廢氣、廢水培養(yǎng)微藻制備生物燃料的研究進展

季 祥，張凱凱，劉 彬，成 杰，鞏東輝，蔡 祿

（內蒙古科技大學 數(shù)理與生物工程學院，內蒙古 包頭 014010）

生物質是一類在地球上廣泛存在的有機物質，蘊藏著豐富的生物質能，可通過多種途徑轉化為生物燃料。生物質能源的利用不但可緩解能源危機，還可減少溫室氣體的排放。生物質的種類很多，大體可分為樹木及其廢棄物、農作物秸稈、水生植物、城市固體廢棄物、動物糞便及尸體等。微藻廣泛存在于海洋、淡水湖泊及陰暗潮濕的地方，可通過光合作用將CO2和水轉化為有機物質儲存在體內［1］。與其他類型的生物質相比，微藻具有CO2固定效率高、生長速率快、光合效率高、油脂含量高、適應性強等優(yōu)勢［2-3］。微藻的研究與應用涉及食品與醫(yī)藥、化妝品、養(yǎng)殖與飼料、環(huán)境與能源等行業(yè)。微藻被認為是緩解未來能源危機的潛在備選對象，但其高額的生產成本成為制約其發(fā)展的主要因素。利用廢水、廢氣代替培養(yǎng)液培養(yǎng)微藻，不但能在一定程度上解決環(huán)境污染的問題，還可以節(jié)約生產成本。

本文綜述了利用廢氣、廢水培養(yǎng)微藻，采用油脂提取和生物質熱化學轉化等技術由微藻生產生物質燃料的研究進展，并簡單介紹了微藻的綜合化利用工藝。

1 廢氣、廢水培養(yǎng)微藻

微藻可用于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)測，環(huán)境保護主要是利用煙道廢氣和市政污水等培養(yǎng)微藻，以達到減少CO2排放和凈化污水的目的；環(huán)境監(jiān)測是利用微藻對外界環(huán)境的敏感性，通過監(jiān)測其在特定環(huán)境下的生理生化反應，對該環(huán)境進行初步監(jiān)測［4］。廢氣、廢水是日常生活中最常見的兩種污染形式，本文主要闡述廢氣、廢水在培養(yǎng)微藻方面的應用。

1.1 利用廢氣培養(yǎng)微藻

化石能源不斷消耗，以CO2為主要成分的溫室氣體排放也越發(fā)嚴重。自2009年起，中國已成為全球最大的CO2排放國，預計到2030—2035年，我國CO2年排放量將達到9.2～9.4 Gt［5］。目前CO2減排措施包括：控制排放源頭、減少能源消耗、調節(jié)燃料使用方式、改變能源生產形式和CO2捕集等，而通過微藻的光合作用固定CO2不失為一種很好的方法。

煙道廢氣中含有大量的CO2和NOx，二者直接排放會引起嚴重的空氣污染和溫室效應。微藻在自養(yǎng)過程中，可以將CO2進行高效固定，并將NOx作為氮源使用，在有效去除兩者的同時實現(xiàn)自身的生長。適于煙道廢氣培養(yǎng)的微藻藻種需具有較高效的CO2固定能力，以及良好的耐受高濃度CO2，NOx，SOx等的能力。Lizzul等［6］發(fā)現(xiàn)Chlorella sorokiniana在通入含12%（φ）CO2煙道廢氣的條件下可正常生長，能分別降低23%～45%的CO2和25%～30%的CO，而NOx幾乎全部被其吸收利用。Ge等［7］利用含量（φ）為2%～20%的CO2混合氣體培養(yǎng)Botryococcus braunii，發(fā)現(xiàn)其能在不添加任何pH調節(jié)劑的條件下正常生長；當通入20%（φ）CO2時，培養(yǎng)到第25 d生物量積累達到2.31 g/L，該藻株對于高濃度CO2和pH=8的環(huán)境有極強適應性。

利用煙道廢氣培養(yǎng)微藻的同時，很多學者也注意到了微藻在沼氣品質提升方面的巨大潛力，原理就是利用微藻CO2固定效率高、適應性強等優(yōu)點，提高沼氣中CH4的相對含量。Kao等［8］利用甲磺酸乙酯對小球藻進行隨機突變處理，從中篩選出Chlorella sp.MM-2 藻株進行實驗，發(fā)現(xiàn)它在ρ（H2S）＜100 mg/L、80%（φ）CH4的混合氣體下的生長能力約為對照實驗的70%；在通入糞便發(fā)酵產生的脫硫沼氣（約20%（φ）CO2，70%（φ）CH4，ρ（H2S）＜100 mg/L）條件下，CH4相對含量（φ）由開始的70%增至84%～87%。由此可見，該株微藻能在保證其正常生長的情況下，有效固定CO2，提升沼氣的品質。

