基于微流體技術(shù)的生物燃料開發(fā)與應(yīng)用

劉 登， 劉均洪

（1.山東理工職業(yè)學(xué)院 化工新材料工程學(xué)院， 山東 濟(jì)寧 272067； 2.青島科技大學(xué) 化工學(xué)院， 山東 青島 266042）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長， 傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭，溫室效應(yīng)逐漸加劇，生物燃料的重要性日益凸顯。作為液體生物燃料，生物柴油和生物乙醇具有原料來源廣泛、清潔可再生、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大等特點(diǎn)， 在一定程度上能夠滿足目前緊迫的能源需求[1]。 然而，兩者生產(chǎn)過程中的一些消極因素限制了它們的進(jìn)一步發(fā)展，如土地面積需求過大、生產(chǎn)成本過高、產(chǎn)品產(chǎn)率過低以及產(chǎn)品質(zhì)量欠佳等[2]。這些消極因素的存在阻礙了生物燃料的規(guī)?；M(jìn)程，為了盡早實(shí)現(xiàn)生物燃料的規(guī)?；蜕虡I(yè)化，納米技術(shù)、 基因工程技術(shù)和微流體技術(shù)等不斷被引入到生物燃料的研究和生產(chǎn)之中。其中，微流體技術(shù)在改善生物柴油和生物乙醇的產(chǎn)量和質(zhì)量方面效果顯著。

微流體技術(shù)是基于微流控芯片在微觀尺度下控制、操作和檢測復(fù)雜流體的技術(shù)，它能在較小的試劑體積和較短的反應(yīng)時(shí)間等條件下進(jìn)行工作。微流控芯片的尺寸僅為十幾平方厘米甚至幾平方厘米，且其上通常會內(nèi)置有檢測、分析及樣品制備等諸如生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各種功能，因此，其又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。作為一門新興技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、醫(yī)藥、生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，由于其小型化、高精度、短周期和低能耗等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其在生物燃料領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的潛力。 微流體技術(shù)不僅能快速進(jìn)行微藻等產(chǎn)油微生物的高通量篩選和培養(yǎng)條件的優(yōu)化， 還能通過增大生物柴油酯交換過程兩相界面的接觸面積而改善其轉(zhuǎn)化率，另外，在生物燃料的生產(chǎn)過程中，將這種技術(shù)與相應(yīng)的功能原件集成后， 除了能夠在線分析和監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量， 還能完成生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)控制從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 微流體的特性

要想深入了解微流體技術(shù)在生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用，首先需要了解微觀尺度下的流體特性。微流體是一種借助亞毫米至亞微米微通道產(chǎn)生的流體， 這種微尺度下的流體學(xué)行為與宏觀尺度下的流體學(xué)行為差異很大。在流體力學(xué)中，流體流動特性通常采用雷諾數(shù)（Reynolds Number，Re）進(jìn)行表征。一般情況下，當(dāng)Re<2 000 時(shí)，流體表現(xiàn)為層流狀態(tài)；當(dāng)Re>4 000 時(shí)，流體則表現(xiàn)為湍流狀態(tài)。層流流動時(shí)， 不同流體系統(tǒng)的流體粒子彼此平行地分層流動，互不干擾與混雜；而湍流流動時(shí)，各流體系統(tǒng)的流體粒子間強(qiáng)烈的混合與摻雜， 不僅有沿著主流方向的運(yùn)動， 還有垂直于主流方向的運(yùn)動，兩者的流動特征如圖1 所示。 另外，佩克萊數(shù)（Peclet Number，Pe） 也是反映流體流動狀態(tài)的參數(shù)，其可以表征對流和擴(kuò)散的相對大小，反映了流體返混的程度，Pe 越大，表示返混程度越小，Pe 越小，則表示返混程度越大。由于微流體通道的空間有 限（直 徑 為5~250 μm），流 速 較 低（1~1 000 μL/min），導(dǎo)致微流體的Re 非常?。?~100），而Pe比較大（>103），微流體表現(xiàn)為層流特征而非湍流，其中的流體粒子彼此平行地分層流動，互不干擾與混雜， 兩個(gè)或多個(gè)流體系統(tǒng)中的粒子除了擴(kuò)散之外不能混合， 這意味著其中粒子的速度和位置是可以預(yù)測到的[3]。 在微觀水平上，表面張力和毛細(xì)管力在流體中的作用非常突出， 這對生物柴油合成過程中脂質(zhì)提取和酯交換非常有利。同時(shí)，由于尺度的減小，微流體的比表面積變得很大，當(dāng)兩種不混溶的液體（油和甲醇)同軸混合時(shí)，兩相界面之間的物料傳遞增強(qiáng)， 這不僅有利于正向反應(yīng)（脂肪酸甲酯的形成），還能提高底物轉(zhuǎn)化率[4]。 此外，由于微流體比表面積的增大，脂質(zhì)提取時(shí)的收率也明顯提高[5]。

