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1、藻类生物质能源的过去、现在和未来摘要：21实际面临严重的能源短缺问题，开发新能源迫在眉睫。随着生物技术的不断发展，生物质能源也越来越受到人们的重视。由于用玉米等粮食作物作为生物能源会导致全球粮食价格的上涨，研究人员开始将目光集中在效率更高的藻类上，美国也于2011年重新开始了1996年停止的藻类生物质能源的研究。本文主要介绍了藻类生物质能源的过去和现在的研究状况，总结了一下还没有克服的困难，同时为未来的研究指明方向。关键词：藻类；生物质能源；生物柴油21世纪面临严重的能源短缺，煤、石油、天然气等化石能源的储备十分有限。特别是石油，可供使用的时间已不到50年。在这种严峻的情况下，生物质能源作为一
2、种可再生能源逐渐成为研究的热点。传统的生物质能源（如玉米、大豆等）的使用，会导致全球谷物价格的升高，进而加剧粮食短缺的危机1。相比之下，藻类对环境及社会的不良影响很少，同时转化太阳能的效率很高。玉米谷物乙醇，太阳能的转化效率约为0.05%；而藻类对太阳能的转化率理论上可以达到10%，虽然目前由于技术等原因，实际的转化率是2%2。藻类是高能量密度、可再生液态交通燃料的理想原料。藻类生物质能源的优势包括：1. 藻类可提供较高的生物质产量；2. 藻类培养不与农业生产冲突（不竞争耕地与肥料）3. 藻类可以在废水、再生水及咸水中生长，因此藻类培养无需消耗有限的淡水资源；4. 藻类可以从固定源排放的高浓度
3、CO2中回收碳元素，如发电厂或其他工业源；5. 利用藻类生物质可通过综合生物精炼工艺生产各种燃料和高价值副产品。藻类生物质能源的过去3藻类生物质能源过去的研究主要是在1996年以前。在20世纪50年代后期，Meier、Oswald和Golueke指出，可利用藻细胞中的碳水化合物通过厌氧消化产生甲烷。Benemann等对此做了详细的工程评价，认为利用藻类生产生产甲烷的成本与化石能源旗鼓相当。在更早的40年代，人们就发现了许多藻类可在特定的培养条件下大量积累油脂。50年代和60年代的许多项研究报告表明，培养基中的营养元素（例如氮或硅）的缺乏可导致油脂富集。到了70年代，世界油价的迅速上涨激发了人们
4、利用藻类油脂生产生物燃料的想法，该想法最终促成了美国能源部的水生物种项目（Aquatic Species Program，ASP）。ASP项目筛选出了大约300多株优势藻种，其中大部分属于绿藻纲（Chlorophyceae）和硅藻纲(Bacillariophyceae)。筛选出优势藻种后，工作人员进一步研究了藻种在贫营养条件下的油脂积累特性。虽然营养物质的缺乏最终导致了藻类油脂总产率的下降（藻类生长速率下降），但该研究却使人们深入理解了藻细胞中的油脂合成机理。在营养物质缺乏的胁迫条件下，部分藻类的油脂含量可高达细胞干重的60%，且其主要成分为三酰甘油酯（Triacylglycerides，TA
5、G）。富含油脂的硅藻是许多生化研究中的研究对象。研究发现，硅元素缺乏是导致硅藻大量积累油脂的主要因素。乙酰辅酶A羧化酶是脂肪酸合成的催化剂，营养元素缺乏会导致其含量增加。通过转基因技术，可以认为控制乙酰辅酶A羧化酶的合成，从而可控制和促进油脂的合成。目前，已经初步识别了乙酰辅酶A羧化酶的目标基因，但迄今为止尚未见到成功提高藻类细胞油脂含量的报道。通过控制藻类碳水化合物的合成也可调控藻细胞中的油脂含量。理论上讲，碳水化合物合成与油脂的合成是竞争关系，如果碳水化合物的合成受到了抑制，则油脂的合成会相应增加。研究人员识别并研究了硅藻C.cryptica中催化碳水化合物合成的主要酶昆布多糖，通过控制昆
