藻類生物燃料：未來生物能源的多樣性

楊豐科，王興富

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島266042）

在過去的50年里，世界人口增長了一倍多，導(dǎo)致一次能源消耗大增［1］。2010年，世界一次能源的消耗增長了5．6%，幾乎是過去40年的最大增長率。這其中包括了幾乎所有化石能源（如石油、天然氣和煤炭）消耗的增長。

目前，世界上每年大約消耗15TW的能源，其中只有7．8%的能源是可再生能源。以可再生能源如風(fēng)能、太陽能、氫能、生物能源來替代基礎(chǔ)化石能源仍然是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。其中，以植物為基礎(chǔ)的生物燃料得到了人們的廣泛重視。

作者在此對生物燃料的來源進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了藻類生物燃料的巨大潛力，并討論了其經(jīng)濟(jì)可行性和未來的應(yīng)用前景。

1 生物燃料來源分析

光合生物如高等植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌能夠利用陽光和二氧化碳產(chǎn)生各種有機(jī)分子，特別是碳水化合物和脂肪。這些有機(jī)分子可用于產(chǎn)生生物質(zhì)或直接制成抽取物，這些是生物燃料的來源。

目前最常見的生物燃料生產(chǎn)方法是由玉米或甘蔗生產(chǎn)生物乙醇和由各種油料作物（如大豆作物、棕櫚油）制取生物柴油［1］。由于作為汽油添加劑和聯(lián)邦政府授權(quán)對燃料混合物的稅收獎勵，生物乙醇生產(chǎn)在美國已經(jīng)很盛行，其產(chǎn)量在2000～2008年間上升了25%。目前有30%的玉米種植用于生產(chǎn)生物乙醇［2］。由甘蔗生產(chǎn)生物乙醇雖然生產(chǎn)成本較低，但運(yùn)輸成本等較高，因此并不是理想的生物燃料生產(chǎn)途徑［2］。

木質(zhì)纖維素原料也正在被開發(fā)用于生產(chǎn)生物乙醇。木質(zhì)纖維素原料來源廣泛，如玉米秸稈、白楊、小黑楊和柳枝稷等。目前的研究主要集中于了解作物中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的比例對生物乙醇生產(chǎn)效率的影響，如何減少酶用量以及如何降低用于釋放可發(fā)酵糖組分的預(yù)處理成本［3］。

生物柴油也是重要的化石能源替代品。油料作物如大豆、油菜、棕櫚等可以用來生產(chǎn)生物柴油，但傳統(tǒng)上這些油料作物常常作為食物，如果用于制取生物燃料對糧食供應(yīng)有著極大影響［4］。生物柴油的另一個來源就是最近研究的熱點(diǎn)麻瘋樹。麻瘋樹是一種耐旱的小樹，其種子中含有20%～40%的非食用油，因此與食物來源和農(nóng)用土地沒有競爭關(guān)系［5］。

目前，許多植物資源可以用來生產(chǎn)生物燃料，但它們中的大部分與糧食供應(yīng)有著競爭關(guān)系。藻類具有獨(dú)立的光合作用系統(tǒng)，在生物燃料方面具有巨大的應(yīng)用潛力，是其它生物能源的有力補(bǔ)充。

2 藻類生物燃料

2．1 生物乙醇

藻類由于其低比例的木質(zhì)素和半纖維素，用作生物乙醇的來源時，相比其它木質(zhì)植物擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。基于形態(tài)和大小的不同，藻類分為微藻和海藻。其中微藻是微生物，海藻是多細(xì)胞結(jié)構(gòu)植物。雖然海藻類似于陸地上的植物，但因?yàn)槠渖L在水環(huán)境中，在沒有木質(zhì)素交聯(lián)的情況下，浮力允許其垂直生長［6］，因此海藻中的木質(zhì)素含量很低，利于發(fā)酵產(chǎn)生物乙醇。海藻中的巨藻含有大量的糖分（≥50%），可用于生物乙醇的發(fā)酵［7］，然而紅藻中碳水化合物的含量受到瓊脂（半乳糖吡喃和半乳糖的聚合物）的影響，因此相關(guān)研究致力于開發(fā)糖化方法從瓊脂中解鎖半乳糖或從纖維素中進(jìn)一步釋放葡萄糖，以發(fā)酵獲得更高產(chǎn)量的生物乙醇［6，7］。

2．2 生物柴油

許多藻類能產(chǎn)生大量的脂質(zhì)存儲在體內(nèi)，有的高達(dá)其干重的50%～60%。在酯交換反應(yīng)中，這些脂類在化學(xué)性質(zhì)上類似于油料作物衍生的脂質(zhì)，使得藻類成為潛在的生物柴油來源。藻類生物柴油的成本與藻類的固碳效率（將二氧化碳轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)的效率）成正比。因此，藻類生物勘探可能極大地影響藻類生物柴油的生產(chǎn)效率。生物勘探者尋找的菌株不僅要富含脂質(zhì)，而且要具有優(yōu)異的生長和收獲特性［4］。

