微藻油脂制備生物柴油上游工藝的研究現(xiàn)狀及展望

田興國 杜 偉 劉德華

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084）

微藻油脂制備生物柴油上游工藝的研究現(xiàn)狀及展望

田興國 杜 偉 劉德華

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084）

田興國，清華大學(xué)化學(xué)工程系碩士研究生，主要從事酶促微藻油脂制備生物柴油的研究。

E-mail:thutxgll@163.com

微藻具有生長周期短、含油量高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具前景的生物柴油大宗原料。微藻的培養(yǎng)、微藻細(xì)胞的破碎以及微藻油脂的提取不僅是微藻油脂上游制備階段的主要工序，也是影響整個(gè)生產(chǎn)工藝的成本、效率的重要因素。文章綜述了以上3個(gè)工序目前在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對各工藝今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步提高微藻生物柴油的經(jīng)濟(jì)性提出了建議。

能源燃料是科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展的基本驅(qū)動(dòng)力，就目前而言，石化能源（如石油、天然氣和煤炭）仍然是人類獲取能源的主要途徑。近期大量研究表明，全球已探明的常規(guī)化石能源儲(chǔ)量，最多能維持一至兩個(gè)世紀(jì)人類生存發(fā)展的需求，同時(shí)化石能源燃燒所產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等有毒氣體以及可吸入顆粒物等已經(jīng)對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，因此隨著生態(tài)環(huán)境污染的日益加劇和全球石化能源的日漸枯竭，開發(fā)一種新的清潔、可再生能源勢在必行，這也成為人類擺脫這些困境的重要舉措。生物柴油作為一種以生物油脂為原料的生物質(zhì)能，在微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)等方面都與石化柴油比較接近，甚至具有更好的燃燒性能，因此被認(rèn)為是一種可以替代石化柴油的可再生能源。

生物柴油的原料廣泛，大多數(shù)生物體產(chǎn)生的甘油三酯，如各種植物油脂（大豆油、棕櫚油等）以及廢棄油脂（地溝油、酸化油等）均可用于生物柴油的生產(chǎn)。但大規(guī)模生產(chǎn)以植物油脂為原料的生物柴油會(huì)產(chǎn)生“與民爭油、與糧爭地”的問題，且廢棄油脂很難保證長期穩(wěn)定的原料供應(yīng)，因此其大規(guī)模生產(chǎn)受到了多方面的限制。近年來的研究表明，一些微藻可以將其光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為油脂儲(chǔ)存在細(xì)胞質(zhì)中，該油脂與高等植物油相似，都屬于甘油三酯，可以加工轉(zhuǎn)化為含硫量、黏度及熔點(diǎn)較低的酯類，如脂肪酸甲酯（C14～C22），即生物柴油。微藻可以有效利用太陽能，將H2O、CO2和無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)資源，具有光合效率高、零凈碳值、易培養(yǎng)、生長周期短等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)影響全球能源分配，因此其產(chǎn)出的油脂被用作生物柴油的新原料在近年來受到了廣泛關(guān)注。

表1　部分微藻含油量

以甘油三酯為原料制備生物柴油的方法研究已經(jīng)有很多，其轉(zhuǎn)化工藝已經(jīng)較為成熟，因此以微藻油脂為原料的生物柴油生產(chǎn)的瓶頸主要在于微藻油脂生產(chǎn)的上游工藝的開發(fā)，即微藻油脂的生產(chǎn)及提取工藝。微藻的生產(chǎn)及提取工藝主要分為3個(gè)部分，微藻的培養(yǎng)工藝、微藻細(xì)胞的破碎以及油脂的提取。本文將結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分別這3個(gè)部分進(jìn)行討論，并提出今后可能的研發(fā)方向。

1　微藻的培養(yǎng)工藝

?

SCHENK P M, THOMAS-HALL S R, STEPHENS E, et al. Second generation biofuels: high-efficiency microalgae for biodiesel production. Bioenergy Research, 2008, 1(1): 20-43.

?

DEMIRBAS A. Biofuels securing the planet’s future energy needs. Energy Conversion and Management, 2009, 50(9): 2239-2249.

?

姚茹, 程麗華, 徐新華, 等. 微藻的高油脂化技術(shù)研究進(jìn)展. 化學(xué)進(jìn)展, 2010, 06: 1221-1232.

?

鄭洪立, 張齊, 馬小琛, 等. 產(chǎn)生物柴油微藻培養(yǎng)研究進(jìn)展. 中國生物工程雜志, 2009, 03: 110-116.

