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微藻生物柴油的现状与进展


中国生物工程杂志

China Biotechnology 2009 29( 7): 118~ 126 , ,

微藻生物柴油的现状与进展
夏金兰
**

*

万民熙

王润民





/>



410083)

斌 邱冠周

(中南大学资源加工与生物工程学院

长沙

摘要

微藻生物柴油能够解决目前使用植物原料发展生物柴油面临的耕地不足、 气候变化对产量影

响大和引起农作物价格上涨等突出问题。通过转基因技术培育 / 工程微藻 0, 繁衍能力高, 生长周期 短, 比陆生植物产油高出几十倍, 并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。介绍了微藻生 物柴油的优势, 高脂质微藻选育, 以及工程微藻研究与下游生产工艺的研究现状和进展。 关键词 微藻 生物柴油 光生物反应器
中图分类号 Q77 少, 燃烧、 点火性能 优于石油柴 油, 且燃 烧残留物 呈微 酸性, 可延长催化剂和发动机机油的使用寿命。 可再生性。与 石油资源不 同, 生物 柴油作为 一种 可再生能源, 通过农业和生物科技的发展, 其资源不会 枯竭。且通用 性好, 无需 改动 柴油 机, 可 直接 添加 使 用, 同时无需另添设加油设备、 储运设备及人员的特殊 技术训练。

随着日益严 重的环境恶 化, 控制汽车尾 气排放 和 温室效应, 保护人类 赖以生存的 自然环境成 为人类 急 需解决的问题。同时全 球能源需 求不断扩 大, 寻求 可 以替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能 源是目前普遍关注的热点。 生物柴油 (脂肪酸甲酯 )是一种已经得到证明的燃 料, 以其为可再生性 的环保燃料 能源而得到 世界的 广 泛关 注
[1]

。生 物 柴油 的 主 要 成 分是 脂 肪 酸 甲 酯

( FAME ), 是以可再生资源 (如油菜籽油、 大豆油、 米 玉 油、 棉籽油、 花生油、 葵花子油、 棕榈油、 椰子油、 回收烹 饪油、 动物油以及微生物油脂等 ) 为原料而制 成, 具 备 与石油柴油相近的性能。生产和使用生物柴油的技术 已经存在了 50 余年
[ 2~ 4]

1 微藻生物柴油介绍
目前, 生物 柴油主要是 以植物和动 物脂肪酸 为原 料来生产的, 而不是微藻。在美国, 生物柴油主要以大 豆为原料, 其他来源包括棕榈油、 菜籽油、 动物脂肪酸、 玉米油、 废食用油
[ 6 7] ,

。而且与石油柴油相比, 生物
[ 5]

和麻疯树油

[ 2]

。一些东南亚国家
[ 8]

柴油的性能更加优良。主要表现在

:

则以一些热带植物的种子为原料, 如棕榈等, 废弃食用 油是日本的主要生物 柴油制取 原料 。近年来, 我国 也加大了发展 生物柴油产 业的力度, 介 于生物柴 油生 产的标准化和规范化由石油化工科学研究院等单位起 草的我国第一 项生物柴油 国家标准, 已 由国家质 监总 局批准自 2007年 5 月 1 日起实施, 该生物柴油国家标 准主要涉及 B100 生物 柴油 (生 物柴油含 量 100% )的 成分、 含量、 润滑性能、 烷值等方面的详细规范, 共包括 17 项技术要求
[ 9]

优良的环保特性。检测表明, 与石化柴油相比, 使 用生物柴油可降低 90% 的空气毒性。由于生物柴油含 氧量高, 燃 烧时 排烟 少, 一 氧化 碳的 排放 量可 减少 约 10% (有催化剂时为 95% )。同时, 生物柴油的生物降 解性高。另外, 生物柴油原料来源于光合作用, 它可抵 消由于生物柴油燃烧过程所释放的 CO2, 因此生产和使 用生物柴油不会导致温室效应。 良好的 燃料 性能。生 物柴 油含 氧量 高于 石油 柴 油, 可达 11% , 在燃烧过程中所需的氧气量较石油柴油
收稿日期: 2009201207 ( 50321402) ** 电子信箱: jlxia m ai. csu edu cn @ l . . 修回日期: 2009202221 * 国 家自 然 科 学 基 金创 新 研 究 群 体 科 学 基 金资 助 项 目



但是, 由油料作物、 废食用油和动物脂肪酸生产的 生物柴油尚 不能满 足当 前车 用燃 料需 求量的 一小 部 分。同时使用植物原料在所有的国家都存在共同的问 题。一是是否适合当地气候, 实现高产稳产; 二是种植

