微藻生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)進展

王鵬翔 廖莎 師文靜 孫啟梅

摘 ?????要： 燃料乙醇是燃燒清潔的高辛烷值燃料，是可再生能源，也是優(yōu)良的燃油改善劑。微藻是一種高光合效率、高生物量產(chǎn)值的生物質(zhì)資源，部分微藻經(jīng)光合作用可在胞內(nèi)積累大量淀粉和纖維素，是制備燃料乙醇的良好原料。利用微藻生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇，對于緩解石油資源日益緊缺的現(xiàn)狀及解決一系列由溫室氣體引起的環(huán)境問題具有樂觀的應用前景。介紹了微藻作為生物質(zhì)供應的特性，綜述了國內(nèi)外對于微藻生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)進展、現(xiàn)存在問題及未來的發(fā)展前景。

關 ?鍵 ?詞：微藻;淀粉;燃料乙醇

中圖分類號：TQ 214 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1842-04

Abstract： Bioethanol is a clean-burning high-octane fuel， a renewable energy， and an outstanding fuel additive. As a biomass resource with high photosynthetic efficiency and productivity， some microalgae can accumulate starch and cellulose within cells， which can be regarded as a capable feedstock for bioethanol production. Bioethanol production by using microalgal biomass is a promising future of assuaging the increasing lack of oil resources and solving the environmental problems caused by greenhouse gases. In this paper， the characteristic of microalgae as a biomass resource was introduced， the technical progress of global bioethanol production by using microalgal biomass was discussed as well as the present problems and the future prospects.Key words： Microalgae; Starch; Bioethanol

近年來，隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展、工業(yè)化的推進、人口的不斷增長，世界對石油燃料的需求日漸增加。同時，由于石油基燃料的大量使用，大量的工業(yè)廢氣、溫室氣體被排放到大氣中，造成了一系列的環(huán)境問題，如溫室效應，霧霾等。因此，對于石油替換性燃料，高效可再生能源的研究已成為當前研究的熱點。乙醇作為燃料，具有燃燒過程清潔、辛烷值高、可再生使用等諸多優(yōu)勢，是目前技術(shù)研發(fā)的熱點。截止目前，已研發(fā)出兩代燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)。第一代燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)是指主要以小麥、玉米等糧食作物為原料，并作為主要技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)應用。第二代技術(shù)是以木質(zhì)纖維素質(zhì)為原料生產(chǎn)乙醇?；谖覈鴩?，燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)必須由糧食原料向非糧食原料轉(zhuǎn)化。微藻相比于其它植物，其光合作用效率更大、單位面積生物量產(chǎn)量高。自上世紀80年代就開始進行了以微藻為原料生產(chǎn)燃料油的可行性研究[1]。經(jīng)過優(yōu)選的微藻因含油量高、易于培養(yǎng)、單位面積產(chǎn)量大，可能成為替代石油基燃料的生物質(zhì)能源原料[2，3]。目前的研究主要集中在微藻生產(chǎn)生物柴油上[4]，對于微藻生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)關注度并不高。本文綜述了國內(nèi)外對于微藻生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)進展、現(xiàn)存在問題及未來的發(fā)展前景。

1 ?藻類簡介

1.1 ?微藻作為生物質(zhì)供應的特性

微藻的整個生物體都能進行光合作用，且結(jié)構(gòu)簡單、生長周期短、速度快。與陸生植物較低的光合效率（普遍低于0.5%）相比，微藻具有更高的光合作用效率，有些微藻的光合效率高達10%[5]?；谝陨蟽?yōu)點，微藻的生物周期比陸生植物大幅縮短，生物質(zhì)倍增時間平均為3～5 d[6]，一般陸地能源植物一年可以收獲1～2季，而在人工培養(yǎng)下的微藻每幾天就可以收獲一次，而且不因收獲而破壞生態(tài)系統(tǒng)同時獲得大量生物質(zhì)。另一方面，在微藻的生長過程中可以固定空氣中的CO2，每生產(chǎn)1 kg微藻（干重）可以固定約1.7 kg的CO2[7]，同時提供好氧生物所必須的氧氣。其固碳效率是一般陸生植物的10～50倍[8]，對于溫室氣體的吸收與固定有突出的作用。