?

MOHEIMANI N R, BOROWITZKA M A. The long-term culture of the coccolithophore Pleurochrysis carterae (Haptophyta) in outdoor raceway ponds. Journal of Applied Phycology, 2006, 18(6): 703-712.

?

ZITTELLI G C, RODOLFI L, BIONDI N, et al. Productivity and photosynthetic efficiency of outdoor cultures of Tetraselmis suecica in annular columns. Aquaculture, 2006, 261(3): 932-943.

?

CHIU S Y, KAO C Y, TSAI M T, et al. Lipid accumulation and CO2utilization of Nannochloropsis oculata in response to CO2aeration. Bioresource Technology, 2009, 100(2): 833-838.

?

張栩, 戢涌騁, 周百成. 氣升式藻類光生物反應(yīng)器的應(yīng)用研究. 海洋科學(xué), 2000, 05: 14-17.

?

SUN N, WANG Y, LI Y T, et al. Sugarbased growth, astaxanthin accumulation and carotenogenic transcription of heterotrophic Chlorella zofingiensis (Chlorophyta). Process Biochemistry, 2008, 43(11): 1288-1292.

目前在國內(nèi)外已有報(bào)道的能源微藻主要是硅藻、綠藻和部分藍(lán)藻，這是因?yàn)楣柙搴途G藻中碳源主要以油脂的形式儲(chǔ)存，經(jīng)過比較簡單的酯交換反應(yīng)便可以轉(zhuǎn)化為生物柴油，而且有些藻類的油脂含量可以高達(dá)其細(xì)胞干重的70%以上（表1），有些藻類，如小球藻因易于培養(yǎng)，是比較理想的能源微藻資源，這些藻類都具有極高的應(yīng)用價(jià)值。需要指出的是，不同的藻種，即使是同一藻種因生長環(huán)境等因素的不同，其油脂含量也有很大差異，不同培養(yǎng)條件對微藻光合效率和油脂含量都有重要影響。根據(jù)微藻自身的營養(yǎng)特點(diǎn)及是否需要外界提供有機(jī)物來維持生活將其人工培養(yǎng)工藝分為自養(yǎng)和異養(yǎng)2種方式。

?

LIANG Y, SARKANY N, CUI Y, et al. Use of sweet sorghum juice for lipid production by Schizochytrium limacinum SR21. Bioresource Technology, 2010, 101(10): 3623-3627.

?

SAMARASINGHE N, FERNANDO S, LACEY R, et al. Algal cell rupture using high pressure homogenization as a prelude to oil extraction. Renewable Energy, 2012, 48: 300-308.

?

王雪青, 苗惠, 翟燕. 微藻細(xì)胞破碎方法的研究. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 01: 21-25.

?

陳偉平, 陳必鏈, 張艷燕. 三種微藻細(xì)胞破碎方法的比較. 生物技術(shù), 2008, 01: 55-58.

?

孔凡敏, 趙祥穎, 田延軍, 等. 酸熱法提取酵母油脂條件的研究. 中國釀造, 2010, 05: 143-146.

?

王松梅, 關(guān)鼎耀, 杜偉, 等. 甲酸處理對微藻油脂提取的影響. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2015, 03: 499-504.

?

何擴(kuò), 張秀媛, 李玉鋒. 小球藻破壁技術(shù)及其藻片研制. 食品工業(yè)科技, 2006, 02: 147-148, 151.

?

CHOI S P, NGUYEN M T, SIM S J. Enzymatic pretreatment of Chlamydomonas reinhardtii biomass for ethanol production. Bioresource Technology, 2010, 101(14): 5330-5336.

?

SONI B, KALAVADIA B, TRIVEDI U, et al. Extraction, purification and characterization of phycocyanin from Oscillatoria quadripunctulata-Isolated from the rocky shores of Bet-Dwarka, Gujarat, India. Process Biochemistry, 2006, 41(9): 2017-2023.