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夏金兰 等: 微藻生物柴油的现状与进展

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过程中产生的土地资源紧缺的问题以及由此引起的其 他农作物价格上涨的问题。特别在我国人多地少的情 况下, 这些问题尤为突出。 1. 1 微藻生物柴油的优势 面对植物原 料生产生物 柴油的诸多 问题, 利用 微 藻产油具有不与农 业争地的明 显优势, 而且 可用海 水 作为天然培养 基进行大量 繁殖。跟植物一 样, 微藻 也 是利用光照产 油, 但却比植物 作物的 效率高很 多。 大 多数微藻的产油量远远超过了最好的油料作物
[10]

活性物质。如杜氏 藻富含类胡 萝卜素, 雨生红球 藻则 用于虾青素的生产等等。如果微藻生物柴油生产过程 中可以和某 些高附 加值 的生 理活 性物 质的生 产相 偶 联, 将大大提高微藻生物柴油的经济效益。众所周之, 生产成本高, 缺 乏经济竞争 力是生物柴 油产业面 临的 最大的问题。 某些微 藻可以在一 些极端的环境 中生长, 如 极端 pH、 高盐环境等。微藻对重金属 离子有很好的 吸附效 果, 而且一些异养微藻可以分解利用有机物。所以, 微 藻生物燃料的 生产可以和 污水处理相 结合, 非常 具有 经济价值和环保意义。 1 2 唯一可取代石化油的微藻生物柴油 . 同时, 目前 通过植物作 物和动物油 脂生产的 生物 柴油总计只能满足运输用油的 0. 3%。 Ch isti
[ 10 12] ,

。不

像其他油料作物, 微藻生长极为迅速, 而且含有极其丰 富的油脂。藻类光 合作用转化效率 可达 10% 以上, 含 油量达 30% (表 1)。微藻的生物柴油产量是最好的油 料作物的 8 ~ 24倍
[ 11]



微藻不是一 个分类学的 名词, 而是指那 些在显 微 镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体。微藻通常是 指含有叶绿素 a并能 进行光合作 用的微 生物的总 称, 其中还包括蓝细菌 ( Cyanobacteria 原核生物 )。目前发 , 现的藻类有三万余种, 其中微小类群占 70% , 即两万余 种, 广泛分布于 各种水体。目前应 用生物技 术进行 大 量培养 或生产 的微 藻分属 于 4 个藻 门: 蓝藻 门、 藻 绿 门、 金藻门和红藻门。
表 1 常见微藻脂质含量 Tab le 1
门类

通过

建立数学模型和工程计算得出目前来自于作物生产生 物柴油取代石 化油是不可 能的, 唯一可 能取代石 化油 的生物柴油只能是来自于微藻的生物柴油。表 2 为生 物柴油几种材料来源的比较。
表 2 几种生物柴油来源比较 [ 13] Tab le 2 C om pa r ison of som e sour ces of b iod iesel
A rea to produce globa l oil demand ( hectares @106 ) 15 002 10 932 572 5 121 4 097 2 577 819 406 49 A rea required as percent globa l land mass 100 7 . 73 4 . 8 524 34 4 . 27 5 . 17 3 . 5 5 . 2 7 . 0 3 . A rea as percent globa l arable land 756 9 . 551 6 . 57 2 . 258 4 . 206 7 . 130 ( 0 a ) 41 3 . 20 5 ( 0 a) . 2 5 ( 0a ) .

P lant source

L iqu id conten t in m icr oa lga e
种属名 Botryococcus braunii Chlorella s pp. Chlorella protothecoides ( autotro phic /heterotro phic ) Duna liella. tertiolecta N annochloropsis s pp. N annochlosis spp . T etra sel is suecica m Cyclotella s pp. 脂质含量 (% , 占干重 ) 29~ 75 28~ 32 15~ 55 36~ 42 31~ 68 20~ 35 15~ 32 29 66 28~ 50 20~ 30 21~ 31 16~ 37 25~ 33 Cotton So ybean Musta rd Sunflo wer R apeseed/ canola Jatropha O il pa l m A lgae ( 10g - 2 m day - 1 at 30 TAG) % A lgae ( 50g - 2 m day - 1 a t 50 TAG) %

Biod iesel ( L / ha / year)

325 446 seed 952 1 190 1 892 5 950 12 000 98 500

绿藻门 (Chlorophyta )

硅藻门 (Ba cilla rio phyta )

H antzschia spp . N itzschia spp . P ha eoda ctylum tricornutum Tha la ssiosira pseudo nana Cylindrotheca spp . Isochrysis spp .

a If algal ponds and b ioreactors are situated on non2arab le land; : Jatropha is m a inly gro on marg inal land wn