圖1 微流體中層流和湍流特性的示意圖Fig.1 Schematic diagram of laminar and turbulent characteristics in microfluids

2 微流體技術(shù)在生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 微藻脂質(zhì)生產(chǎn)

微生物油脂是生產(chǎn)生物柴油的有效基質(zhì)，脅迫條件可有效促進(jìn)微藻細(xì)胞內(nèi)油脂的合成和積累，利用脅迫條件培養(yǎng)微藻已成為調(diào)控微藻油脂積累的主要手段，但通常情況下，營養(yǎng)和培養(yǎng)條件（pH 值、光照等）等脅迫條件的優(yōu)化過程非常復(fù)雜和耗時(shí)。 ShihS C[6]開發(fā)了一種數(shù)字微流體（DMF）裝置，并利用該裝置研究了光照對C.cryptica 脂質(zhì)含量的影響，研究結(jié)果表明：在黃光下，C.cryptica 能合成更多的脂質(zhì)， 但是不利于C.cryptica 的生長； 為了能夠同時(shí)促進(jìn)C.cryptica的生長和脂質(zhì)積累，ShihS C 將C.cryptica 分別暴露于藍(lán)光15 h 和黃光9 h， 結(jié)果在藍(lán)光下，C.cryptica 迅速增殖， 大量增殖的C.cryptica 在黃光下又合成了更多的中性脂質(zhì)。 除了能對光照條件進(jìn)行優(yōu)化， 微流體也被用于研究一些物理因素和營養(yǎng)限制對脂質(zhì)合成的影響[7]。

2.2 微流體裝置在基于微藻的生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用

由于藻類可以在不同的生長條件下快速增殖，且具有極強(qiáng)的固碳能力，因此，在生物柴油的生產(chǎn)過程中， 藻類脂質(zhì)成為了植物油的重要替代品。為了獲得更多的藻類脂質(zhì)，微藻的純種培養(yǎng)非常關(guān)鍵，否則，其他藻類的污染會造成培養(yǎng)基營養(yǎng)素的競爭性流失， 最終導(dǎo)致藻類脂質(zhì)產(chǎn)量和質(zhì)量的下降[8]。 Tetraselmis suecica 是一種性能優(yōu)良的產(chǎn)脂質(zhì)藻類，但它很容易被Phaeodactylum tricornutum 污染。 Syed S M[9]發(fā)明了一種低成本的螺旋微通道微流體裝置， 用于從污染物中分離和純化Tetraselmis suecica。 該裝置所使用的螺旋微通道包括8 個(gè)圓形環(huán)、1 個(gè)入口和2 個(gè)位于微芯片中心的出口，微通道的橫截面為直角梯形，寬度為600 μm，內(nèi)外高度分別為80 μm 和130 μm。 工作時(shí)，使用注射泵將污染物從入口處注入微通道，并以0.5~2 mL/min 的速度穩(wěn)定流動；污染物中不同粒徑的微藻細(xì)胞經(jīng)過一段時(shí)間的環(huán)形流動后，會分別匯集至各自的流層中， 粒徑小的細(xì)胞聚集在通道的外半部分， 粒徑大的細(xì)胞聚集在通道的內(nèi)半部分；最后在通道分叉處收集培養(yǎng)物。研究結(jié)果表明，在最佳流速下（1 mL/min），當(dāng)微藻細(xì)胞的濃度為3×106~6×107細(xì)胞/mL 時(shí)，95%的Tetraselmis suecica 可被分離出來，并且細(xì)胞活力也未受到影響。 該研究證實(shí)了微流體技術(shù)可以從污染物中分離出所需的菌株， 從而確保更高的微藻脂質(zhì)生產(chǎn)能力。