1.1微藻自養(yǎng)培養(yǎng)

微藻自養(yǎng)培養(yǎng)主要在光生物反應(yīng)器中進(jìn)行。光生物反應(yīng)器是培養(yǎng)微藻的一類裝置，其結(jié)構(gòu)與一般的生物反應(yīng)器相似，是有光、溫度、溶解氧和pH等培養(yǎng)條件的調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)。目前已經(jīng)報(bào)道的光生物反應(yīng)器有很多種，主要有開放式跑道池和密閉式光生物反應(yīng)器兩類。

開放式跑道池系統(tǒng)為閉合的環(huán)形跑道，通常池底較淺以保證較好的透光性，同時(shí)采用輪槳使培養(yǎng)液流動(dòng)，在彎道處有擋板引流，在輪槳前順著液流投入藻種和營養(yǎng)物，經(jīng)過循環(huán)后在輪槳后收獲藻體，這一類培養(yǎng)方法是螺旋藻和小球藻等少數(shù)微藻進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)常用的方法。Moheimani等用跑道池長期半連續(xù)培養(yǎng)微藻Pleurochrysis carterae，生物質(zhì)產(chǎn)率為0.19g（/L·d），含油量為33%。但由于很多微藻不抗雜菌或抵抗雜菌的能力比較弱，開放式跑道池培養(yǎng)系統(tǒng)的發(fā)展受到了很大限制。

常見的密閉式光生物反應(yīng)器有平板式、管式和垂直柱式3種，其中平板式與管式為比較傳統(tǒng)的光生物反應(yīng)器類型。

管式光生物反應(yīng)器的材料主要有聚乙烯薄膜袋、硬質(zhì)塑料、透光性好的玻璃、有機(jī)玻璃等，除聚乙烯薄膜袋外，其余材料均可通過設(shè)計(jì)做成不同類型的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)管式光生物反應(yīng)器是將主體制成平行排列且彼此相通的管狀結(jié)構(gòu)，使藻體接受光照并快速生長，主體上連接有柱形排氣裝置，用于添加新鮮培養(yǎng)液，并與氣泵連接起到換氣的作用。這類反應(yīng)器具有較大的光照面積，可以較低的成本培養(yǎng)得到較高產(chǎn)率的微藻，但管式光生物反應(yīng)器往往會(huì)出現(xiàn)pH梯度以及貼壁生長的現(xiàn)象，在一定程度上降低了培養(yǎng)效果。

與管式光生物反應(yīng)器相比，板式光生物反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上具有較大甚至更大的體積、比表面積，有機(jī)玻璃、聚乙烯薄膜袋等具有較強(qiáng)的透光性的材料，在板式光生物反應(yīng)器材料采用上同樣受到青睞。同時(shí)，板式光生物反應(yīng)器氣液混合高，也可以獲得較高的生物質(zhì)濃度和生物產(chǎn)率，但其在大規(guī)模生產(chǎn)中往往需要大量的支撐材料，因此設(shè)備的成本是產(chǎn)業(yè)化考慮的主要因素，同時(shí)這類反應(yīng)器也存在貼壁生長的現(xiàn)象。

垂直柱式光生物反應(yīng)器有混合效果好、單位體積氣體傳遞速率高以及培養(yǎng)條件易于控制等優(yōu)勢，克服了前兩種反應(yīng)器存在的貼壁生長問題，是一種比較理想的光生物反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)為垂直排列且彼此相通的柱狀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)氣液混合方式的不同分為鼓泡式和氣升式兩種。Chiu等用柱式反應(yīng)器半連續(xù)培養(yǎng)微藻Nannochloropsis oculata，鼓泡式通氣，生物質(zhì)產(chǎn)率和脂產(chǎn)率分別達(dá)到0.497g（/L·d）和0.151g（/L·d）；張栩等用100L外照人工光源、內(nèi)導(dǎo)流氣升式反應(yīng)器培養(yǎng)微藻Chlorella sp.，藻產(chǎn)率達(dá)0.2134g/（L·d）。與前述的兩種光生物反應(yīng)器相比，垂直柱式光生物反應(yīng)器的光照面積相對較小，有效地避免了過高的光照強(qiáng)度導(dǎo)致的光抑制和光致氧化現(xiàn)象，但隨著微藻培養(yǎng)規(guī)模的放大化，其光照面積也會(huì)隨之更小，嚴(yán)重降低培養(yǎng)效果，因此應(yīng)選擇透光性更好的材料用于反應(yīng)器的制造。

1.2微藻異養(yǎng)培養(yǎng)