满足全球运输燃料需求, 即使种植油料植物, 仍需 要占用现有全球 41. 3% 面积 的耕地, 而以产量 高的工 程微藻作为原料, 只需占 用 2. 5% 的耕地, 甚至 可以不 需要耕地也能培养。因此, 微藻 是不用 占用耕地 并可 以满足全球车用燃料需求的唯一可再生资源。 1 3 高脂质积累能力微藻选育及培养条件优化的研究 . 微藻作 为生物能源 的原料, 如果要 具有很强 的竞 争力那么就必 须具有很高 的生物量和 脂质的积 累, 许 多生长条件对微藻细胞脂质含量的积累都可以产生影

金藻门 ( choyso phyta )

与油料植物相比, 除占地面积小, 产量高等主要优 势外, 微藻用作生物质能源原料还有如下优点: 微藻通常呈 单细胞, 或少数 细胞相互着 生呈链 状 或团状, 无根茎叶分 化, 所以微藻 细胞不同 于植物, 其 全部生物量均可用于生物柴油的制取。而且作为单细 胞生物, 对其进行遗传改造相对高等植物容易得多。 某些微藻富 含蛋白质、 不饱 和脂肪酸和 其他生 理

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响, 如 pH、 氮元 素的缺 乏、 光照强 度、 温度等 培养的 一 般条件 都 会对 积 累 有 影 响。 美 国 能 源部 从 1978 至 1996 年立项微藻生物柴油方面的研 究, 并从海洋和 湖 泊中分离得到 3 000株微藻, 并从中筛选出 300 多株生 长速度快、 脂质含量较高的微藻, 分属于绿藻、 硅藻、 蓝 藻等
[ 14]

究长达 20年之久。 NREL 通过现代生物技术 制成 / 工 程微藻 0, 即硅藻类的一种 / 工程小环藻 0。该种藻类在 实验室条件下可使脂 质质量分数达 60% 以 上, 户外生 产也可达 40% 以上。预计 每 m / 工程微 藻 0每年可生 产约 116 L 柴油。M ett ing和 Spo laore研究发现 微藻常 常可以在 24h 内使其生物量翻倍, 在指数生长期, 生物 量倍 增 时 间 可 短 至 3. 5h, 油 脂 含 量 达 微 藻 干 重 的 80%
[14] 2

。因微藻的种 类和菌株的不同, 微藻的脂质 含

量可占其干重的 1% ~ 70%, 在特定的 培养条件下, 可 以达到 80% ~ 90 , 例如缺 氮、 % 缺硅 (对于某些 硅藻 ) 等
[15]



。但是也有人指出, 在缺乏氮源、 硅源等必要营养

2 1 外源 DNA 导入方法研究 . 目前已有很多技术都能将外缘 DNA 导入微藻中, 但基因枪法越来越成为一个普通使用的技术 已经成功使用在绿藻和硅藻 中 粒体的基因传 导 法和电击法
[ 24, 25] [ 23] [ 22] [ 21]

元素的条件下, 虽然脂质含量相对增加, 但是在这种培 养条件下微藻的生 物量会大大 减小, 并不能 达到增 产 的目的。 目前的研究表明还存在着很多影响脂质积累的因 素存在。培养基中盐度的不同对某些微藻脂质的积累 产生影响。 R ao等 等
[17] [ 16]

。目前

, 并用于 叶绿体和线

。其它技术还 有玻璃珠法, 金刚砂

。最近改进外源基因高效表达的研究

对产烃葡萄藻的研究发现不同的

中, 在载体中加入核基质结合区 (MAR s) 以增强外源 基因 的 表 达 水 平。 这 已 成 功 运 用 在 微 藻 D una liella sa lina 中
[ 13 26] ,

盐度对微 藻的 总 脂含 量 产生 不 同程 度 的影 响。 Ch iu 研究了 CO2 浓度对微 绿球藻 的生长和 脂质积 累 的影响。他们通入不同浓度的 CO2 发现 2% CO2 与通 入空气相 比可 以提高 微绿 球藻 的比 生长 速率 和生 物 量, 而更高浓度的 CO2 则会抑制 微绿球藻的 生长。 并 且收获指数期、 稳定 期早期和稳 定期的微藻 细胞进 行 脂 质含 量 的 测 定, 脂 质 含量 分 别 占 干 重 的 30. 8%, 39. 7 和 50. 4% 。铁离子对微藻的生长和脂质的积累 % 存在影响, 如 L iu 等
[18]



2 2 筛选标记及其启动子研究 . 筛选标记及其合适的启动子是建立微藻遗传转化 系统的两个先 决条 件
[ 27]

