基于熵權(quán)的產(chǎn)生物柴油微藻開發(fā)潛力評價*

賀立燕 韓笑天 俞志明①

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

生物質(zhì)能源作為一種來源廣泛的可再生能源, 其開發(fā)利用不僅有助于緩解化石燃料日益枯竭給全球經(jīng)濟發(fā)展帶來的能源危機, 還可以減少主要溫室氣體CO2的排放, 有利于維護生態(tài)平衡, 改善人類生存環(huán)境。與生物質(zhì)能源的傳統(tǒng)原料農(nóng)作物相比, 微藻養(yǎng)殖具有節(jié)水、不占用耕地資源、能耗和CO2排放量低、養(yǎng)分需求低以及終產(chǎn)物應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)勢(Varfolomeev et al, 2011), 是產(chǎn)生物柴油的優(yōu)秀而有前景的原料來源(Chisti, 2007)。然而, 從微藻到生物柴油是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程(李元廣等, 2009; Gong et al,2011; Lam et al, 2012; Rawat et al, 2013), 其中涉及高含油藻種的篩選(Duong et al, 2012)、基因工程方式改造(Radakovits et al, 2010; Korkhovoy et al, 2013)、培養(yǎng)條件優(yōu)化(Wang et al, 2012)、收獲與油脂提取方式優(yōu)化(Halim et al, 2012; Kim et al, 2013)及戶外大規(guī)模培養(yǎng)(Li et al, 2013; Shurin et al, 2013)等方面的問題。在此過程中, 選擇一個合適的評價方法來判定適宜規(guī)?；瘧?yīng)用的微藻藻種無疑是非常關(guān)鍵的。目前, 國際上仍沒有統(tǒng)一的分級評判標準來判別微藻產(chǎn)生物柴油的潛力。國內(nèi)學(xué)者引入了模糊綜合評價的方法對實驗室培養(yǎng)的3株微藻產(chǎn)生物柴油的應(yīng)用潛力進行了評價(張齊等, 2010), 為適宜應(yīng)用藻種的篩選提供了一種新的思路。然而該評價方法摻入了過多的主觀評判因素, 各指標的權(quán)重皆由人為確定, 降低了該方法的客觀性。

權(quán)重的設(shè)計在模糊綜合評價中是一項重要內(nèi)容,對評價結(jié)果有重要影響。熵權(quán)法以其賦權(quán)靈活性與客觀性的優(yōu)勢, 已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用(宋保維等,2001; 謝赤等, 2002; 周文華等, 2005; 高長波等, 2006;李萍等, 2007; 章穗等, 2010)。本研究將熵權(quán)法引入微藻生產(chǎn)生物柴油過程涉及的關(guān)鍵指標的賦權(quán), 根據(jù)選定指標的變異程度, 利用信息熵計算出各指標的熵權(quán),再通過熵權(quán)對各指標的權(quán)重進行修正, 從而得到較為客觀的指標權(quán)重, 以此評價產(chǎn)生物柴油微藻的開發(fā)潛力。研究結(jié)合青島地區(qū)不同季節(jié)的溫度特點, 擬選出能夠有效利用發(fā)電廠排出廢氣中的 CO2作為碳源, 適宜在戶外條件下進行生物柴油生產(chǎn)的微藻藻種。

1 材料與方法

1.1 藻株、培養(yǎng)條件及指標測定方法

本實驗選用9株微藻, 其中包括3株低溫藻株: 微擬球藻(Nannochloropsis sp. ZL-12)、小球藻(Chlorella sp. ZL-33)和小球藻(Chlorella sp. ZL-45), 3株中溫藻株:球等鞭金藻(Isochrysis galbana C5001)、等鞭金藻(Isochrysis sp. C5002)和微擬球藻(Nannochloropsis sp.C7001), 3株高溫藻株: 微擬球藻(Nannochloropsis sp.JN1)、綠色巴夫藻(Pavlova viridis JN2)和小球藻(Chlorella sp. JN3)。文中所用到的指標數(shù)據(jù)由國家海洋局第一海洋研究所鄭立研究員提供。

采用 f/2培養(yǎng)液營養(yǎng)鹽配方, 培養(yǎng)用海水取自青島匯泉灣附近, 鹽度為 32±1, pH值為 7.9±0.1, 經(jīng)孔徑為0.45μm的混合纖維素膜過濾121°C高壓濕熱滅菌 30min, 室溫冷卻后備用, 光照為 4000lx, 光暗比(L/D)為 12h∶12h。

