴油的生產(chǎn)需要一定的標準作為指導才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠, 而標準化也是生產(chǎn)柴油進入市場的前提, 因此隨著生產(chǎn)柴油的發(fā)展, 生物柴油質(zhì)量標準的建立和實施也日益顯得重要。

生物柴油的質(zhì)量指標可以分為兩大類。第一類指標與石油柴油相同, 包括密度、黏度、閃點、殘?zhí)剂?、十六烷值和灰分等[34]。另一類指標與石油柴油不同, 包括甲醇含量、甘油三酯、游離脂肪酸和含磷量等。這些指標與原料工藝過程有關(guān), 是衡量生物柴油的雜質(zhì)成分[35]。

由于生物柴油制備原料受產(chǎn)地、氣候等的影響和制備工藝的不一致, 目前國際上尚無統(tǒng)一的生產(chǎn)和使用標準。但是不同國家都根據(jù)本國生物柴油發(fā)展特點和制備工藝水平制定了各自的生物柴油質(zhì)量標準, 對生物柴油的主要質(zhì)量指標進行規(guī)范。

德國是最早推廣生物柴油的國家, 也是生物柴油生產(chǎn)量最大的國家, 早在1997年就頒布了生物柴油的產(chǎn)品標準DNI V 51606。而統(tǒng)一的歐盟生物柴油標準EN14214是于2000年制定的, 2003年開始生效,可取代歐洲成員標準化委員會(CEN)各成員國單獨制定的生物柴油標準。美國則是最早將生物柴油投入商業(yè)應(yīng)用的國家, 制定的生物柴油標準 ASTM D 6751于2002年開始正式實施。此后美國對該標準不斷進行了修訂, 目前有效版本是 2008年修訂的ASTM D 6751-08。

我國也于2007年1月正式發(fā)布了第一個生物柴油國家標準GB/T 20828—2007《柴油機燃料調(diào)合用生物柴油(BDl00)》, 該標準于2007年5月1日開始正式實施。

目前, 世界其他各國如澳大利亞、巴西、泰國等評判生物柴油質(zhì)量優(yōu)劣的標準基本上是參照歐盟或美國生物柴油標準制定的。但是世界各國標準組織也正競相努力, 以期率先制定出一種真正獲得各國普遍認同的的生物柴油標準。

6 微藻制備生物柴油的現(xiàn)狀與前景

生物柴油作為新興的能源產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)成為能源研究領(lǐng)域的一個熱點話題, 尤其是微藻生物柴油?？萍疾坑?2009 年開始啟動微藻能源方面的 863重點項目, 在“十二五”期間將在973計劃及863計劃中對微藻能源予以立項支持。中國科學院著名院士閔恩澤一直極力倡導開展微藻生物柴油的研究,由其倡議的中石化和中科院合作項目“微藻生物柴油成套技術(shù)的開發(fā)項目”目前正在進行小試研究, 預計2015年進行戶外中試裝置研究, 2020年建設(shè)工業(yè)示范裝置。而近年來, 中國科學院海洋研究所、暨南大學、中國海洋大學等一些科研單位和大專院校也在積極開展微藻生物柴油的研究, 并在微藻篩選和培養(yǎng)方面已取得一定的成果。國家海洋局第一研究所鄭力課題組, 暨南大學張成武課題組, 中國海洋大學的潘克厚課題組等都從事從各種微藻中篩選高油脂含量的藻種和對某些藻種進行分子生物學改造方面的研究。華東理工大學李元廣課題組自1995年以來, 在科技部 863、科技攻關(guān)、科技支撐等項目支持下, 一直開展微藻高密度高產(chǎn)率培養(yǎng)技術(shù)和新型光生物反應(yīng)器開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化研究, 現(xiàn)在正進行光生物反應(yīng)器開發(fā)的計算流體力學(CFD)模擬研究[36]。中科院大連化物所張衛(wèi)課題組開拓了微藻生物能源的發(fā)展方向, 主要從事微藻產(chǎn)氫和微藻培養(yǎng)技術(shù)方面的研究。上海交通大學的繆曉玲教授、清華大學的吳慶余教授的研究團隊主要從事微藻異養(yǎng)培養(yǎng), 油脂提取和生物柴油加工方面的研究, 通過異養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)獲得高脂質(zhì)的小球藻, 脂類化合物占細胞干重的55%(質(zhì)量分數(shù)), 而自養(yǎng)培養(yǎng)的小球藻脂類化合物僅為細胞干重的 14.57%, 酸催化制備的微藻生物柴油品質(zhì)達到ASTM標準[37]。