相對于其他植物，藻類含有較高的可溶性多糖，可以用來生產(chǎn)生物乙醇。微藻由于成長過程中不發(fā)生根、莖、葉的分化，容易被粉碎和干燥，預處理成本較低。微藻細胞中所含的纖維素與陸生植物中所含的有所不同，其氫鍵較弱，更容易被降解[9]。相對簡單的加工工藝確立了微藻作為生產(chǎn)燃料乙醇原料的優(yōu)勢。

1.2 ?微藻的培養(yǎng)

微藻的生長所需養(yǎng)分不多，主要是陽光、水和CO2，可以生長在海洋、河流以及湖泊里，不會與農(nóng)牧業(yè)爭地。影響藻類生長的因素分為非生物因素、生物因素及操作因素[10]。其中非生物因素是指如光照、溫度、營養(yǎng)成分濃度、O2、CO2、pH、鹽分和有毒的化學藥品等;生物因素是指如病菌（細菌、真菌和病毒）和其他藻類競爭者;操作因素則指如混合過程產(chǎn)生的剪切力、深度、收獲頻率和碳酸氫鹽的添加。

通過傳統(tǒng)培養(yǎng)方法培養(yǎng)出的微藻藻細胞密度普遍較低[11]，而且培養(yǎng)過程中容易出現(xiàn)被其他微生物污染、收獲困難及占地面積大等問題。微藻的高密度甚至超高密度培養(yǎng)，使藻細胞密度比普通培養(yǎng)條件下高出1～2個數(shù)量級，以求在降低培養(yǎng)體積及設施投資、節(jié)省成本的基礎上，大限度地提高生物量收獲、提高產(chǎn)品經(jīng)濟效益[12]。適合大規(guī)模培養(yǎng)微藻的方式主要分為開放式和封閉式[13]。在開放式培養(yǎng)微藻中，被廣泛應用的是跑道式水池[14，15]，其培養(yǎng)微藻制備生物質(zhì)的性能已被美國能源部進行了大量的評估[16]，但是存在培養(yǎng)密度低及一系列后處理問題，因此并不是最理想的培養(yǎng)方式。封閉式培養(yǎng)方式具有培養(yǎng)密度高、條件易于控制、生物質(zhì)產(chǎn)出效率高等優(yōu)點，但在反應器設計上技術(shù)仍不夠成熟，其成本也較高，仍需要改進以適合規(guī)?；a(chǎn)。（表1列出了開放式及封閉式不同生物反應器的優(yōu)缺點）。

2 ?微藻生產(chǎn)燃料乙醇研究進展

2.1 ?微藻間接生產(chǎn)乙醇

2.1.1 ?微藻生物質(zhì)發(fā)酵前預處理

微藻通過光合作用可以儲存淀粉、纖維素等碳水化合物。首先燃料乙醇的原料由工程培養(yǎng)獲得[19]，再利用機械或酶解方法破碎細胞壁得到所需的碳水化合物，最終燃料乙醇經(jīng)由糖化和發(fā)酵制備。

跑道池（開放式） 建設費用、設備維持費用、能源消耗低;易于清洗，應用于工業(yè)化生產(chǎn)。 生產(chǎn)效率低、占地面積及水消耗量大;容易染雜菌，適用藻種數(shù)限制大。

管式反應器（封閉式） 建設費用低，適合戶外培養(yǎng);培養(yǎng)表面積大，生產(chǎn)效率較高 粘壁現(xiàn)象嚴重，占地面積大;有異味，營養(yǎng)分布不均

平板式反應器（封閉式） 建設費用低，適合戶外培養(yǎng);透光性好、培養(yǎng)表面積大，生產(chǎn)效率較高;藻液固定性好，易于清洗 粘壁現(xiàn)象嚴重，規(guī)模化培養(yǎng)的空間和材料需求量大;不宜控溫，水的流動性差

柱狀反應器（封閉式） 傳質(zhì)效果好、能源消耗低;良好的混合效果和低剪切應力;易于消毒、放大培養(yǎng)及清洗;藻液固定性好，降低光抑制 設備費昂貴;加工難度大;培養(yǎng)時受光面積小