在基于藻類脂質(zhì)的生物柴油生產(chǎn)工藝中，微藻的培養(yǎng)、收集、脫水、油脂提取和酯交換都是重要且復(fù)雜的工作，其中，收集和脫水部分的成本相對較高，雖然離心、絮凝等傳統(tǒng)方法能夠完成這部分工作， 但設(shè)備成本和產(chǎn)品回收率限制了它們的應(yīng)用。 為了解決這個(gè)問題，H?nsvall B K[10]開發(fā)了一種基于三葉蟲結(jié)構(gòu)的微流控芯片， 該芯片的尺寸為30 mm×60 mm， 芯片內(nèi)主通道的尺寸為10 mm×30 mm，分離單元區(qū)域位于主通道的中間，面積為10 mm×10 mm。 該區(qū)域包含分布在九行中的113 個(gè)三葉蟲分離單元， 每個(gè)分離單元中的葉片之間的間隙為5 μm， 其工作原理類似于分子篩，當(dāng)待濃縮液體流經(jīng)工作區(qū)域時(shí)， 大部分液體和較小顆粒經(jīng)單元葉片間的5 μm 間隙流入單元內(nèi)部并沿孔向下，在底層的出口處收集；大于5 μm 的顆粒則在單元之間流動， 最終于芯片末端的出口處被收集。 此裝置可用于濃縮Chaetoceros sp.，Rhodomonas baltica 和Thalassiosira weissflogii。 該芯片能根據(jù)細(xì)胞大小對藻類微生物進(jìn)行分類整理，對符合要求的藻類進(jìn)行收集，并將尺寸較小的藻類再循環(huán)到反應(yīng)器中。 該芯片不但能夠高效準(zhǔn)確地收集目標(biāo)藻類， 還減少了對離心機(jī)等昂貴儀器的需求， 在生物柴油的生產(chǎn)中表現(xiàn)出了很大的潛力。雖然由于芯片生產(chǎn)成本過高，其規(guī)?；瘧?yīng)用受到了限制， 但是隨著制造技術(shù)的提高和廉價(jià)材料的應(yīng)用，它的潛力必將得到應(yīng)有的發(fā)揮。

2.3 微流體裝置在酯交換中的應(yīng)用

酯交換反應(yīng)是生物柴油生產(chǎn)過程中的重要步驟，它決定著生物柴油的質(zhì)量。 在該反應(yīng)中，脂肪酸在催化劑（酸、堿或酶）的作用下與甲醇反應(yīng)，形成脂肪酸甲酯和甘油。由于油/脂質(zhì)和甲醇的不混溶性，使得整個(gè)反應(yīng)進(jìn)程非常緩慢，另外，為了促進(jìn)反應(yīng)的正向進(jìn)行，通常需要額外增加甲醇用量。Beebe D J[4]開發(fā)了一種具有大比表面積的微滴微流體裝置， 該裝置能夠通過增大反應(yīng)界面而加快反應(yīng)的進(jìn)行， 使用大豆油和甲醇在該裝置中進(jìn)行酯交換反應(yīng)，當(dāng)甲醇同軸通過大豆油池時(shí)，前者被后者包圍并降低甲醇與油的比例（3∶1），當(dāng)溫度為23 ℃時(shí)，酯交換反應(yīng)在9 min 內(nèi)完成，大豆油的轉(zhuǎn)化率為80%； 當(dāng)甲醇與油的比例分別為1∶1，1∶2和1∶3 時(shí)，大豆油的轉(zhuǎn)化率分別為100%，99.5%和98.6%。 上述研究表明，微流體裝置增加了試劑之間的接觸面積，促進(jìn)了酯交換反應(yīng)，同時(shí)降低了能耗和成本。