利用廢氣培養(yǎng)微藻不但可以對CO2進行高效固定，還可以減少溫室氣體排放或提升沼氣的品質。微藻培養(yǎng)的核心問題在于藻種選育和規(guī)?；a。利用多種手段對藻株進行篩選，尤其是基因工程技術的引入，可選育出CO2固定效率高、耐受性強、抗污染的優(yōu)勢藻種，將其應用于煙道廢氣中CO2的固定以及NOx和SOx的減排。目前，對于該方 面的研究還停留在實驗室階段，若將反應器放大則會引起許多因素的改變，因此對于工廠煙道廢氣的回收，設計適宜的微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應器是阻礙利用廢氣培養(yǎng)微藻技術發(fā)展的難點。

1.2 利用廢水培養(yǎng)微藻

水資源的不斷污染與缺乏成為當前一個亟需解決的問題。近些年，污水排放量呈逐年上升趨勢，2015年我國全年污水排放量預計將達到81 Gt［9］。污水中含有大量的病源體污染物、耗氧污染物、植物營養(yǎng)物及有毒污染物等，排放到其他水域或滲漏到地下會引起魚蝦死亡、地下水源污染等嚴重后果。建設大型污水處理廠是凈化污水的最主要途徑，然而近年來國內外又出現(xiàn)了多種小型污水處理技術。如處理農村或城鎮(zhèn)污水的人工濕地處理技術、蚯蚓生態(tài)濾池污水處理技術、高效藻類塘處理技術等［10］。原理是通過動植物對水體中一些特定成分的吸收、消耗或固定的方式對污水進行初步處理，同時還可實現(xiàn)其自身的生長或繁殖。

微藻屬于自養(yǎng)生物，可通過光合作用利用污水中的有機碳和無機氮、磷等物質完成自身的生長與繁殖。Termini等［11］利用廢水處理廠二級沉降池的未經硝化或反硝化處理的上清液對微藻進行培養(yǎng)，該株微藻直接篩選于上述上清液，主要為柵藻屬。他們發(fā)現(xiàn)在室內條件下培養(yǎng)，除氮、除磷的效率均可達99.9%，生物量積累為0.25 g/d；然而在室外條件下，由于外界環(huán)境的不可控制性，除氮、除磷的效率分別降至90%和80%～90%。Amini等［12］利用煉油廠二級出水對5株微藻進行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)Chlorella sp.（YG01）有很高的除氮效率（84.11%），兩株Chlamydomonas sp.（YG04和YG05）都可將磷完全去除。

微藻還能有效去除污水中的COD，Babatsouli等［13］利用Picochlorum sp.和Stichococcus sp.組成的菌-藻團對含鹽廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)該菌-藻團能在極短的時間內除去水體中的COD，去除率達99%。董芳芳等［14］比較了多株微藻對造紙廢水中COD的去除能力，發(fā)現(xiàn)舟形藻和小環(huán)藻對其去除效率最高，培養(yǎng)18 d后去除率分別達到87.09%和88.18%。

微藻對污水中的重金屬有一定的吸附能力，其吸附途徑包括誘導產生金屬硫蛋白對金屬離子進行絡合；或將其吸附于細胞表面；或用于合成自身生長的特定化合物等［15］。Kumar等［15］提出微藻是修復重金屬污染的一種有效生物，并指出多種微藻對Cd2+，Co2+，Cr3+，Cr6+，Cr2，Cu2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Ni2+，Pb2+，Zn2+等具有一定的吸附能力。Richards等［16］利用Nanochloropsis gaditana，Pavlovalutheri，Tetraselmis chuii，Chaetoceros muelleri處理含有大量重金屬元素的市政垃圾滲濾液，通過10 d的培養(yǎng)，滲濾液中總重金屬去除率達95%，還實現(xiàn)了油脂的大量積累。

因此，利用污水培養(yǎng)微藻，在實現(xiàn)其生物量和油脂成分積累的同時，還能有效去除污水中的無機氮、無機磷、COD和重金屬離子等。

2 微藻制備生物燃料

微藻主要由油脂、蛋白質和多糖等有機物質組成，富含大量的生物質能。微藻的能源化利用技術主要包括微生物發(fā)酵、油脂提取或直接熱化學轉化等，得到的能源形式包括生物乙醇、生物柴油、生物油和生物燃氣等。