一部分產(chǎn)油微藻可以通過代謝調(diào)控使其培養(yǎng)方式由自養(yǎng)轉(zhuǎn)為異養(yǎng)，培養(yǎng)不受光照的影響，生長較快，可以取得更高的產(chǎn)量并縮短培養(yǎng)周期，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近百種微藻可以進(jìn)行異養(yǎng)生長。微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)一般是發(fā)酵，培養(yǎng)基是在自養(yǎng)培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上適量添加有機(jī)物改進(jìn)后得到，不同微藻所需的有機(jī)物有所差異，其中添加葡萄糖的最多，且能夠提高產(chǎn)量，但葡萄糖并不一定是最好的碳源，有研究表明葡萄糖、甘露糖、果糖、蔗糖、半乳糖和乳糖都能不同程度地促進(jìn)微藻Chlorella zofi ngiensis的藻體生長和蝦青素的生物合成。碳源的供給往往在微藻異養(yǎng)培養(yǎng)的成本中占很大的比例，因此為降低發(fā)酵的成本，一些廉價(jià)的、粗制的碳源被用于微藻的發(fā)酵，其中生物柴油的副產(chǎn)品粗甘油被認(rèn)為是用于替代葡萄糖的一種很好的碳源。Liang等以堿催化制備生物柴油時(shí)得到的粗甘油為碳源進(jìn)行微藻Schizochytrium limacinum SR21的發(fā)酵培養(yǎng)，通過對粗甘油pH調(diào)節(jié)等預(yù)處理可以得到與以純甘油為碳源相近的發(fā)酵效果。但粗甘油中通常含有較多的甲醇，因此需對粗甘油的添加量進(jìn)行控制，避免高濃度甲醇影響藻體的生長。

￢

BYREDDY A R, GUPTA A, BARROW C J, et al. Comparison of cell disruption methods for improving lipid extraction from thraustochytrid strains. Marine Drugs, 2015, 13(8): 5111-5127.

￡

BLIGH E G, DYER W J. A rapid method of total lipid extraction and purification. Canadian Journal of Biochemistry and Physiology, 1959, 37(8): 911-917.

￠

COONEY M, YOUNG G, NAGLE N. Extraction of bio-oils from microalgae. Separation & Purification Reviews, 2009, 38(4): 291-325.

?

Mulbry W, Kondrad S, Buyer J, et al. Optimization of an oil extraction process for algae from the treatment of manure effluent. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 2009, 86(9): 909-915.

?

CARTENS M, GRIMA E M, MEDINA A R, et al. Eicosapentaenoic acid (20∶5n-3) from the marine microalga Phaeodactylum tricornutum. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 1996, 73(8): 1025-1031.

?

劉憲夫, 孫利芹, 王長海. 小球藻油脂不同提取方法的比較. 食品研究與開發(fā), 2014, 03: 18-22.

?

COUTO R M, SIM?ES P C, REIS A, et al. Supercritical fluid extraction of lipids from the heterotrophic microalga Crypthecodinium cohnii. Engineering in Life Sciences, 2010, 10(2): 158-164.

?

KLEINEGRIS D M M, JANSSEN M, BRANDENBURG W A, et al. Two-phase systems: potential for in situ extraction of microalgal products. Biotechnology Advances, 2011, 29(5): 502-507.

?

張芳, 程麗華, 徐新華, 等. 能源微藻采收及油脂提取技術(shù). 化學(xué)進(jìn)展, 2012, 10:2062-2072.

微藻能否進(jìn)行異養(yǎng)最主要的因素是該藻種是否具備完善的吸收、利用胞外有機(jī)碳和有機(jī)氮的機(jī)制。大多數(shù)微藻無法進(jìn)行異養(yǎng)培養(yǎng)主要是以下3個(gè)方面機(jī)制的缺乏：有機(jī)物通透性障礙；相關(guān)酶的缺乏；呼吸作用所提供的能量不足以維持其生長。但通過在異養(yǎng)培養(yǎng)條件下對微藻進(jìn)行篩選或利用生物工程的手段對微藻進(jìn)行異養(yǎng)化改造可以獲得能夠異養(yǎng)化的藻種，然后通過對發(fā)酵條件的優(yōu)化即可以實(shí)現(xiàn)異養(yǎng)微藻大規(guī)模的生產(chǎn)。

與自養(yǎng)相比，異養(yǎng)生長速率快、無需光照、產(chǎn)量高、培養(yǎng)周期短，但異養(yǎng)培養(yǎng)微藻來生產(chǎn)生物柴油能耗高、生產(chǎn)成本高，而且還會(huì)增加CO2的排放，因此目前異養(yǎng)培養(yǎng)主要是用于生產(chǎn)高附加值脂肪酸。

2　微藻細(xì)胞的破碎

將產(chǎn)油微藻進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)后需要提取微藻細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的油脂，但由于大部分微藻細(xì)胞都存在細(xì)胞壁，因此在提取前常常需要對細(xì)胞進(jìn)行破碎處理，以加快油脂的釋放，這是影響上游工藝的效率和成本的重要因素。傳統(tǒng)的微藻細(xì)胞破碎方法主要分為機(jī)械破碎法和非機(jī)械破碎法。