2.4 用于生物柴油生產(chǎn)的微流體裝置

傳統(tǒng)的生物柴油生產(chǎn)過程中， 酯交換反應(yīng)主要是在攪拌釜中進(jìn)行，反應(yīng)屬于間歇式反應(yīng)，反應(yīng)過程須要解決兩相反應(yīng)的難題，反應(yīng)時(shí)間較長，后續(xù)還要進(jìn)行廢水處理。 為了解決這些問題以及進(jìn)一步提高生物柴油的產(chǎn)率，不同通道形狀（Ω 形、T 形和T-形）的連續(xù)式微反應(yīng)器被開發(fā)出來（圖2）[11]。 在溫度為50 °C，乙醇與油的混合比例為25∶1， 通道停留時(shí)間為10 min， 催化劑為1%的NaOH 的條件下，T 形、Ω 形和T-形微反應(yīng)器的脂肪酸乙酯 （FAEE） 產(chǎn)率分別為96.7%，95.3%和93.5%。 從結(jié)果來看，在相同的反應(yīng)條件下，不同形狀的微通道內(nèi)部，流體流動狀態(tài)略有不同，通過內(nèi)部形狀的改變，可以改善兩相界面的接觸，增強(qiáng)分子擴(kuò)散，提高反應(yīng)底物的混合效率，從而獲得較高的FAEE 產(chǎn)率。這說明在微流體裝置中，微反應(yīng)器通道的幾何形狀是除了溫度、醇油比、停留時(shí)間和催化劑用量外的另一重要參數(shù)。 Santana H S[12]通過研究發(fā)現(xiàn)， 微反應(yīng)器的酯交換效率與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器相似，但達(dá)到相同產(chǎn)率所需時(shí)間，前者比后者要少的多。此外，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測FAEE 的生產(chǎn)，近紅外光譜（NIR）技術(shù)被集成在了連續(xù)式微反應(yīng)器中，由于該技術(shù)價(jià)格低廉、樣品需求量少、對產(chǎn)品無毒害且高效快速， 使得FAEE 的生產(chǎn)成本得以降低，生物柴油的質(zhì)量得以提高[13]。 然而，受限于微流體裝置的尺寸和其內(nèi)較低的流速，微流體裝置的商業(yè)開發(fā)還未完全達(dá)到市場規(guī)模。 不過，Billo R E[14]報(bào)道了生產(chǎn)流量為2.47 L/min，年產(chǎn)能為120 萬L 的完整微反應(yīng)器生物柴油廠的規(guī)模參數(shù)，它含有14 000 個(gè)由聚乙烯制成的微器件單元，每個(gè)單元內(nèi)的微通道尺寸為500 μm×500 μm （深度×寬度）， 每50 個(gè)微器件單元為一個(gè)模塊，每8 個(gè)模塊為一組，共35 組，每組有各自的入口和出口?？梢灶A(yù)見，隨著運(yùn)行流速更大的微器件的開發(fā)和反應(yīng)單元的放大， 微流體裝置在生物柴油生產(chǎn)過程中的應(yīng)用必將更加深入和廣泛。