優(yōu)化酯交換反應(yīng)過程可大幅降低藻類生物柴油的生產(chǎn)成本。與油料作物可以壓縮并提取脂質(zhì)不同，藻類復(fù)雜的細(xì)胞壁會阻礙高壓提取脂質(zhì)［8］。因此，可在提取脂質(zhì)的同時直接進(jìn)行酯交換反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油［8，9］。雖然具體工藝仍需要優(yōu)化，但是高生物量和高脂質(zhì)含量保證了藻類的開發(fā)價值，是生物柴油的強(qiáng)有力潛在來源。

2．3 生物制氫

眾所周知，許多大型海藻中含有大量的碳水化合物，這些糖類大多是由非葡萄糖類的單糖組成的，如半乳糖［10］。藻類因其生長快速、能在海洋環(huán)境中生存、木質(zhì)素含量低，成為生物制氫的潛在來源，用于氣體燃料生產(chǎn)或發(fā)電。研究表明，紅藻石花菜和褐藻海帶都是潛在的生物制氫來源，但是由于酸解副產(chǎn)物的抑制作用使得氫的產(chǎn)率降低了50%。因此，為了提高生物制氫產(chǎn)量，有必要優(yōu)化藻類的預(yù)處理方法。

2．4 沼氣

近來，微藻成為了厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的熱點(diǎn)。沼氣的生產(chǎn)效率與微藻的種類有關(guān)。藻類產(chǎn)沼氣在生物降解中也發(fā)揮了重要的作用。湖泊、池塘或海洋中的有害赤潮能產(chǎn)生有毒的次生代謝物，對生態(tài)系統(tǒng)危害極大，而將這些藻類用于沼氣生產(chǎn)可以減少其負(fù)面影響。

3 藻類生物燃料的經(jīng)濟(jì)可行性

利用藻類生產(chǎn)生物燃料的可行性為可再生能源生產(chǎn)的生命周期和經(jīng)濟(jì)障礙提供了答案。從藻類生物質(zhì)或額外副產(chǎn)品中提取一種以上的生物燃料，不僅可以提高生物質(zhì)價值而且對環(huán)境友好。這種聯(lián)合生物煉制的概念可以提高藻類脂質(zhì)乙醇的提取量，也可以結(jié)合沼氣和生物制氫運(yùn)用，在發(fā)酵前生產(chǎn)有價值的產(chǎn)品或用氣態(tài)的發(fā)酵產(chǎn)物為生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品提供能量。在第一種情況下，高附加值產(chǎn)品包括在沼氣生產(chǎn)中厭氧消化前的厭氧下生物制氫生產(chǎn)；在第二種情況下，沼氣產(chǎn)生的電力可以用來滿足沼氣生產(chǎn)中微藻的厭氧消化對能源的需求，農(nóng)業(yè)源型沼氣可以為藻類生長和副產(chǎn)品生產(chǎn)提供CO2流，也可以為藻類培養(yǎng)產(chǎn)生物柴油和脂質(zhì)的提取提供電力。

無論怎樣運(yùn)用聯(lián)合生物煉制的概念，藻類生物燃料生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性和環(huán)境可持續(xù)性都將取決于全面優(yōu)化的、有效的綜合利用方案，以充分利用藻類生物質(zhì)資源。

4 藻類生物燃料的局限性與展望

藻類生物燃料的局限性主要在于高成本的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和藻類生長與收獲所需的能量（主要是種植藻類所需的巨大水量）［11］。研究發(fā)現(xiàn)，某種生化分子無需脫水培養(yǎng)物就能利用酶法水解復(fù)雜的藻類細(xì)胞壁；藻類生物燃料的能量需求顯著，如藻類生物質(zhì)的干燥處理就大約消耗了輸入能量的69%；代謝工程在優(yōu)化產(chǎn)生物燃料的菌株方面可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括碳再分配的改進(jìn)、創(chuàng)建通過控制脂質(zhì)鏈的長度生產(chǎn)三?；视王サ脑O(shè)計(jì)器和通過重組工程改進(jìn)生物氫的生產(chǎn)方法等?？傊?，不論是就其經(jīng)濟(jì)競爭力還是環(huán)境影響而言，提高藻類生長的水和營養(yǎng)物質(zhì)的可用性都是其成功用于生物燃料的關(guān)鍵。最近的研究表明，利用廢水和農(nóng)業(yè)再生營養(yǎng)物質(zhì)來促進(jìn)藻類生長相當(dāng)成功。

盡管利用藻類生產(chǎn)生物燃料存在著一定的局限性，但藻類仍然是生物燃料的最好來源。藻類生物燃料的進(jìn)一步發(fā)展在很大程度上取決于跨學(xué)科研究和工程師、化學(xué)家、生物學(xué)家的合作，相信通過優(yōu)化藻類的生長與收獲，必將會創(chuàng)造一個靈活、有效的藻類生物燃料生產(chǎn)平臺。

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