。目前 在微 藻生物 柴油 研究

中, D un ahay和 Zaslavskaia等已经成功将卡那霉素抗性 基因 np tII 作 为 筛 选 标 记 应 用 于 Cyclotella cryptica, N avicu la sap roph ila, Pha eoda cty lum tricorntum
[ 28]

。而 抗

对铁 离子对小球 藻生长和脂 质

生素 Zeocin 的耐药 基因 sh ble N 2 , 乙酰 化转移酶 基因 na t1, 硫阴 离 子 输 运 蛋 白 基 因 sat21 也 成 功 应 用 到 P haeodactylum tricorntum,
[ 28, 29]

积累的影响进行了研究他们发现当小球藻生长达到对 数生长末期时加入 铁离子可以 延长对数生 长期, 进 而 增大了生物量。而培养到对数末期的小球藻收集后接 种到含有不同浓度 铁离子浓度 的新鲜培养 基中后, 细 胞中脂质含量有了 不同程度的 升高, 当铁离 子浓度 达 到 1. 2 @ 10 mol/L 时 脂 质 的 含 量 达 到 了 干 重 的 56. 6 是其他含有低铁离子浓度培养基的 3 ~ 7 倍。清 % 华的大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了 高脂质含量的异养 小球藻细胞, 脂质含量达 到细胞 干 重的 55%, 是自养藻细胞的 4 倍
[ 19] 25

Cylindrotheca

fusifor is m ,

Tha la ssiosira pseud onana

。启动 子方面 乙酸 辅酶

A 羧化酶基因 A 1和叶绿素 a/ c结合蛋白基因 fcp 启 CC 动 子 广 泛 在 Cyclotella cryp tica, N avicu la saproph ila, P haeodactylum tricorntum, Cylindrotheca fusifor is m ,
[ 28 29] ,

Tha la ssiosira pseud onana 成功表达外源基因 2 3 相关基因研究 .



脂肪酸生物合成途径以丙酮酸合成的乙酰辅 酶 A 为 底 物, 经 乙 酰 辅 酶 A 羧 化 酶 ( acety l2coenzym e A carboxylase ACCase ) 催 化 后 进 入 脂 肪 酸 合 成 途 , 径 (图 1 )。 这个酶促反应是脂肪酸合成和氧化过程中限制速 率的关键调节步骤, 因此 ACCase是脂肪酸生物合成途 径的关键限速酶。目前 / 工程微藻 0中脂质含量的提高 主要由于乙酰辅酶 A 羧化酶 ( ACC)基因在微藻细胞中 的高效表达, 在 控制脂质积 累水平方面 起到了重 要作 用。研究选择合适的分子载体, 使 ACC基因在细菌、 酵



2 工程微藻研究进展
当前, 国内外有许多科学家在探索发现新的藻种, 并研制 / 工程微藻 0, 希望 能实 现规模 化养殖, 降低 成 本, 为获取油脂 资源提供一条 可靠的 途径。微藻繁 衍 能力高, 生长周期短, 比陆生植物产油高出几十倍
[ 20]

,

并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。美 国可再生能源国家实验室 (NREL )曾支 持海洋微藻 研

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中公布。但微藻中 ACC基因的表达调控对脂类合成影 响的 研 究 未 见 新 的 报 道。 近 年 来, H an 等
[ 32]

报道

P hos tid ate phospha tase ( PAP ) 对于物体内的 脂肪存 pha 储有重要作用, 并发现其基 因普遍存在 于大多数 生物 体内, 目前在微藻中还未有相关报道。

3 微藻培养与光生物反应器
由于相对于作物, 微藻的生产一般比较昂贵, 光合 生长需要光照, 二氧化碳, 水和无机盐。温度一般维持 在 20 ~ 30e 之间。为最大限度的 减少成本, 生 物柴油 的生产可以忽 略光照的季 节性和昼夜 的变化, 依 靠自 然光照。在微藻的 培养过程中, 需要为 其细胞生 长提 供的无机元素包括: 氮 ( N ), 磷 ( P ), 铁 ( Fe), 并在某些 情况下还需要补充适 量的硅 ( S i), 这 些元素的最 低需 求可以用微 藻 的近 似分 子式 表 示, 即 CO0. 48 H 1. 83 N0. 11
图 1 目前已知和部分推测的藻类脂质合成途径 [30] F ig 1 P a thways of lip id biosyn thesis wh ich ar e . known or hypothesized to occur in a lgae
ACP: A cyl carrier protein Ado et S2adenosylm eth ion ine; ASQD 2c2 ; M , : Oacy l sulfoqu inovosyld iacy lglycero;l CDP: Cyt id ine25c2d iphosphate Co 2 ; A: Coenzy e A m ; DGDG : CTP: Cytidin e25c2triphosph ate; DGTS : D : D iacylglycero; AG l N, N2