圖2 微反應(yīng)器的內(nèi)部幾何形狀Fig.2 Internal geometries of microreactors

2.5 用于混合生物柴油質(zhì)量評估的微流體裝置

由于生物柴油存在熱值略低、 高黏度和高成本等缺點(diǎn)， 它的單獨(dú)使用仍然受到一定限制，但是， 生物柴油和石化柴油的混合燃料的應(yīng)用前景卻非常廣泛，因此，混合燃料的質(zhì)量評估就顯得非常重要。一般情況下，混合生物柴油的質(zhì)量狀況可以通過密度、粘度、熱值和十六烷值等多項(xiàng)指標(biāo)來評估[15]。 研發(fā)人員將這些指標(biāo)的檢測和分析技術(shù)集成于微流控芯片上， 開發(fā)出了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的傳感器微流體裝置，用以檢測汽油、柴油、生物柴油、乙醇、丁醇、水和空氣等各種混合物的質(zhì)量。與類似的傳感器相比，微流體裝置更小且更靈敏，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控燃料質(zhì)量，并通過檢測和控制系統(tǒng)中流速、溫度、pH 值和氧氣等參數(shù)，有助于生物柴油等生物燃料的生產(chǎn)過程的優(yōu)化[16]。

3 微流體技術(shù)在生物乙醇生產(chǎn)中的應(yīng)用

除生物柴油外， 生物乙醇是另一種清潔型替代燃料，它主要是通過微生物發(fā)酵糖（來自甘蔗、甜菜、甜高粱、糖蜜和水果等）、淀粉（來自玉米、木薯、馬鈴薯和塊根作物等）或纖維素（來自木材、農(nóng)業(yè)殘余物、紙漿和造紙廠的廢液等）等有機(jī)原料轉(zhuǎn)化而成[17]。然而，基于可食用原料的生物乙醇工藝面臨著一些挑戰(zhàn)，如糧食威脅、戊糖利用率低、微生物對乙醇不耐受等[18]。為了克服這些問題，有研究人員嘗試?yán)眠z傳和代謝工程開發(fā)能夠利用纖維素和木糖原料， 具有乙醇濃度高耐受性的新菌株。 此外，微藻等第三代原料的開發(fā)和使用，也使生物乙醇的研究有了階段性進(jìn)展。 為了進(jìn)一步降低生物乙醇的生產(chǎn)成本，使之具有更高的競爭力，就必須篩選出性能更加優(yōu)良的菌株。 Abalde Cela S[19]開發(fā)了一種新型的微流體液滴法來檢測Synechocystis sp.PCC 6803 的乙醇產(chǎn)率。在此項(xiàng)研究中，微流體液滴包含酶測定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將乙醇轉(zhuǎn)化為熒光產(chǎn)物， 然后通過熒光強(qiáng)度檢測乙醇含量。 另外，作為一種獨(dú)特的方法，微流體液滴有助于識別基因工程藍(lán)藻， 以區(qū)分乙醇工程菌株和野生型菌株。在另一項(xiàng)研究中，利用微流體液滴技術(shù)， 可以通過醇氧化酶和辣根過氧化物酶測定Zymomonas mobilis 發(fā)酵過程中的乙醇濃度。 在分子氧存在的情況下， 乙醇可通過醇氧化酶轉(zhuǎn)化為乙醛和過氧化氫，過氧化氫反過來與色原反應(yīng)，通過辣根過氧化物酶形成染料和水。 與常規(guī)使用重鉻酸鉀法測定乙醇的方法不同， 該方法顯示出了更高的靈敏度和重現(xiàn)性（相對誤差<5%），且試劑消耗量也較少[20]。

4 生物燃料微流體反應(yīng)器

微流體技術(shù)是一種快速發(fā)展的技術(shù)， 它能夠檢測和操縱微米級通道內(nèi)的液體流動， 而微米級通道內(nèi)的流體具有層流、表面效應(yīng)、短擴(kuò)散和小體積等特征，因此，該技術(shù)可以預(yù)測流體的流體行為、促進(jìn)界面?zhèn)鬏敽头磻?yīng)、實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制[21]。由于微流體技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，將微流體生物反應(yīng)器用于生物燃料生產(chǎn)是一種很有前景的方法。 微流體系統(tǒng)生物反應(yīng)器與細(xì)胞和微生物的物理尺寸相當(dāng)， 是研究燃料生成的細(xì)胞行為和微環(huán)境的理想選擇[22]。 與傳統(tǒng)的生物燃料生產(chǎn)系統(tǒng)相比， 微流體生物反應(yīng)器可高度集成、 其內(nèi)微環(huán)境（氧、溫度、pH 值等）易于控制、微生物初始種子濃度和樣品需求量都非常低、工作周期短，處理效率高、使用成本也更低[23]。