2.1 微藻乙醇

自然界中不同藻種的生理生化特性差別很大，適于作為生產燃料乙醇的藻株需具有較高含量的淀粉及多糖。培養(yǎng)采收后的藻粉需進行預處理，即破壞微藻細胞壁，使藻體中的糖類釋放，同時將大分子碳水化合物降解為小分子，以提高發(fā)酵效率。目前使用較多的預處理方法有稀酸預處理、酶解法和水熱預處理等［17］。

經預處理后的微藻生物質可通過酵母等微生物發(fā)酵產生乙醇。所選菌株一般篩選于多糖類生產企業(yè)的排放污水或污泥，或通過基因工程技術進行改良。Yoon等［18］利用從瓊脂生產工廠污泥中篩選出的一種半乳糖降解酵母菌株S.cerevisiae9號對預處理后的Gelidium corneum藻抽提物進行發(fā)酵處理，經過96 h發(fā)酵后獲得4.58%（w）的乙醇；并指出對微藻抽提物中的主要成分——半乳糖進行酶糖化后，會減少呋喃、羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物的產生，從而提高乙醇的生產效率。

除釀酒酵母外，還可利用大腸桿菌對微藻預處理藻渣進行發(fā)酵。Cheng等［19］發(fā)現(xiàn)Chlorella variabilis NC64A可以在氮限制條件下積累碳水化合物；對經病毒感染和酶水解聯(lián)合預處理后的藻渣，利用E.coli KO11進行發(fā)酵，生物乙醇最大產率為0.32 g/g。Kim等［20］利用釀酒酵母S.cerevisiae、重組大腸桿菌E.Coli KO11、整合Z.mobilis產乙醇基因和pflB基因的E.Coli B對4種水生植物（Ulvalactuca，Gelidium amansii，Laminaria japonica，Sargassum fulvellum）的預處理產物進行發(fā)酵處理，發(fā)現(xiàn)Laminaria japonica經酸解后再酶解處理，利用重組大腸桿菌E.Coli KO11 發(fā)酵得到的生物乙醇的產率最大，為0.4 g/g。這是因為E.Coli KO11 可利用水解產物中含量較多的甘露醇生產生物乙醇。

利用微藻糖類發(fā)酵生產生物乙醇的主要突破點包括以下3點：1）篩選或改造優(yōu)勢藻種、優(yōu)化培養(yǎng)條件，使其能大量積累糖類，尤其是可酵解糖類，因為有很多糖類無法被酵母菌等代謝（如木糖等五碳糖）；2）優(yōu)化預處理方法，使糖類得到充分釋放和回收，并對糖類進行初步分解，提高發(fā)酵效率；3）選擇合適的發(fā)酵菌株，使微藻糖類抽提物能得到充分發(fā)酵，提高乙醇產率。

2.2 生物柴油

生物柴油來自于動植物油脂與醇進行酯交換反應獲得的脂肪酸單烷基酯（如脂肪酸甲酯）。與傳統(tǒng)化石柴油相比，生物柴油的燃燒性能更好、基本不含硫和芳烴、閃點高、十六烷值和含氧量高、具有較好的發(fā)動機氣動功能等，可部分添加到化石柴油中。動植物油脂的獲得主要來源于大豆油、菜籽油、微藻油脂或餐飲廢油等，微藻油脂的利用可有效解決生物柴油生產過程中對食物和耕地產生的競爭。

微藻經培養(yǎng)得到大量藻粉，藻粉經采收、烘干、細胞壁破碎后，利用有機溶劑萃取、索式提取、超臨界萃取等技術對微藻油脂進行富集［21］。富集得到的微藻油脂與醇（甲醇或乙醇）發(fā)生酯交換反應制備生物柴油。為加快反應速率、提高油脂轉化效率，需在反應體系中加入適當催化劑。依據(jù)催化劑的不同，可將酯交換過程分為均相催化酯交換法、非均相催化酯交換法、生物催化酯交換法和非催化酯交換法［22］。

均相催化劑的使用會產生大量廢酸（堿）水，而且具有不可重復利用、易引起皂化反應等缺點，因此其應用受到很大限制。非均相催化酯交換法將反應物與催化劑分開，能提高催化劑的使用效率、降低生產成本。非均相催化劑包括固體堿和固體酸催化劑兩大類。生物酶是一類環(huán)境友好型催化劑，可催化酯交換反應的進行。Huang等［23］利用重組酵母菌產生脂肪酶GH2，在正己烷體系等適當條件下催化Chlorella vulgaris油脂與甲醇（乙醇）的酯交換反應，24 h后脂肪酸甲酯（乙酯）的收率均在90%以上。非催化酯交換法是在超臨界甲醇/乙醇體系下生產生物柴油。Nan等［24］優(yōu)化了微藻經非催化酯交換法生產生物柴油的反應條件，在320 ℃、15.2 MPa、醇油比為19∶1、7.5%（w）水的條件下反應31 min，脂肪酸甲酯收率最高，為90.8%；在340℃、17.0 MPa、醇油比為33∶1、7.5%（w）水的條件下反應35 min，脂肪酸乙酯收率最高，為87.8%。