糖化過程可采用稀酸或酶法預處理等。Chuji[20]等研究培養(yǎng)小球藻，萊茵衣藻及柵藻，利用超聲波處理微藻后，分別利用酸解和酶水解淀粉，進一步利用釀酒酵母生產(chǎn)乙醇。Shin等通過研究證實酸水解和酶水解兩種方式水解多糖用于后續(xù)的發(fā)酵[21]。稀酸預處理方法是目前比較常用的方法，針對不同的藻種，對酸的種類、濃度、反應溫度及時間等方面進行調(diào)整，以達到更好的預處理效果。Nguyen[22]利用萊茵衣藻（淀粉含量35%）生產(chǎn)乙醇，考察酸濃度、處理時間、處理溫度等預處理條件，用S288C發(fā)酵經(jīng)處理的藻液，其乙醇產(chǎn)量為29.2%[23]。另外，通過研究酶水解處理微藻，發(fā)酵生產(chǎn)乙醇得到0.235 g乙醇/1.0 g微藻。

對水熱預處理法處理微藻生物質(zhì)的研究成為近年的熱點。利用水熱法[24]處理Monostromanitidum Wittrock和Solieria pacifica，可以提高后續(xù)酶解速率至10倍，纖維素酶解率分別達到79.9%和87.8%。通過水熱法預處理，其過程抑制物生成少且反應條件溫和[25]，后續(xù)水解時間縮短，糖回收率有很大提升。也有研究人員對生物法預處理進行了考察，指出同單純的醇解效果相比，與降解纖維素微生物相結(jié)合的生物法醇解效果能耗較低[26]。雖然生物法能耗低、無污染、反應條件溫和，然而對其的研究比較少，并在酶處理液中的微生物產(chǎn)生的物質(zhì)會影響乙醇的產(chǎn)量[27]。生物法需使用可代謝抑制物或毒性物質(zhì)的酶或微生物。

2.1.2 ?微藻生物質(zhì)發(fā)酵

微藻生物質(zhì)預處理后，通過酵母等微生物發(fā)酵可獲得乙醇。根據(jù)各微藻生物質(zhì)成分含量的差別使用不同的發(fā)酵菌種。目前釀酒酵母使用最多，運動發(fā)酵單胞菌也在近幾十年的時間里得到大量研究。發(fā)酵方式主要為分為水解發(fā)酵（SHF）法和同時糖化發(fā)酵（SSF）法。兩者相比，SHF法乙醇的產(chǎn)率較高，然而SSF法耗時短，燃料乙醇的產(chǎn)量相對較高[28]。SSF法有連續(xù)或者半連續(xù)的工藝區(qū)分，半連續(xù)的SSF法酶用量少[29]。

2.2 ?微藻直接生產(chǎn)乙醇

利用微藻生物質(zhì)作為原料生產(chǎn)乙醇的方法比較復雜，近來研究熱點開始轉(zhuǎn)移到微藻直接生產(chǎn)乙醇上面。

2.2.1 ?微藻黑暗厭氧條件下生產(chǎn)乙醇

研究人員發(fā)現(xiàn)，當微藻處于黑暗及厭氧環(huán)境中，會產(chǎn)生乙醇等代謝產(chǎn)物[30]。Ohth等通過研究微藻暗發(fā)酵過程[31]，發(fā)現(xiàn)反應過程中通入氯化銨會提高乙醇含量。Ueda[32]等發(fā)現(xiàn)Chlamydomonas，Chlorella，Spirulina，Oscillatoria 和Microcystis 都可以進行黑暗厭氧發(fā)酵生成乙醇，且最適pH在6.5～8.0。Hirano[33]等研究了在黑暗厭氧條件下多種微藻生產(chǎn)乙醇的可能，并篩選出一株海洋衣藻在黑暗厭氧條件下具有較高乙醇產(chǎn)量。Ueno[34]等研究人員用海洋小球藻進行黑暗發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，發(fā)現(xiàn)將溫度控制在30 ℃時達到最高產(chǎn)量450 μmol/g干重，同時對暗發(fā)酵過程進行了研究并提出添加甲基紫精可提升乙醇產(chǎn)量。

影響微藻暗發(fā)酵的主要因素有：溫度，pH值和發(fā)酵溫度。通過添加一些物質(zhì)或氣體會對產(chǎn)物的比例產(chǎn)生影響;另外通過改變發(fā)酵條件，如溫度也可能會加速保內(nèi)淀粉的降解，提高乙醇的產(chǎn)量[32，34]。然而藻類暗發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的能量最終來源是通過光合作用吸收的太陽能，在黑暗厭氧條件下生產(chǎn)乙醇的效率在理論上沒有直接光合作用固定CO2再轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的高。