在微流體反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中， 主要考慮制造方法、功能元件和設(shè)計(jì)參數(shù)。微生物反應(yīng)器的制備方法可以采用光刻、 軟光刻、 熱壓花和注塑成型等，其中，注塑成型是大規(guī)模生產(chǎn)微流體生物反應(yīng)器的最佳選擇； 對于高度集成的微流體生物反應(yīng)器來說，它需要多種功能元件，主要包括流體元件（閥門，泵，混合器和噴射器等）、傳感器（溫度、pH值和O2等）、加熱元件、氣體交換裝置和模擬元件等；此外，一些參數(shù)的選擇對微流體反應(yīng)器的影響非常大，如反應(yīng)器材料的生物相容性、反應(yīng)器的耐壓程度、允許的溶劑類型以及微通道的尺度等。

根據(jù)目的和工作方式的不同， 研發(fā)人員發(fā)明了多種不同類型的微流體生物反應(yīng)器， 如微流體膜生物反應(yīng)器、毫升級攪拌釜生物反應(yīng)器、填充床生物反應(yīng)器和光生物反應(yīng)器等[24]。此外，還有多種新型高效的微流體生物反應(yīng)器在研制之中， 它們的出現(xiàn)能夠給生物燃料的研究帶來很大幫助，隨著反應(yīng)器制造技術(shù)的提升和生產(chǎn)成本的降低，如同上述的生物柴油一樣， 基于微流體反應(yīng)器的各種產(chǎn)品也必將走進(jìn)我們的生活。

5 結(jié)論和前景

作為化石燃料的替代能源， 生物燃料的產(chǎn)量和質(zhì)量是決定其能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素， 而微流體技術(shù)可以顯著改善生物燃料的產(chǎn)量和質(zhì)量，其具有許多顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢：①微通道尺度微小，內(nèi)部流體呈層流狀態(tài)， 可實(shí)現(xiàn)流體行為的人為預(yù)測；②微通道比表面積較大，體系內(nèi)傳質(zhì)傳熱性能優(yōu)良，比宏觀體系具有更高的轉(zhuǎn)化效率；③微流體技術(shù)消耗的試劑較少，能大大降低試劑成本，減少廢液排出； ④微流體芯片可高度集成多種功能化元件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室功能的微型化，減少占地面積；⑤微流體技術(shù)能在線分析和監(jiān)測生物燃料等產(chǎn)品的質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)操作環(huán)境的精準(zhǔn)控制；⑥設(shè)計(jì)好的微流體芯片，易于批量化生產(chǎn)，具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

盡管有如此多的優(yōu)點(diǎn)， 微流體技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如，如何開發(fā)更高通量的微型復(fù)雜界面、如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化微通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、如何實(shí)現(xiàn)微流體裝置上的微生物的固定化、 如何降低開發(fā)成本、 如何實(shí)現(xiàn)基于微流體技術(shù)的生物燃料的更大規(guī)模的生產(chǎn)等。 不過，可以想象，能夠把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室濃縮集成在一塊小小的芯片上的微流體技術(shù)，在全球科研人員的不懈努力下，隨著芯片加工技術(shù)的成熟、開發(fā)成本的降低、更多功能化元件的集成和自動化程度的提高， 不久的將來必將在產(chǎn)油微生物篩選、生物柴油酯交換、生物燃料質(zhì)量控制和過程優(yōu)化等方面帶來更大貢獻(xiàn)。