2.1機(jī)械破碎法

機(jī)械破碎法主要是通過機(jī)械外力的作用破壞細(xì)胞壁的完整結(jié)構(gòu)，從而使細(xì)胞破碎，胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)入外部環(huán)境。常見的機(jī)械破碎法包括高壓勻漿破碎法、超聲破碎法及球磨法等。

高壓勻漿破碎法是大規(guī)模破碎細(xì)胞的常用方法，破碎過程在高壓勻漿器中進(jìn)行。首先應(yīng)用高壓使細(xì)胞懸浮液通過針型閥，利用突然減壓和高速?zèng)_擊撞擊環(huán)使細(xì)胞破碎，細(xì)胞懸浮液自高壓室針型閥噴出時(shí)每秒速度可達(dá)幾百米，高速噴出的漿液打到撞擊環(huán)上被迫改變方向從出口管流出，在這一過程細(xì)胞經(jīng)歷了剪切、撞擊以及由高壓到低壓的變化，從而使細(xì)胞破碎。Samarasinghe等研究了高壓勻漿法在不同的條件下對微藻N. oculata的破碎效果，發(fā)現(xiàn)噴嘴兩端的壓力差以及破碎的次數(shù)是影響其破碎結(jié)果最主要的因素，且在4×1 04p s i（1psi=6894.76Pa）壓力和100μm的針型閥孔徑條件下，經(jīng)過6次破碎，細(xì)胞只有約1%未被破碎。高壓勻漿法適用范圍廣、效率高，但在高壓條件下經(jīng)過多次勻漿破碎后會(huì)導(dǎo)致體系嚴(yán)重乳化，提高了后續(xù)分離工藝的難度。

目前用于細(xì)胞破碎的超聲波儀器主要有超聲波振蕩器以及超聲波粉碎機(jī)等，其優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)、損失樣品量少，可用于處理大量的樣品。王雪青等研究了超聲破碎對17種微藻液的處理效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過12min的超聲處理后，17種微藻液均能夠達(dá)到90%以上的破碎效果，且不同的藻種對超聲的敏感性不同，如牟氏角毛藻、甲藻超聲處理僅需0.7min，細(xì)胞破碎率就達(dá)到95%，而對于小球藻、衣藻和桿狀藻，細(xì)胞處理時(shí)間需要12min以上才能達(dá)到90%以上的破碎率，這表明不同藻種自身的結(jié)構(gòu)特性決定了其對超聲的敏感性。由于超聲破碎法的不斷發(fā)展以及改進(jìn)，目前在生物生產(chǎn)中是最為常用的破碎方法之一，但處理過程的成本較高，同時(shí)易引起溫度劇烈上升導(dǎo)致聲能傳遞和散熱困難，產(chǎn)生的化學(xué)自由基團(tuán)易使產(chǎn)物失活，也影響了其在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。

球磨法是一種比較有效的細(xì)胞物理破碎法，其主要利用固體間研磨剪切力和撞擊使細(xì)胞破碎。球磨機(jī)的主體一般是立式或臥式的圓筒形腔體，在磨腔中裝有鋼珠或者小玻璃珠以提高研磨能力。陳偉平等模擬球磨機(jī)的工作原理研究了球磨法對紫球藻、薔薇藻和念珠藻3種微藻藻液的處理效果，發(fā)現(xiàn)加入玻璃珠后處理的效果比沒有加入玻璃珠處理并沒有明顯的提升。因此雖然球磨法的處理成本較低，但其有效利用率很低，同時(shí)破碎過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，還需考慮換熱問題，相比而言使用球磨法進(jìn)行微藻細(xì)胞破碎并不是十分理想。

采用機(jī)械破碎法破碎微藻細(xì)胞一般不會(huì)向體系中引入其他的雜質(zhì)，但大多數(shù)處理方法的油脂得率相對較低且不具有普遍適用性，而破碎效果稍好的超聲破碎法的成本又比較高，因此目前對非機(jī)械破碎法破碎微藻細(xì)胞的研究較多。