6、布多糖的合成课提高藻细胞中的油脂含量。然而，随着1996年年ASP项目的结束，该油脂促进途径也终止了进一步的研究和发展。在ASP项目的研究过程中，需要不断创新研究方案以提高生物质产率及解决工艺过程中的各种问题。经济高效的藻类收获和脱水、油脂提取、纯化及燃烧转化方法是实现藻类生物质能源技术商业化的关键。藻类收获需耗费大量的能源和资金。絮凝沉淀是众多收获技术中较为可行的方法。油脂的提取和纯化成本也非常高，ASP项目的研究重点是溶剂体系的改善，但并未考虑规模、成本及对环境的影响等相关问题。将藻类油脂转化为甲酯或乙酯则相对简单，ASP项目在该方面已有成功案例。另外，ASP项目也尝试了藻类油脂向其他能源
7、形式（如石油）的转化，但并未针对石油产品性质、规模化生产和发动机测试等方面开展相关研究。综上，ASP项目论证了将藻类作为油脂原料的可行性，并获得了许多重要的技术进展。然而，要实现经济可行的生产工艺，仍需克服巨大的障碍。ASP项目还指明了未来的研究方向：深入理解并优化藻类积累油脂的生物机制，并为培养和生产工艺中的工程挑战寻找创造性的、高性价比的解决方案。藻类生物质能源的现在1996年，美国放弃了以藻类为基础的生物燃料的研究。现在合成生物学帮助他们重新复兴了这一领域。他们利用生物技术以及其他先进的工程，通过改变藻类组织利用光的方式来提升藻类生产油脂的产量以及效率4。利用藻类生产生物能源的流程一般是
8、这样的（图1）2：首先利用海水或咸水生产藻类，在一个池塘里用桨轮来循环水和营养物质，要注意定期补充海水、CO2及其它微量元素；接着是分解藻类，然后分别提取出糖类、蛋白质以及脂类；糖类可以经过进一步加工成CH4、CO2，CO2又可以循环使用，为藻类生长提供碳源，蛋白质可进一步加工成为高级动物饲料，脂类则可以加工成生物柴油等生物燃料。Dalrymple等5综合其他科学家的研究发现，一些混合培养的野生藻类可以成功地在废水中生存并且有潜在的商业化生产价值。一旦大规模商业化生产的技术难题被克服，每年每公顷可以生产71吨的藻类。这些藻类可以转化成两种类型的能源：藻类中高含量的脂质可以用作液体生物燃料；藻类
9、发酵过程中还会产生一些气体的燃料。估计的潜在总油量接近每年337500加仑，假设生物柴油的转化率为80%，每年也有270000加仑。这样的产量可以平均每年可以维持450辆汽车的消耗。潜在的生物燃气的产量为每年415000kg，这相当于500个家庭一年的能源需求。除了这些宏观上的研究外，有一些研究人员进行了分子层面的研究。Blatti等6证明了脂肪酸酰基携带蛋白（ACP）与硫脂酶（TE）的相互作用调控着藻类脂肪酸在叶绿体中的水解。他们使用绿藻中的Chlamydomonas reinhardtii (Cr)作为模型，发现在CrACP与CrTE的结构域之间存在着蛋白与蛋白的识别表面。通过使用选择性瞬
10、间TE与ACP蛋白相互作用的交联探针，他们证明了在生物体内CrTE蛋白必须与CrACP蛋白相互作用才能释放脂肪酸，但在维管束植物内却不存在机械性的交联。这项工作突出了蛋白质的相互作用在脂肪酸的生物合成中的重要作用，对于藻类生物质能源工程的发展具有重大意义。也有人直接利用藻类中的多糖来发酵产生氢和乙醇等燃料。Jeon等7发现用超声波对藻类进行预处理可以显著增加溶解碳水化合物的浓度。超声处理微藻生物15分钟以上可以媲美淀粉，表明高利用微藻用于发酵生物能源生产具有一定的可行性。增加超声处理持续时间会使亲水性藻类表面与藻屑之间的静电斥力增加从而分散在水溶液中。扫描型电子显微镜图像显示，藻细胞破裂使发酵
11、菌可以进入细胞内部空间，证明了可以增强生物有效性。超声处理15分钟，发酵物能源（氢/乙醇）微藻生产高温比中温条件下生产率更高。图 1.藻类生物质能源的未来我们现在所面临的技术挑战3：发展藻类生物质能源需克服的障碍：技术目标工序研发挑战原料藻类生物学在不同的生态环境中采集各种藻种发展快速、小规模的藻类筛选技术为手机的藻种建立藻种数据库，提供详细的生化特性数据研究藻类油脂积累的生化代谢途径利用基因调控或育种技术提高藻种的目标特性藻类培养研究多种培养方式（如开放式、封闭式、混合式、近海/远海系统；光合自养、异养和混合营养）建立快速稳定的规模化藻类培养系统优化培养系统以提高藻类的油脂产率对土地、水和营