P0. 01。该公式是根据格罗贝拉尔的计算得出的

[ 10]

。营

养物质, 如磷, 必须 提供过剩, 因 为某些 金属离子 吸收 与磷酸盐离子的吸收相耦联, 因此, 并非所有补充的磷 都是生物体可利用的。 G rm a等 i
[ 33]

使用海 水辅以商业

硝酸盐、 磷酸盐 肥料和几个 其它营养素 成功培养 了微 藻, 目前海水成为越来越 常用的海 洋微藻 培养基。理 论上用微藻生产生物柴油的过程如图 2 所示。

D igalactosyld iacylglycero; l

Diacy lglyceryl2N ,

tri ethylho oserine; E tn E th anolam ine; FA Fatty acid G232P: glycero l m m : : ; 2 32phosphate Glc: G lucose G lc212P: G lu cose212phosphate; In s I ito; ; ; : nos l Ins232P: Inositol 32phosphate; 2 P2Etn : P tdG ro : PtdIn s : M et : M eth ion in e ; MGDG: PtdE tn: P tdG roP: PtdOH:

M onogalactosy ld iacylglycero;l Phosphatidylethan olam ine;

Phosphoethanolam ine ; Phosph at idylg lycero; l Phosphatidylinosito; l

Phosphatidylglycerophosphate; Phosphatid ic acid; Ser Serine; :

SQ: Su lfoqu inovose; SQDG: Su lfoqu inovosyld iacylglycero; UDP: l U rid ine25c2diphosph ate

母和植物中充分表达, 进一步将 修饰的 ACC基因引 入 微藻中以获得更高效表达是目前基因微藻研究的主要 方向。 微藻脂类代谢中有 关 ACCase的调 控研究主要 在 美国进行。 NREL于 1991 年开展了有关基因工程构建 高油微藻的工作。他们起初想转化绿藻, 但未能成功; 后来改为转化硅藻, 并于 1995 年将 ACCase 基因转化 小环藻成功
[ 31]

图 2 用微藻生产生物柴油的理论流程 [ 12] F ig 2 A concep tua l pr ocess for pr oduc ing . m icroa lga l oil for b iod iese l

水, 无机物, 二氧化碳和光照在生物量培养阶段提 供给微藻。在生物 质回收阶段, 悬浮的 细胞从水 和残 留的营养物中 分离, 然后水 和残留的营 养物继续 在生 物培养过程循环使用。收获的生物质用来提取微藻油 脂, 并进一步转化为生物 柴油。生物质 提取后的 残留 能做动物饲料或者回收其他有较高价值的产品。大部 分残留物能够通过厌氧消化来生产沼气去发电。厌氧

。然而, 这时美国能源部却因经费问题

停止资助。此后, 国际上 关于藻类基因工程提高油 脂 含量的研究进展较慢。近年 来, 包括大肠杆菌及很 多 蓝藻在内的 ACC 基因编 码序列都在 G enBank 数据 库

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3 1 开放式光生物反应器 .

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消化的废水能作为富含营养 的肥料和灌溉水。大部 分 生物沼气生产的电 能被消耗在 微藻培养过 程, 一些 过 剩的能够用来销售。发电产生的二氧化碳重新再利用 到生 物 培 养 过 程。 碳 元 素 约 占 微 藻 生 物 量 干 重 的 50%
[ 34]

开放式的 反应器结构 简单, 操纵 容易, 成 本低廉。 开放式反应器 中最典型的 是跑道池式 反应器, 早 在二 十世纪五十年 代, 就已经有 人将跑道池 用于大量 培养 微藻, 这为现在 的实验研究 和工业化培 养微藻提 供了 丰富的经验。 Spolaore等
[ 14]

, 这些碳都来自于 CO2。 100 吨的微藻大约可以
[ 35, 36]