利用微藻油脂制取生物柴油的關鍵是使油脂得到大量富集，其中，篩選和培育富油藻種、控制培養(yǎng)條件是兩個有效的途徑。通過基因改造培育“工程微藻”可使油脂得到大量積累，微藻油脂的主要成分甘油三酯（TAG）的合成需要多種酶的參與，其中，乙酰輔酶A羧化酶是其合成途徑中的限速酶，其表達量的增加可加速TAG的合成和積累。通過限制某些營養(yǎng)成分、添加微量元素等培養(yǎng)條件也可以實現(xiàn)油脂的大量積累［3，21］。提高生物柴油收率的另一個途徑是選擇和設計合適的催化劑、優(yōu)化油脂轉化技術和工藝，以縮短反應時間、提高轉化效率。

2.3 生物油

生物油是將生物質通過熱化學轉化技術得到的液體產物，制備生物油最常用的熱化學轉化技術有常壓熱解液化和加壓液化。常壓熱解液化是在常壓下，以特定的升溫速率達到預定溫度并停留一定時間，經冷凝裝置最大限度地獲得液體產物的過程。按升溫速率不同，熱解過程可分為閃速熱解、快速熱解和慢速熱解?？焖贌峤鈱υO備要求較高，液體收率高；慢速熱解的液體收率較低，但對設備要求較低。如通過快速熱解Chlorella vulgaris可獲得72%的生物油［25］；而通過慢速熱解Spirulina sp.僅獲得46%的生物油［26］。高壓液化是在溶劑存在下，通過選擇適當?shù)姆磻獪囟?、壓強、停留時間等條件制備液體燃料的技術。選擇水為溶劑，即水熱液化法，可避免其他溶劑對產物或環(huán)境造成影響，同時降低藻粉干燥過程中的能量消耗［27］。

通過直接熱化學轉化獲得的生物油品質較低，主要表現(xiàn)在含氧量和水含量高、熱值低等。為提高其品質，常采用催化加氫、催化裂解、乳化、催化酯化、水蒸氣重整、萃取和膜分離等技術［28］對其進行精制。精制過程中主要發(fā)生以下變化：氧元素以CO2，CO，H2O的形式去除，氫元素通過加入的方式提高，特定成分通過萃取或膜分離技術富集，化學鍵斷裂發(fā)生特定重整等。精制后的生物油含氧量降低、碳和氫元素含量增高、熱值增大、芳烴等期望化合物的含量增加。

通過熱化學轉化技術由微藻制備生物油的主要突破點包括以下3方面：1）優(yōu)化熱化學轉化途徑，即設計適宜的熱化學反應器、優(yōu)化反應條件；2）設計和生產工廠使用的熱化學轉化裝置，以用于工業(yè)化生產生物油；3）設計和優(yōu)化生物油提質工藝，制備高品質生物油等。

2.4 生物燃氣

利用微藻生物質制備生物燃氣的方法包括微生物發(fā)酵產沼氣和H2，光合作用產H2和熱化學轉化產可燃氣體等。

微藻細胞內含大量的有機成分，通過厭氧發(fā)酵經水解、酸化和產甲烷3個階段產生以CH4為主的沼氣，其中，涉及到纖維素分解菌、蛋白質水解菌、醋酸菌、產甲烷菌等多種微生物。其中，產酸階段伴隨著H2的釋放，產甲烷菌可利用H2將CO2還原成CH4［29］。對微藻生物質的預處理可以改變產氣成分和含量，如去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4產率高于全組分藻粉，因為在某些組分去除時破壞了細胞壁的結構、增加了有機質的水解［30］。但在油脂提取過程中，有機溶劑的用量過大會影響產沼氣微生物的生長和活性，如H2和CH4的產量會隨三氯甲烷含量的增加而降低［29］。

微藻光合作用產氫的原理：光合作用系統(tǒng)Ⅱ光解水釋放的電子或機體中有機物分解產生的電子，經類囊體膜上的電子傳遞體傳遞給產氫相關的酶類，還原質子產生H2［31］。微藻光合作用產氫受多種因素影響，如微藻藻株、光的波長和強度、培養(yǎng)體系含氧量等［32］。藻株的選擇直接決定產氫效果，光照強度適度增加會提高產氫效率，體系中含氧量過高會使相關產氫酶的活性受到抑制以至失活。