表3 一些國家的生物柴油質(zhì)量標準與國際石油柴油標準

目前微藻生物柴油的工藝開發(fā)還處于初步的中試研究階段。清華大學的劉德華教授研究團隊建立的生物酶法生產(chǎn)生物柴油的關(guān)鍵技術(shù)工藝, 生物柴油純度可達 90%左右[38], 現(xiàn)已在河北等地進行中試生產(chǎn)。北京化工大學譚天偉教授利用微藻與微生物聯(lián)合培養(yǎng)產(chǎn)生的脂肪酶, 開發(fā)的反應(yīng)和分離耦合的連續(xù)酶法轉(zhuǎn)化油脂合成生物柴油新工藝, 生物柴油轉(zhuǎn)化率達96%以上, 品質(zhì)達到歐洲標準[39]。

由此可見, 我國未來微藻生物柴油深入研究就主要集中在以下三個領(lǐng)域: 一是微藻的生物學研究,包括篩選和收集藻種, 以獲得高油脂的微藻種類;研究微藻的生理學和生物化學特性, 通過分子生物學和基因工程技術(shù)提高微藻的產(chǎn)油率; 二是微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的發(fā)展研究, 將實驗室規(guī)模的培養(yǎng)系統(tǒng)擴展到工業(yè)生產(chǎn)還有很多問題需要解決;三是資源可利用性的分析研究, 包括下游副產(chǎn)物的回收利用, 如藻體殘渣的利用, 甘油的回收精制等。

從生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用方面來說,利用微藻油脂進行生物柴油也是十分可行的, 也是實現(xiàn)完全替代石化柴油的最佳途徑。而能否實現(xiàn)其工業(yè)化主要的難點就是如何降低生產(chǎn)成本, 解決這個問題主要可以從以下三方面來進行。一是建立合理的微藻良種選育和評價體系, 設(shè)計、優(yōu)化并放大高效低成本的光生物反應(yīng)器, 開發(fā)微藻培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化工藝并放大; 二是通過開發(fā)利用生物柴油生產(chǎn)過程中的各種廢棄物, 使其產(chǎn)生經(jīng)濟價值, 并減少對環(huán)境的污染。在微藻培養(yǎng)過程中使用的培養(yǎng)基可以作為肥料, 或用于微生物發(fā)酵和產(chǎn)生沼氣。此外利用工業(yè)廢水、廢氣培養(yǎng)微藻進行油脂生產(chǎn)不僅能夠處理廢水、廢氣等而起到環(huán)境保護的作用, 還可以盡量降低油脂的生產(chǎn)成本; 三是微藻生物精煉, 從提取油脂后的藻體中分離出蛋白質(zhì)、多糖、色素、多不飽和脂肪酸(如DHA、EPA)等高附加值微藻生物活性物質(zhì), 并將其深入開發(fā)新產(chǎn)品。純化精制生物柴油生產(chǎn)過程中的甘油副產(chǎn)物用于化妝品、醫(yī)藥行業(yè), 或?qū)⒏视娃D(zhuǎn)化成丙二醇等化工原料, 以增加產(chǎn)值, 最終最大限度實現(xiàn)可持續(xù)的循環(huán)發(fā)展。

微藻生物柴油現(xiàn)在的發(fā)展十分迅速, 且潛力巨大。歐美等國家的微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的起步早, 已經(jīng)開始進入從實驗室走向中試和工業(yè)生產(chǎn)的階段。而其他如巴西、印度、日本、韓國、泰國等國家的政府都制定了生物柴油研發(fā)計劃, 對生物柴油給予強有力的政策支持和資金投入。世界上的大部分能源科研機構(gòu)和石油公司對微藻生物柴油研發(fā)的人力和資金投入也在不斷加大。我國的微藻生物柴油研發(fā)還處于初級階段, 與其他新興產(chǎn)業(yè)一樣, 國家政策還沒有形成支持生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長效機制。我國海域廣闊, 大部分有待開發(fā), 若將這些海域充分利用起來大量培養(yǎng)海洋微藻, 可以帶來十分巨大的經(jīng)濟利益和生態(tài)效益, 這對于緩解我國石油緊缺現(xiàn)狀, 保障我國能源安全、保護生態(tài)環(huán)境都有十分重要的意義。

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2010-12-28;

2011-03-16

國家自然基金項目(40506031), 廈門市科技項目(xm090905)

黃雄超(1987-), 男, 湖北孝感人, 碩士研究生, 從事海洋生物資源的利用研究, 電話 0592-6162996, E-mail:huangxc505518@163.com; 牛榮麗, 通信作者, 副教授, E-mail:niurongli05@yahoo.com.cn

康亦兼)