固定 183 吨二 氧化 碳。二 氧化 碳 必须 在白 天持 续 供 应。 Sawayama和 Yun 等 发现 生物柴油 的生产 可 以利用发电站所产 生的二氧化 碳, 这些二氧 化碳是 不 需要或只需要 很少的成本 的。理 想的情况 下, 微藻 生 物柴油是二氧化碳 零消耗的, 因 为微藻生长 所需的 碳 源来自于生物柴油 本身, 或来自 于生物质废 弃物厌 氧 发酵产生的甲烷。虽然微藻生物柴油是二氧化碳零消 耗的, 但它不会导致 化石燃料燃 烧产生的二 氧化碳 的 净消耗。 由于人们对 微藻认识的 不断加深, 渐渐 意识到 微 藻如果进行产业化 的生产, 那么 微藻高密度 大规模 的 培养是十分重要的, 但是目前人 们所能利用 的微藻 资 源十分有 限, 微 藻的 培养 容易 受到 污染, 收获 比较 困 难, 生产成本很高, 这些都限制了微藻大规模工业化的 生产。为了突破这些问 题, 进行微 藻大规模 高密度 的 生产, 适合于微藻生 长的光生物 反应器的设 计就十 分 重要了。目前, 规模化生产微藻一般采用连续培养, 连 续培养是指以恒定 的速率流加 新鲜培养基, 同时放 出 等量的培养液, 连续 培养是在白 天进行, 夜 间停止, 但 在夜间也需要 不停的搅拌, 防 止沉降。夜间 的呼吸 将 消耗掉白天所积累的生物量的 25 , 消 耗量取决于 微 % 藻生长时的光照、 温度以及夜间的温度。 用于微藻培养的光生物反应器是微藻大规模商业 化生产的技术平台, 在设计高效 的光生物反 应器时 要 充分考虑反应器内, 外环境因素, 藻类的生物学特性以 及生产成本。反应器的采光面积、 体系的循环方式、 光 通量密度、 温度、 等因素 都会对 微藻的培 养产生 很 pH 大大的影响。光生物反应器设计原则: ( 1)使反应器充 分利用光能, 保证稳定的最大生物量产率。 ( 2)尽可能 保持最高的光能转 化效率, 保证 反应器整体 的高效 率 运转。 ( 3)选用适宜的材料并根据 所培养藻类的特 点 确定反应器大小、 形状及结构。 ( 4 )反应器的总体积结 构应简洁、 实用, 并且易于放大。 目前规模化生产微藻可行的方法是使用跑道池和 管状光生物反应器, 即可分为两类: 开放式 (敞开式 )和 封闭式。

报道使用目前最大的跑道

池占地 440 000 平方米培养蓝藻来生产 食品。在跑道 池中, 所有冷却都是通过蒸发实现的, 温度也会发生昼 夜和季节的周期性变化。由于蒸发而形成的水份流失 很多, 因此跑道 池利用二氧 化碳的效率 要比光生 物反 应器低很多。产率会受有害藻类和以微藻为食的微生 物污染的影响。跑道池内不能维持一个旋光性暗区以 及未能充分混合, 管道内 的生物量 依然很 低。由 美国 能源部赞助的 研究中, 利用 跑道池中培 养的微藻 生产 生物柴油得到 了极高的评 价, 因为跑道 池的建造 和管 理成本较低, 但其生产力 也较低。该类 培养系统 实际 上就是占 地 面 积 为 1 000 ~ 5 000m , 培养 液 深 度 为 15 c 的环形浅池。以自然光为光源和热源, 靠叶轮转 m 动的方式使培养液于池内混合、 循环, 防止藻体沉淀并 提高藻体细胞的光能利用率; 可通入空气或 CO2气体进 行鼓泡或气升式搅拌。为防止污染, 减少水分蒸发, 生 产中常在池体 上方覆盖一 些透光薄膜 类的材料, 使之 成为封闭池
[ 37] 2



虽然开放式反应器在实际的生产中已经取得一些 成果, 但是对于 生产那些培 养条件比较 温和及种 群竞 争较弱的微藻来说它还存在一定的技术缺陷: ( 1)容易 被真菌、 原生动 物以及其他 杂菌污染这 样就难以 对微 藻进行纯种培养; ( 2)水分蒸发严重, CO2 供给不足 ( 3) 培养过程中受到光照和温度等环境因素影响较大。这 些因素都将导 致微藻的培 养密度偏低, 使采收成 本升 高。而对于高卫生要求的微藻的生产以及未来的基因 工程微藻的培养都必须采用封闭式光生物反应器。 3 2 封闭式光生物反应器 . 跟开放 式生物反应 器不同, 封闭式 光生物反 应器 可以延长纯种 微藻的培养 时间, 已成功 用于大规 模生 产微藻
[ 38 39] ,

。 Pu lz 研究发现人工照明的管状光生物

[ 39]

反应器在技术 上是可行的, 但是相对于 自然照明 的管 状光生物反应 器来说, 人工 照明的管状 光生物反 应器 成本更高。 与开放 式光生物反 应器相比, 封闭 式光生物 反应 器有许多优点: ( 1 )无污染, 能对更多种的微藻 进行高 密度的纯种培养; ( 2)培养过程中, 培养条件容易控制;

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[ 45]