常用熱化學轉化制備生物燃氣的方法有熱解氣化和水熱氣化等。熱解氣化是在無氧條件下，利用較高的溫度（800～900 ℃）直接對微藻進行熱轉化處理，在此過程中常加入適宜的催化劑，以獲得含大量H2和CO的熱解氣體。水熱氣化技術是在超臨界水體系下，將含水量較高的生物質直接轉化為清潔燃氣，在微藻氣化研究中越來越受關注。Sanchez-Silva等［33］通過控制條件將Nannochloropsis gaditana進行水熱液化，可獲得約含50%（φ）H2和35%（φ）CO的可燃氣體。在反應體系中加入適當催化劑可以改變產物品質，提高H2等理想組分的比例。

此外，微藻還被用于與其他生物質或煤炭共氣化。微藻生物質中含有大量堿金屬化合物，能對其他生物質或煤產生催化裂解作用，以提高熱解產物的質量和產量。如在藍桉樹（Eucalyptus globulus）生物質中加入適量鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）能提高CH4和H2的比例［34］。

微藻轉化為生物燃氣有多種工藝路徑和設備，利用微生物發(fā)酵生產生物燃氣對設備的要求較低，反應條件較溫和，但反應時間較長，工作效率不高；采用熱化學轉化技術可在較短時間內對微藻進行氣化處理，但對設備要求較高，生產成本也相對較高。

3 微藻的綜合化利用

廢氣、廢水培養(yǎng)微藻制備生物燃料是微藻在環(huán)境和能源領域綜合化利用的典型工藝，該工藝路線（見圖1）的實施與應用主要從以下幾方面入手：

1）篩選和培育優(yōu)勢藻種和菌株。藻種是運行整套工藝的最基本條件，用于發(fā)酵的微生物菌株直接影響生物質能轉化的效率。選育藻種（菌株）的方法包括從自然界直接選育和通過人工誘變選育等，尤其是基因工程技術的應用，使定向選育藻種（菌株）成為可能。

2）控制培養(yǎng)條件，實現(xiàn)特定組分的積累。通過控制微藻的培養(yǎng)條件，可實現(xiàn)某些組分的大量富集，為下一步工藝的進行提供基礎。

3）微藻大規(guī)模培養(yǎng)反應器的設計。利用廢氣、廢水大規(guī)模培養(yǎng)微藻反應器的設計遵循的原則是提高CO2固定效率和污水凈化能力、降低微藻貼壁生長程度以實現(xiàn)生物質的大量富集等。

4）廢氣、廢水的預處理。煙道廢氣攜帶大量熱量，直接排放到大氣中會造成能源的浪費，因此可將其接入到微藻干燥系統(tǒng)中，對藻粉進行干燥處理。廢水可作為熱化學轉化系統(tǒng)中的冷卻水使用，減少水資源的浪費。

5）特定組分提取工藝的優(yōu)化。微藻主要由蛋白質類、糖類和脂類組成，通過優(yōu)化其提取工藝，可降低生產成本、減小環(huán)境污染、利于生物質能源的轉化。

6）生物質能源轉化條件的優(yōu)化。該轉化體系包括光合作用產氫系統(tǒng)、酯交換系統(tǒng)、微生物發(fā)酵系統(tǒng)、熱化學轉化系統(tǒng)等，優(yōu)化其轉化條件，可獲得產量高、品質好的生物燃料。

利用微藻的獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)環(huán)境保護和生物質能源轉化的緊密連接，可在一定程度上緩解環(huán)境污染和能源危機給社會可持續(xù)發(fā)展帶來的雙重壓力。

圖1 能源微藻綜合化利用工藝路線Fig.1 Process of microalgae comprehensive utilization.

4 結語

制約微藻在能源領域利用的最主要因素是成本過高、技術水平單一等。利用煙道廢氣、市政污水培養(yǎng)微藻在實驗室水平上已獲得成功，而微藻通過生物質能轉化技術可高效轉化為生物燃料。將兩種技術耦合利用，可有效降低微藻的培養(yǎng)成本、減少環(huán)境污染、緩解能源危機。

微藻綜合化利用技術已擁有扎實的理論基礎，實驗室級別的工藝和設備的放大成為最急需解決的難題。放大過程中會伴隨著多種參數(shù)的改變，影響工藝路線的進行，因此在今后的研究中應側重于工藝及設備的放大，以利于工業(yè)化應用和生產。

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