面對(duì)能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴(yán)峻問(wèn)題，尋找可再生且對(duì)環(huán)境友好的新型能源迫在眉睫。而作為生物質(zhì)能一員的生物柴油，不僅可以消納各種有機(jī)廢棄物，減輕環(huán)境壓力，還可替代化石燃料，緩解能源危機(jī)，并且由于生物質(zhì)資源分布廣泛，生物柴油的開發(fā)幾乎不受地理和氣候的影響。諸多優(yōu)勢(shì)使得生物柴油在可再生能源中備受青睞。

生物柴油是指生物油脂與醇通過(guò)酯交換反應(yīng)生成的一種生物燃料。相比石化柴油，生物柴油具有優(yōu)良的環(huán)保性能和再生性能，較好的燃燒性能，良好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能和潤(rùn)滑性能，較高的經(jīng)濟(jì)性、可降解性和安全性能。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，生物柴油的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過(guò)三代更迭。第一代生物柴油的原材料主要來(lái)自油菜、大豆、向日葵等可食用性的油類作物;第二代生物柴油的原材料主要來(lái)自麻瘋樹、煙草種子等非糧油類植物，以及地溝油、動(dòng)物脂肪等;第三代生物柴油以微藻作為生產(chǎn)原料，因光合效率高、生長(zhǎng)速率快、占地面積小、油脂含量高等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)之無(wú)愧成為第三代生物柴油原料的首選。

微藻，即微體藻類，大小從幾微米到幾百微米不等，光合效率較高，能高效生產(chǎn)脂類、蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物，其中脂質(zhì)可通過(guò)酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為生物柴油。

在20世紀(jì)70年代，美國(guó)能源部以發(fā)展可持續(xù)能源為目的，對(duì)微藻開展了大規(guī)模搜集、篩選和鑒定工作，最終獲得了300多種產(chǎn)油微藻，即脂質(zhì)占細(xì)胞干重比例超過(guò)20%的微藻，其中微擬球藻的脂質(zhì)比例更是高達(dá)68%。

微擬球藻為什么能具有這么高的脂質(zhì)比例?答案在于它獨(dú)特的固碳能力。

光合作用是自然界生物固碳的基礎(chǔ)。地球上每分鐘通過(guò)光合作用大約可以將300萬(wàn)噸CO2和110萬(wàn)噸H2O轉(zhuǎn)化為200萬(wàn)噸有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)放出210萬(wàn)噸O2。

與陸生高等植物不同，微擬球藻生長(zhǎng)在海水中。水體中溶解性無(wú)機(jī)碳的主要存在形式有HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水體碳環(huán)境，微擬球藻具備了獨(dú)特的CO2濃縮機(jī)制。

CO2是造成溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)字弧ＮM球藻強(qiáng)大的固碳能力不但可以生產(chǎn)更多的生物柴油，還可能用于減少大氣中的CO2。

目前微藻生物柴油的生產(chǎn)成本依然較高，這是限制其商業(yè)化生產(chǎn)的瓶頸。除繼續(xù)開發(fā)產(chǎn)油性能優(yōu)良的藻種以外，需要實(shí)現(xiàn)微藻生產(chǎn)的綜合利用，可有效解決這一問(wèn)題。例如從微藻中獲得DHA、類胡蘿卜素、活性多糖等高附加值產(chǎn)品，將廢棄的藻渣作為水產(chǎn)業(yè)的餌料等。(作者單位：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所)

微藻生物柴油如何造

首先在開放塘中大規(guī)模培養(yǎng)微藻。在微藻細(xì)胞內(nèi)，光合作用合成的糖類物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂。

當(dāng)藻細(xì)胞密度達(dá)到最大時(shí)，根據(jù)微藻的特性，可選用離心法、超濾法、氣浮法、絮凝法等方法進(jìn)行收集。收集后的微藻需要進(jìn)一步提取其中的油脂。藻類油脂的提取過(guò)程繁瑣，目前最常用的油脂提取方法有機(jī)械壓榨法、有機(jī)溶劑法、加速溶劑提取法、超臨界流體萃取法和酶提取法等。

提取出來(lái)的藻油成分復(fù)雜，主要由游離脂肪酸、三酰甘油酯、磷脂、糖脂和硫脂組成。其中游離脂肪酸容易和堿性催化劑發(fā)生皂化反應(yīng)，通過(guò)對(duì)原料干燥和預(yù)酯化可減少脂肪酸對(duì)酯交換反應(yīng)帶來(lái)的不利影響。

酯交換反應(yīng)是酯與醇在酸或堿的催化下生成一個(gè)新酯和一個(gè)新醇的反應(yīng)。在微藻生物柴油生產(chǎn)中，利用短鏈醇和藻類油脂在催化劑、高溫環(huán)境下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，最終合成脂肪酸單脂，即生物柴油。

據(jù)估計(jì)，每公頃養(yǎng)殖面積藻類年產(chǎn)油量可達(dá)1.5萬(wàn)至8萬(wàn)升，相比之下，玉米、大豆的年產(chǎn)油量分別只有120升和440升。

標(biāo)簽： 微擬球藻