( 3)不受外界环境因素影响, 全年生长期较长; ( 4)可以 维持较高的培养密度而且容易收获。 虽然封闭式 光生物反应 器存在成本 问题, 但是 由 于人们越来越多的 认识到了微 藻资源的重 要性, 近 年 来国内外对封闭 式光生物反 应器的研究 也越来越 多, 并且有些已经 实现了高密 度的商业 化培养。目前, 一 般的封闭式光生物反应器有: 板式光生物反应器、 柱状 气升式光生物反应器、 管状光生物反应器等
[ 40]

应器在微藻的培养中会有很大的区别。 Lcopez等



用这 两种反应器对 H a e tococcus p luvialis的 培养进行 ma 了比较, 与柱状 光生物反应 器比起来管 装光生物 反应 器更 适合用于 H ae tococcus p luvia lis室外的 大规模培 ma 养。但是管式光生 物反应器也 存在溶 氧积累, 管 径大 小以及采光面积等多方面问题, 目前, 为了解决这些问 题, 已经研制出 了许多不同 类型的管式 光生物反 应器 如双层排列管 式光生物反 应器、 多支路 并行流管 式光 生物反应器、 A2斜管或螺旋盘管式光生物反应器等。



板式光生物反应器由 Ramos de O rteg等人在 1986 年首次开发。该反应器具有结构简洁, 容易清洗, 操纵 条件容易控制并且可以通过改变光径来提高光能利用 率等种种优点, 使其 成为具有良 好应用价值 的光生 物 反应器。平板式光 生 物反 应器 一 般由 透明 塑料 或 玻 璃、 有机玻璃组成的箱形反应器, 可以利用人工光源也 可以利用自然光源。反应器内培养液循环的动力一般 由通气鼓泡方式提 供, 循环气体 可以带走体 系中的 氧 气, 因此可以 解决体 系中 溶氧 过高 对藻 细胞 的伤 害。 经过多年的研究, 平 板式光生物 反应器有了 很大的 发 展, 出现了许多改良类型。如垂直式的平板反应器, 倾 斜鼓泡式平板光生 物反应器, 多 层平行排列 平板光 生 物反应器等。 Sierra等
[ 41]

4 微藻脂质提取与转化
微藻脂质的提取方法主要有 氯仿 2 甲醇法、 酸水解 法、 索氏提取法。氯仿 2 甲醇法提取油脂有 剧毒性和难 回收性, 且对高水份样品的测定更为有效; 酸水解法水 解时易造成大量水分损失, 使酸浓度升高; 测定的样品 若无充分磨细, 则结合性脂肪不能完全游离, 致使结果 偏低, 同时用有机溶剂提取时也往往易乳化; 索氏提取 法是经典方 法, 对 大多 数样 品结 果比较 可靠, 但费 时 间, 溶剂量 大, 且 需专 门的 索氏 抽提 器。 不论 哪种 方 法, 实验发现脂 肪的提取主要 受溶剂 配比、 温度、 提取 时间三个因子的影 响
[ 46]

从光的照射、 流体动力 学、 传

。缪晓玲 等

[ 47]

利用正己 烷从

质混合和热量的传递等方面对平板光生物反应器进行 了研究。通过他们的研究得出平板光反应器放置的位 置和方向对较高的产率有很大的影响。并且与管状光 生物反应器比起来只需要很少的动力就可以达到足够 的传质、 混合和 热量转移的能 力。 实现微藻 的高密 度 培养的关键技术是尽可能的提高藻细胞对光能的吸收 和利用效率。平板式光生物反应器具有光能利用率高 的优点, 因此应用前景光阔。 柱状及管状光生物反应器一般都是以气体作为动 力, 包括气升式、 鼓泡式 等, 不同动 力方式对 培养会 产 生影响, O ncel等
[ 42]

异养生长的小球藻 (脂 类化合物含 量高达细胞 干重的 55 ﹪, 是一般自养藻细胞 ( 14 ﹪ )的 4 倍 )细胞中提取 获得了大量油脂。这些异养微 藻油脂在 30e 、 醇油物 质的量比为 56B1以及浓硫酸催化条件下经酯交换反应 4h 可形成高质量的生物柴油。 酯交换法是当前制备生物柴油的常用方法。通常 使用醇和动 植物油 在不 同条 件下 反应 生成脂 肪酸 甲 酯。在此反应中甲醇最常用, 这是由于甲 醇的价格较 低, 同时其碳链短、 极性强, 能够很快地与脂肪酸甘油 酯发生反应, 且碱性催化剂较易溶于甲醇 化
[ 51] [ 48]

。根据催 、 碱催

对 这两种方式进行了研究, 他们 发

化剂类型的不同, 酯交 换法主要分 酸催化 、 物酶催化 生
[ 52]

[ 49 50] ,

现在相同的物理条件下气升式的反应器效率更高。目 前柱状光生物反应 器主要以气 升式为主, 其 主体结 构 由内桶和外桶组成, 通过气体的 传动是藻液 在反应 器 中循环, 提高光能利 用效率并且 防止培养液 中溶解 氧 过饱和
[ 43]