2.2非機(jī)械破碎法

非機(jī)械破碎法指所有不通過機(jī)械外力的作用來破壞細(xì)胞壁及細(xì)胞膜完整結(jié)構(gòu)的細(xì)胞破碎方法，這種方法主要有兩種途徑，一種是向藻液中加入化學(xué)試劑或者生物酶，從而增大細(xì)胞膜的通透性使胞內(nèi)產(chǎn)物容易釋放到外環(huán)境中，或者與細(xì)胞壁發(fā)生反應(yīng)將細(xì)胞壁溶解使胞內(nèi)產(chǎn)物釋放；另一種途徑是通過調(diào)節(jié)外部環(huán)境的滲透壓等條件使得細(xì)胞發(fā)生膨脹，最終導(dǎo)致細(xì)胞破裂，胞內(nèi)物質(zhì)釋放，通過這一類途徑實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞破碎的方法有反復(fù)凍融法、滲透壓沖擊法。

微藻細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)骨架多由纖維素組成，以微纖絲的方式層狀排列，因此有應(yīng)用纖維素酶處理微藻細(xì)胞，使得細(xì)胞壁溶解然后進(jìn)一步提取的研究；微藻細(xì)胞中通常還含有一些多糖，因此也有利用纖維素酶與糖化酶等多種酶一起處理微藻細(xì)胞的研究。何擴(kuò)等在小球藻破壁技術(shù)的研究中經(jīng)過對工藝的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在纖維素酶單獨(dú)作用時(shí)最佳酶量為2%，若采用復(fù)合酶作用時(shí)其最佳酶量為1%，但使用纖維素酶單獨(dú)作用處理效果更好。Choi等采取分步加酶進(jìn)行細(xì)胞裂解，避免了不同酶同時(shí)加入產(chǎn)生的相互作用，最終得出優(yōu)化工藝為液化階段添加0.005%的α-淀粉酶，90℃反應(yīng)30min，糖化階段添加0.2%糖化酶，在55℃、pH4.5的條件下反應(yīng)30min，得到了理想的結(jié)果。

用化學(xué)法及酶法進(jìn)行細(xì)胞破碎會(huì)向體系內(nèi)引入其他雜質(zhì)，在后續(xù)工藝中需要進(jìn)一步分離，相比而言，通過細(xì)胞膨脹破碎細(xì)胞不會(huì)向體系中引入其他雜質(zhì)，其中利用反復(fù)凍融法破碎微藻細(xì)胞的研究較多。反復(fù)凍融法是將紫球藻置于低溫環(huán)境中，使細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境中的絕大多數(shù)水形成冰晶，冰晶的形成產(chǎn)生了膨脹壓，導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械損傷，同時(shí)未發(fā)生凍結(jié)的胞內(nèi)殘存液由于在凍結(jié)過程中冰晶的析出使溶質(zhì)濃縮、滲透壓改變等，而溶解又會(huì)使細(xì)胞發(fā)生溶脹，最終使細(xì)胞破碎和死亡。王雪青等采用反復(fù)凍融法對17種微藻2次凍融，細(xì)胞破碎率在30%～90%，其中10種微藻的破碎率在95%以上，4種微藻在60%～80%，而紫球藻、小球藻和扁藻的細(xì)胞破碎率小于40%，因此需增加反復(fù)凍融的次數(shù)或者采用超聲波等其他輔助方法。Soni等采用反復(fù)凍融法提取Oscillatoria quadripunctulata藻膽蛋白，經(jīng)過4次凍融可以提取出胞內(nèi)大部分藻膽蛋白。

另一種通過細(xì)胞膨脹使其破碎的方法為滲透壓沖擊法，即先將細(xì)胞置于高滲溶液中，細(xì)胞發(fā)生收縮，然后將介質(zhì)快速稀釋或?qū)⒓?xì)胞轉(zhuǎn)入水（或緩沖液）中，細(xì)胞快速膨脹以致破裂，從而使產(chǎn)物釋放到溶液中。Byreddy等研究發(fā)現(xiàn)在Schizochytrium sp. S31和Thraustochytrium sp. AMCQS5-5的細(xì)胞破碎中，相比于球磨法等機(jī)械破碎方法，滲透壓沖擊法的油脂得率是其他方法的兩倍，分別為48.7%和29.1%。相比于機(jī)械方法，滲透壓沖擊法耗能低得多，且易于擴(kuò)大化，但弊端在于破碎耗時(shí)較長，廢棄鹽水處理困難。