12、养盐实施可持续和高性价比的管理识别环境风险与影响发展藻类生物质能源需克服的障碍：技术目标工序研发挑战收获和脱水研究多种收获方式（如沉淀、絮凝、气浮、过滤、离心和机械化水草收获）降低工艺的耗能强度降低运行成本利用兼容性和可持续评价技术选择转化提取和组分分离研究多种提取方法（如超声波法、微波法、有机溶剂体系、超临界流体、亚临界水、选择性提取和分泌等）提高目标产物的产量，增加副产品降低能耗研究回收机制以减少废物产生克服扩大规模的障碍，如操作温度、压力、承受力、副反应和分离等燃料转化研究多种液态交通燃料的生产方式（如直接生产、热化学或催化转化、生物转化和厌氧发酵）提高催化剂的专一性、活性和持久性减少污
13、染物和反应抑制剂在大规模条件下获得高转化速率副产品确定和评估副产品的价值（如沼气、动物/鱼类饲料、化肥、工业酶、生物塑料和表面活性剂）优化副产品的提取和回收对质量和安全性进行市场评估基础设施分配和利用研究藻类生物质、中间产物、生物燃料和生物副产品在不同储存和运输方式下的特性，包括污染、天气影响、稳定性和终产物的多样性优化设施选址中的能源和成本分配符合法规和消费者需求（如发动机性能和材料兼容性）的利用方式资源和选址评估藻类培养系统（自养和异养）对土地、气候、水资源、能源和营养盐的需求与废水处理和CO2排放行业相结合研究盐平衡、能量平衡及热能管理总之，藻类是一种有希望的可再生能源的原料，藻类生物质
14、能源可以在一定程度上缓解由于使用食物作能源而导致的粮食危机，这就加速了发展可以商业化生产的藻类生物质柴油的步伐。虽然现在还面临着许许多多的挑战，但前途总是光明的。随着科技的进步，我们将会克服以上领域的种种困难，藻类生物质能源的大规模应用必将在不久的未来实现。参考文献：1Feng Gao et al: The Research Review about the effect of bio-fuel development on agricultural market and agriculture. Agriculture and Agricultural Science Procedia 1
15、(2010) 488494.2 Philip Hunter：The tide turns towards microalgae.EMBOreports(2010)11,583586.3 ValerieSarisky-Reed著. 藻类生物质能源 基本原理、关键技术与发展路线图. 北京市：科学出版社, 2011.01. 4 Robert F. Service：Algaes Second Try. Science VOL 333, 2 September 2011.5 Dalrymple et al.: Wastewater use in algae production for generati
16、on of renewable resources: a review and preliminary results.Aquatic Biosystems 2013 9:2.6 Behrendt: Biomass productivity and productivity of fatty acids and amino acids of microalgae strains as key characteristics of suitability for biodiesel production. J Appl Phycol (2012) 24:140714187 Jeon et al.: Ultrasonic disintegration of microalgal biomass and consequent improvement of bioaccessibility/bioavailability in microbial fermentation. Biotechnology for Biofuels 2013 6:37.