和超临 界催化

[ 53]

四 种。酸 催化

的酯化反应需要较高的温度, 耗能较高; 碱催化的特点 是转化率高, 但容易 产生皂化, 且 在后处理中 容易产 生污水; 酶催化的缺点是酶的价格较高; 超临界法的特 点是反应时间短, 转化率高, 产物易分离但其反应设备 条件要求高, 醇耗量大, 生产成本高。

。随着研究的发展柱状光生物反应器的形状
[ 44]

也有了些改变, 如 Suh 等

把反应器底部设计成锥 形

这样就有效的减少了细胞的沉淀。 管装光生物反应器实际上就是柱状光生物反应器 的放大, 一般采用透明的直径较小的硬质塑料或玻璃、 有机玻璃管弯曲成不同的形状。柱状与管状光生物反

5 展



微藻生物柴油是唯一能满足全球需求的可再生的 生物柴油, 具有诸多优点, 完全有可能取代来自石油液

124

中国生物工程杂志 China Bio technology
m icroalgae f b iod iese. or l 2008 24 ( 3): 341 ~ 348 ,

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Ch inese Journa l of B iotechnology ,

体燃料。但目前生产微藻生物柴油的主要存在的成本 问题必需大幅 改善, 才能与石 化汽油 抗衡。首先是 选 育快速生长和高脂 质含量的微 藻, 优化培养 条件和 工 艺, 在光生物反应器 工程中充分 利用生物炼 油厂的 理 念和发展, 采用大规模生产来降低生产成本。此外, 生 产低成本的微藻生物柴油的主要途径是通过遗传和代 谢工 程 改 善 藻 类 生 物, 大 幅 提 高 其 生 长 速 度 和 脂 质产量。 然而, 生物体内 脂质积累过 程和调节机 制非常 复 杂, 导致脂质积累过 程中某一关 键蛋白的过 量表达 受 到其他关键路径的限制并不能有效提高脂质产量。因 此, 针对某一特定路 径的基因工 程改造对脂 质积累 的 作用是非常有 限 的。 完整 描述 脂 肪酸 合成 和脂 质 积 累, 进一步研究脂质 代谢各路径 的调控机制 具有重 大 指导意义。基于脂质合成和代谢路径与调解机制相结 合的 基 因 工 程 改 造 将 是 以 后 工 程 微 藻 研 究 的 主 攻方向。

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梅特勒 2 托利多 N ewC lassic系列天平全新上市
梅特勒 2 托利多 全新 Ne lassic系列天平即将上市, Ne lassic系列天平是面对各种业务挑战而开发的新一代分析和 精 wC wC 密天平, 上市后将逐步替代现有的经典 B系列和 L2IC系列天 平。 / C lass ic0表示梅特 勒 - 托利多 在称量领 域长期 以来积 累 的传统和先进技术, 以及倍受客户赞赏的天平系列和型号; 而 / Ne w0标志着 梅特勒 2 利多不 断创新 的能力, 全新 的研发 平 托 台, 众多新的产品特性和新的功能设计。 NewC lassicM S天平具有精确称量、 易于清洁、 设计坚固的产品特性。 NewC lassicM S天平的产品特性: 单模块传感器 (M onoB loc): 具有良好的抗冲击、 抗过载 性能, 确保准 确的称 量结果; 高对 比显示 屏 ( HCD) : 清 晰显示 称 量结果, 实现无差错称量读数; 全自动校准技术 ( FACT ): 温度漂 移和时 间触发 的全自 动内置 砝码校 正, 确 保获得 精确的 称 量结果; 功能键 ( S artKey): 可直接调用预设的称量应用程序; 防风罩 锁定装 置 ( Qu ickLock): 无需使 用工具 和移动 天平, 即 m 可方便拆卸所有防风罩玻璃, 并可将防风罩玻璃放置到洗碗机中进行 清洗; 全金属机架: 具有 良好的抗 过载保护性 能, 延 长 天平使用寿命; 水平锁定装置 ( Leve lLock): 提 供良好 的稳定 安全性; 内置 R S232和 USB 通讯接 口: 可 连接打 印机等 外围 设 备, 并且将称量结果直接传输至 Excel表格。 请登陆梅特勒 - 托利多 全新 的虚 拟展厅 ( www m t com /newclass ic), 感 受 NewC lassic系 列天 平的 众多 新功 能; 观看 视 . . 频, 了解如何进行天平的简单操作或清洁; 通过三维动画展示天平, 并且由向导助手 为您选择最适合称量需求的天平。


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