通過機(jī)械破碎法與非機(jī)械破碎法實(shí)現(xiàn)微藻細(xì)胞的破碎各有利弊。機(jī)械破碎法與反復(fù)凍融法不會(huì)向體系中引入其他雜質(zhì)，但其細(xì)胞破碎率往往較低，不能達(dá)到完全破碎的效果；采用化學(xué)法與酶法破壞微藻細(xì)胞的細(xì)胞壁通常會(huì)有較高的破碎率，但會(huì)向體系中引入其他雜質(zhì)，需要在后續(xù)工藝中進(jìn)一步分離。同時(shí)，由于各種藻類細(xì)胞壁物理性質(zhì)及化學(xué)組成的差異，不同的藻種需采用不同的破碎工藝。

3　微藻油脂的提取

除微藻的培養(yǎng)與破碎外，對微藻細(xì)胞內(nèi)或破碎細(xì)胞壁后的藻液中油脂組分的提取也是微藻油脂制備生物柴油工藝中重要的環(huán)節(jié)，油脂提取的效果會(huì)顯著影響微藻油脂在后續(xù)的轉(zhuǎn)化工藝中的轉(zhuǎn)化效果，且不同的提取技術(shù)也會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)鏈的成本。目前研究較多的微藻油脂提取方法主要是有機(jī)溶劑萃取法、超臨界流體萃取法和原位油脂萃取法。

3.1有機(jī)溶劑萃取法

有機(jī)溶劑萃取法主要是利用油脂能夠溶于某些溶劑的特性，通過浸濕滲透、分子擴(kuò)散等將菌體細(xì)胞中的油脂提取出來，較為常用的有機(jī)溶劑是苯、丙酮、己烷、環(huán)己烷、乙醚等，這些溶劑對微藻油脂的提取效果較好，可以用單一或幾種溶劑混合物作為提取劑。目前Bligh和Dyer于1959年提出的甲醇/氯仿體系仍為最常用的微藻油脂提取方法。該方法基于“相似相溶”原理，當(dāng)藻體與甲醇/氯仿混合溶劑充分接觸時(shí)，甲醇作為極性溶劑與微藻細(xì)胞膜的極性脂結(jié)合，從而破壞脂質(zhì)與蛋白質(zhì)分子之間的氫鍵和靜電作用，使得溶劑氯仿進(jìn)入細(xì)胞并溶解胞內(nèi)疏水的中性脂成分，在充分萃取后向體系中加入水，甲醇即可溶于水，與含油脂的氯仿相分層，將氯仿?lián)]發(fā)后即可得到粗脂提取物，但因氯仿對人體有較大毒性，類似的低毒雙溶劑體系萃取法也有較多研究，如正己烷/異丙醇、正己烷/乙醇等。另外也有研究通過索氏提取法進(jìn)行微藻油脂的萃取，即利用有機(jī)溶劑在索氏提取器中的回流和虹吸，使微生物油脂不斷被萃取，這種方法相應(yīng)的油脂得率較高，但耗時(shí)長，需要加熱消耗能量大，因此在工業(yè)生產(chǎn)中采用該方法的成本較高。劉憲夫等研究不同提取方法對小球藻油脂得率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)索氏提取法中以無水乙醇作為溶劑進(jìn)行索氏提取得到的提取率（24.37%±0.21%）比氯仿/甲醇體系浸提（22.40%±0.89%）還要略高一點(diǎn)，但無水乙醇提取出的油脂中長鏈脂肪酸（C14～C22）比例不及氯仿/甲醇體系得到的油脂，相比而言氯仿/甲醇體系得到的油脂更適于生物柴油的生產(chǎn)。

3.2超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取是一種新興的油脂提取技術(shù)，其原理是當(dāng)流體的溫度和壓力超過其臨界值時(shí)，狀態(tài)介于氣態(tài)和液態(tài)之間，該狀態(tài)下流體同時(shí)具有氣體的擴(kuò)散傳質(zhì)性能和液體的溶解性能，因此對微藻油脂的提取效率要遠(yuǎn)高于普通的有機(jī)溶劑。這種方法可以避免產(chǎn)物發(fā)生氧化，不會(huì)破壞提取物，速度快，安全無污染，但需要專門的儀器設(shè)備，操作成本也較高。Couto等研究了在323K 、30MPa的條件下，用超臨界CO2萃取Crypthecodinium cohnii細(xì)胞質(zhì)內(nèi)油脂3h，油脂得率為14.6%，相比于Bligh-Dyer提取方法，超臨界CO2萃取法具有更高的選擇性，在該研究中幾乎50%的C22:6（DHA）可以被提取出來，且濃度可達(dá)到總脂肪酸的72%。應(yīng)用此方法萃取出的油脂，在回收時(shí)只需通過控制溫度與壓力使CO2恢復(fù)氣態(tài)即可分離得到油脂，不會(huì)引入其他物質(zhì)，但這種方法能耗大、經(jīng)濟(jì)性較差，不適合大宗化學(xué)品的提取，由于其較高的選擇性，通?？梢杂糜谝恍┕δ苄杂椭奶崛?。