實驗選取10、15、20、25、30和35°C六個溫度分別培養(yǎng)9株微藻, 從而確定適宜溫度。分別向9株培養(yǎng)的微藻通入不同濃度為 5%和 10%的 CO2, 觀察微藻的生物量積累情況, 確定CO2耐受性。破壁難易度以30Mp破壁率衡量(張齊等, 2010)。9株微藻生長至平臺期后離心收集, 真空冷凍干燥后稱取20mg左右的藻體, 采用改進的 Bligh-Dyer法提取總脂(Bligh et al, 1959), 采用氣-質(zhì)聯(lián)用(5975 CMSD和7890 GC,安捷倫公司)法測定脂肪酸的組成。

1.2 用熵權(quán)法確定評價因子權(quán)重的步驟

熵權(quán)法確定評價因子權(quán)重包括以下三個步驟(邱宛華, 2002):

(1) 原始數(shù)據(jù)矩陣標準化

(2) 定義熵H

在有m個評價指標, n個評價對象的評估問題中,第i個指標的熵定義為:

(3) 定義熵權(quán)w

定義了第i個指標的熵之后, 第i個指標的熵權(quán)

2 結(jié)果與討論

2.1 各指標測定結(jié)果

對 9株微藻 ZL-12、ZL-33、ZL-45、C5001、C5002、C7001、JN1、JN2和 JN3各項指標的測定結(jié)果如表 1所示。其中, 油脂組成以適宜生產(chǎn)生物柴油的脂肪酸組成, 即C14—C18系脂肪酸的百分含量表示; 油脂產(chǎn)率及油脂組成范圍以不同微藻適宜溫度下測定結(jié)果表示。

2.2 評價對象、評價因子和評價集

本研究中, 評價對象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45,C5001, C5002, C7001, JN1, JN2, JN3｝。張齊等(2010)將產(chǎn)生物柴油微藻藻種評價體系總結(jié)劃分為生理生化指標(0.35)、培養(yǎng)工藝指標(0.40)和后處理指標(0.25)三個一級指標, 本研究從以上三個一級指標中分別選取 1—2個權(quán)重高的二級指標研究, 并將生理生化指標中的生長速率和含油率合并以油脂產(chǎn)率表示,總結(jié)出評價因子集 F=｛油脂產(chǎn)率, 油脂組成, CO2耐受性, 破壁難易度, 溫度適應(yīng)性｝。

2.3 單因子評判矩陣的確定及指標賦權(quán)

定義原始矩陣:

其中對應(yīng)的對象及指標如表2所示:

由于油脂產(chǎn)率和油脂組成兩項指標的值為范圍,需要先將該范圍換算成定值, 初始化; 對于這兩項指標, 其評價對象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001,C5002, C7001, JN1, JN2, JN3｝; 對于油脂產(chǎn)率, 評價因子集 F=｛油脂產(chǎn)率低值, 油脂產(chǎn)率高值, 油脂產(chǎn)率浮動差值｝; 其中前兩因子大者為優(yōu), 采用公式最后一因子小者為優(yōu), 采用公式類似地, 對于油脂組成, 評價因子集 F=｛油脂組成低值, 油脂組成高值, 油脂組成浮動差值｝; 其中前兩因子大者為優(yōu), 采用公式, 最后一因子小者為優(yōu), 采用公式

對于 CO2耐受性這一指標, 其評價對象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002, C7001, JN1,JN2, JN3｝; 評價因子集 F=｛CO2耐受性范圍｝, 該因子大者為優(yōu), 采用公式將本研究中破壁難易度按照容易與不易換算成定值, 容易定義為1, 不易定義為0.5。

表3 各評價指標的原始值Tab.3 The original values of evaluation indices

表1 9株不同富油藻株關(guān)鍵指標一覽表Tab.1 Key indexes and values of 9 oil- rich microalgae strains

表2 原始矩陣對應(yīng)的指標Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix表2 原始矩陣對應(yīng)的指標Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix

表2 原始矩陣對應(yīng)的指標Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix表2 原始矩陣對應(yīng)的指標Tab.2 The corresponding indexes of the original matrix