2.2.2 ?工程微藻生產(chǎn)乙醇

通過現(xiàn)代基因工程手段，獲得具有此能力的藻種有望成為一種可能。在微生物生產(chǎn)乙醇這一途徑中，通過異源啟動子的控制，可使丙酮酸脫竣酶基因（pdc基因）和乙醇脫氫酶基因II （ adh基因）高水平表達[35]，從而生產(chǎn)乙醇。Deng和Coleman[36]通過基因工程改造了一種聚球藻，將運動發(fā)酵單胞菌的pdc基因和adh基因通過載體pCB4導入到聚球藻中，從而在啟動子的控制下，實現(xiàn)兩種基因在藻細胞內(nèi)大量表達，通過基因改造，聚球藻可以直接將光合作用固定的碳轉(zhuǎn)化為乙醇溶解到培養(yǎng)基中。Woods等也通過基因工程手段修飾了一種藍細菌，使其表達pdc基因和adh基因從而生產(chǎn)乙醇[37]，然而產(chǎn)量少，發(fā)酵時間長且不穩(wěn)定。針對以上缺陷，F(xiàn)U等通過研究宿主細胞，改良了藍細菌乙醇的生產(chǎn)并提高宿主細胞的乙醇耐性[38]。

Lee[39]提出光合乙醇生產(chǎn)技術(shù)，利用光解水，轉(zhuǎn)基因藻類可以產(chǎn)生NADPH及ATP，可以促使CO2和H2O直接合成乙醇。研發(fā)過程包括設計多種光合乙醇生產(chǎn)合成途徑及提出一個從培養(yǎng)到光合乙醇生產(chǎn)的完整系統(tǒng)。

除了暗發(fā)酵與基因工程手段，美國藻醇（Algenol）公司研發(fā)出一種微藻直接生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)。該技術(shù)利用藍藻光合作用直接生產(chǎn)乙醇，并在溶解到培養(yǎng)基中后蒸發(fā)，再經(jīng)過冷卻凝集于覆蓋膜內(nèi)表面，實現(xiàn)水醇分離和乙醇濃縮。

3 ?存在問題及未來發(fā)展前景

微藻作為第三代生物燃料具有其獨特的優(yōu)勢，雖然目前為止已經(jīng)對其進行了大量的研究，然而在產(chǎn)業(yè)化上依然存在很多問題。

與其他工業(yè)生產(chǎn)相似，微藻生產(chǎn)燃料乙醇的制備成本是應該首先考慮并解決的問題[40]。建議能源微藻采用戶外敞開式模式直接利用太陽光的低成本培養(yǎng)模式[41]。這就需要解決兩個問題，一是探索高效的光生物反應器或微藻培養(yǎng)方法，提高戶外培養(yǎng)對陽光的利用率及單位面積微藻生物量的積累量;二是做好敵害生物污染的預防工作。任何雜菌的污染都會導致培養(yǎng)的失敗及培養(yǎng)規(guī)模的擴大。有效的控制敵害生物污染是擴大培養(yǎng)規(guī)模及穩(wěn)定收獲產(chǎn)物必須解決的問題，以及對高效低能耗的微藻收集方法的研究。

從菌種出發(fā)，在乙醇制備發(fā)酵過程中對高抗逆性的菌種進行篩選。由于發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇會抑制微生物本身的生長和代謝，引起乙醇大量積累、導致細胞死亡。通過選取高抗逆性的微生物菌株，可以極大緩解上述現(xiàn)象。另外，優(yōu)化乙醇回收工藝，降低培養(yǎng)基中的乙醇，可以避免抑制，提高乙醇產(chǎn)率。

與發(fā)達國家相比，中國微藻生物質(zhì)能源的發(fā)展在技術(shù)層面上仍存在一定差距，工程藻株的開發(fā)相對緩慢。應加大工程微藻的開發(fā)。著手于生物周期短，生物量和乙醇積累量高，適合戶外及規(guī)?；囵B(yǎng)等方面的基因工程改良。

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