圖1　原位萃取流程

3.3原位油脂萃取法

由于微藻培養(yǎng)得到的油脂濃度不高，因此對微藻依次進(jìn)行采收、破碎以及油脂提取的總能耗比較大，這也是微藻生物柴油工業(yè)化的瓶頸之一。有研究從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，將微藻采收與油脂提取進(jìn)行了過程集成，提出了原位油脂萃取的新型油脂提取工藝，其流程如圖1所示。原位萃取是指建立生物相容性有機(jī)溶劑與藻液共混的兩相體系，使目標(biāo)產(chǎn)物不斷萃取至溶劑相，同時(shí)藻細(xì)胞仍在不斷合成產(chǎn)物的模式，使微藻采收與產(chǎn)物提取過程集成從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)連續(xù)的過程。該法與傳統(tǒng)的方法相比，優(yōu)勢在于：①可以在常溫常壓下操作；②培養(yǎng)與提取同步進(jìn)行，無需藻體干燥；③解除產(chǎn)物抑制，提高油脂產(chǎn)量。張芳等以Botryococcus braunii為出發(fā)藻種，以十四烷為有機(jī)溶劑進(jìn)行原位油脂萃取，并引入有機(jī)材料的中空纖維膜作為介質(zhì)，提高溶劑在藻液中的分散效率，有效地增加了藻體與有機(jī)溶劑的接觸面積，經(jīng)過96h的連續(xù)處理后，油脂的萃取率為50.15%，細(xì)胞存活率為92%，可見該方法不僅有較高的優(yōu)質(zhì)萃取效率，還能在萃取過程中較好地保持藻細(xì)胞活性，使其繼續(xù)合成油脂。雖然該方法的處理規(guī)模目前還在實(shí)驗(yàn)室階段，但該方法具有理想的處理效果，同時(shí)也說明對整個(gè)微藻油脂提取工藝進(jìn)行集成優(yōu)化是降低成本、提高效率的有效途徑。

原位萃取從整個(gè)工藝上降低了能耗，為下游工藝減輕了負(fù)荷，并可以有效解除培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的產(chǎn)物抑制。但只有當(dāng)微藻可將產(chǎn)物及時(shí)排到胞外便于萃取時(shí)，才可將微藻培養(yǎng)與油脂萃取耦合起來，若所培養(yǎng)的微藻需要破碎后才能進(jìn)行油脂萃取時(shí)，油脂原位萃取則無法進(jìn)行，因此篩選并培養(yǎng)出適宜的藻種是解決這一問題的有效途徑。

4　展 望

能源問題已成為人類長期關(guān)注的問題，隨著微藻油脂研發(fā)技術(shù)的日益成熟化，以微藻油脂為原料制備生物柴油的新途徑將具有廣闊的應(yīng)用前景。目前該途徑尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其主要瓶頸在于減少微藻油脂上游制備階段的成本，因此尋找廉價(jià)、高效、可規(guī)模化的油脂制備工藝將可以大大促進(jìn)微藻油脂制備生物柴油的產(chǎn)業(yè)化。降低工藝成本主要可以從上游制備技術(shù)的3個(gè)部分進(jìn)行探索：①微藻培養(yǎng)技術(shù)主要應(yīng)從自養(yǎng)培養(yǎng)型出發(fā)，通過對生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高培養(yǎng)過程中的光能利用率、傳質(zhì)速率等，從而提高微藻油脂的產(chǎn)出速率；②微藻的破碎是上游工藝中耗能最高的，但由于微藻破碎不完全會(huì)直接導(dǎo)致原料大量的浪費(fèi)，應(yīng)當(dāng)考慮在盡可能高破碎率的前提下降低處理的工藝，如使用酸熱法工藝并在后續(xù)油脂純化工藝中將多種雜質(zhì)分離工藝耦合等；③油脂提取階段傳統(tǒng)的雙溶劑體系萃取法仍為主流的處理方法，效果也比較理想，可以借用原位油脂萃取法中提出的過程集成的思路，將上游的多個(gè)工藝集成實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的生產(chǎn)是降低成本的有效途徑。

10.3969/j.issn.1674-0319.2016.02.004