青島地區(qū)夏秋季節(jié)溫度浮動范圍為 18—24°C,評價對象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002,C7001, JN1, JN2, JN3｝; 評價因子集F=｛最適溫度與低值差值, 最適溫度與高值差值｝, 二因子皆小者為優(yōu), 采用公式類似地, 春季溫度浮動范圍為 3—10°C, 冬季溫度浮動范圍為 1—7°C;評價對象集D=｛ZL-12, ZL-33, ZL-45, C5001, C5002,C7001, JN1, JN2, JN3｝; 評價因子集F=｛最適溫度與低值差值, 最適溫度與高值差值｝, 二因子皆小者為優(yōu), 采用公式。各評價指標的原始值如表3所示, 將原始數(shù)據(jù)計算并初始化得到表4結(jié)果。由于不同季節(jié)溫度變化范圍存在差異, 溫度適應(yīng)性指標在不同季節(jié)的數(shù)值也有所區(qū)別。其中春季和冬季相同, 夏秋季相同。

2.4 權(quán)重計算

基于表4的數(shù)據(jù), 根據(jù)熵權(quán)計算公式得到各評價指標的熵權(quán)如表5所示。各指標在不同季節(jié)權(quán)重由大到小的排序相同, 依次為溫度適應(yīng)性、油脂產(chǎn)率、破壁難易度、CO2耐受性和油脂組成, 但具體所占權(quán)重大小有差異。其中溫度適應(yīng)性一指標在四個季節(jié)中的權(quán)重最大(春冬季為0.801, 夏秋季為0.467)。

2.5 評價結(jié)果

根據(jù)不同季節(jié)各指標的權(quán)重值進行計算, 得出春冬季開發(fā)潛力由大到小為: ZL-12、ZL-33、ZL-45、C5001、C5002、C7001、JN2、JN3、JN1, 而夏秋季開發(fā)潛力由大到小為: C5001、C5002、C7001、ZL-12、ZL-33、ZL-45、JN2、JN3、JN1。

表4 原始數(shù)據(jù)初始化結(jié)果Tab.4 Normalization of the original data

表5 各評價指標的熵權(quán)Tab.5 Entropy weight of all evaluation indices

表6 各評價對象的評價值Tab.6 The evaluation values of all the objects

3 結(jié)論

用熵權(quán)法對各指標計算賦權(quán)使研究結(jié)果更加客觀, 可有效地反映出藻種產(chǎn)生物柴油的性能, 在實踐中具有一定的實用性。在具體的評價過程中, 可以根據(jù)實際可獲得的數(shù)據(jù)豐富評價指標。目前, 張齊等(2010)結(jié)合已有的規(guī)范和研究結(jié)果總結(jié)出了產(chǎn)生物柴油的微藻藻種評價體系表, 其中包括3項一級指標和18項二級指標, 從系統(tǒng)工程角度上, 該評價體系較全面地指出了需考察的指標, 具有一定的指導(dǎo)性。然而在指標的權(quán)重方面, 該體系采取了固定的權(quán)重, 在具體的實踐應(yīng)用中有一定的弊端, 針對性不強。

本研究運用熵權(quán)法賦權(quán)計算得出了9株實驗室培養(yǎng)的微藻在不同季節(jié)的產(chǎn)生物柴油的開發(fā)潛力,選取了生理生化指標油脂產(chǎn)率和油脂組成、培養(yǎng)工藝指標 CO2耐受性和溫度適應(yīng)性以及后處理指標破壁難易度為評價的關(guān)鍵指標, 有針對性地得出了不同季節(jié)下適宜開發(fā)的藻種。結(jié)果表明不同季節(jié)適宜開發(fā)的藻種存在差異, 在本研究選取的五項指標計算基礎(chǔ)上, 春冬季開發(fā)潛力最大的為微擬球藻(Nannochloropsis sp. ZL-12), 而夏秋季開發(fā)潛力最大的為球等鞭金藻(Isochrysis galbana C5001), 研究結(jié)果為實際的戶外應(yīng)用提供了理論依據(jù)。本研究初步選取了生物柴油生產(chǎn)過程中的幾項關(guān)鍵指標考察, 在實際的評價過程中多指標的選取結(jié)合熵權(quán)法賦權(quán)會產(chǎn)生更加準確的評價結(jié)果, 從而為產(chǎn)生物柴油微藻藻種的選擇提供更為準確的依據(jù)。

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