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微藻产生物柴油研究进展



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2011 年第 30 卷第 10 期

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS

研究开发 微藻产生物柴油研究进展
陈 国,赵 珺,苏鹏飞,陈宏文
(华侨大学生

物工程与技术系,福建 厦门 361021) 摘 要:微藻是地球上生长最快的植物,利用含油微藻作为生物柴油的原料来源是生物燃料产业最具竞争力的

选择之一。本文首先介绍了含油微藻制备生物柴油的工艺过程,然后对产油微藻的筛选、微藻培养系统、微藻 的收集分离、藻油的提取、微藻油脂制生物柴油过程分别进行了阐述,其中就用于微藻规模化培养的循环渠开 放系统和各种光生物反应器的封闭系统进行了较为详细的讨论,指出了各种系统的优缺点和最新研究进展。最 后,就微藻产生物柴油产业的发展趋势和研发方向提出了建议。 关键词:微藻;油藻;生物柴油;培养系统 中图分类号:TK 6 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2011)10–2186–09

Progress in biodiesel production from microalgae
CHEN Guo,ZHAO Jun,SU Pengfei,CHEN Hongwen
(Department of Bioengineering and Biotechnology,Huaqiao University,Xiamen 361021,Fujiang,China)

Abstract:Microalgae is the fastest growing plant on the earth. As a resource for biodiesel production, microalgae is one of the most competitive options for biofuel industry. In this article,the process of biodiesel produced from oilgae is introduced, consequently, units of process such as screening of algae strain, cultivation system of algae, algae harvesting, extraction of algae oil and conversion of algae oil to biodiesel are elucidated independently. Especially,various microalgae cultivation systems including open pond as open system and photobioreactors as closed system for mass production of algae are discussed in detail. The advantages and disadvantages of different cultivation systems are compared and advances of cultivation systems are summarized. Finally , trends and research areas in microalgae-biodiesel industry are proposed. Key words:microalgae;oilgae;biodiesel;cultivation system 生物柴油是生物质能的一种,与石化柴油相 比,具有不含硫和芳烃、十六烷值高、可被生物降 解、对环境危害小等优势,达到美国“清洁空气法” 所规定的健康影响检测要求,且其闪点高,储存、 使用、运输都非常安全,所以成为最受欢迎的石油 替代能源之一。酯化及转酯化反应是制备生物柴油 的最常用方法,其基本原理是通过将脂肪酸和脂肪 酸甘油酯分别与一元短碳链醇进行酯化和转酯化反 应制备脂肪酸单酯。传统的生物柴油生产原料主要 是各种天然植物油、动物脂肪、餐饮废油及食品工 业的废弃油脂等。为避免生物柴油产业发展出现与 人争地与人争粮的局面,非粮油料植物和油藻将是 生物柴油原料持续稳定供应的主要来源。油藻是地 球上可利用二氧化碳进行光合作用的最简单生物, 某些微藻可在胞内合成油脂,其单位土地面积产油 效率约是陆生油料作物的 10~25 倍, 每公顷年产油 可达 20~30 t,因此受到广泛重视。微藻具有高生 产效率、无需高质量的农业耕地及含油量高等特点 使其成为替代液体燃料资源的最佳选择之一。
收稿日期:2011-04-03;修改稿日期:2011-06-08。 基金项目:国家自然科学基金(20906035)及华侨大学基本科研业务 费专项基金(JB-JC1008)项目。 第 一 作 者 及 联 系 人 : 陈 国 ( 1978 — ) 博 士 。 E-mail chenguo@ , china.com.cn。

第 10 期

陈国等:微藻产生物柴油研究进展

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美国能源部 (U.S. Department of Energy, DOE) 早在 1978 年就提出利用水生植物作为能源原料的 ASP(Aquatic Species Program)计划,1978—1982 年主要侧重于微藻产氢的研究,20 世纪 80 年代前 期开始将重点逐步转移到微藻产油脂进一步生产生 物柴油的研究 [1] 。 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 (National Renewable Energy Laboratory,NREL) 在这方面做了大量的工作。1995 年,迫于财政压 力,美国能源部取消了微藻产生物燃料计划。近 年来由于能源危机和改善环境的压力,微藻产生 物柴油计划成为各国争相开发的热点 [2-4]。我国也 于 2010 年提出由华东理工大学牵头的国家 973 计 划“微藻能源规模化制备的科学基础”,为未来 微藻能源产业奠定基础。

2 产油微藻的筛选
微藻是一种简单的能进行光合作用的水生生 物,产油微藻的筛选工作早期主要由 1980—1990 年的 ASP 计划推动。 ASP 将微藻分为硅藻 (diatoms, Class Bacillariophyceae)、绿藻(green algae,Class Chlorophyceae) 金棕藻 、 (goldenbrown algae, Class Chrysophyceae) 定鞭金藻 , (prymnesiophytes, Class Prymnesiophyceae)、黄绿藻(eustigmatophytes, Class Eustigmatophyceae ) 和 蓝 绿 藻 ( blue-green algae,Class Cyanophyceae)6 大类。ASP 在藻种筛 选过程中,主要就微藻的纯培养技术、藻种的保 藏技术、微藻培养基的设计、微藻生长温度、微 藻对盐的适应性及生长特性等方面进行了较深入 的研究。其中针对硅藻和绿藻的研究较多。微藻 中 油 含 量 最 高 可 达 藻 干 重 80% , 较 常 见 的 是 20%~50%之间, 常见微藻油含量如表 2 所示。微 藻油脂存在于胞内,传统筛选方法采用破胞、萃 取后分析油脂含量的方法进行筛选,费时费力。 现在多采用尼罗红 [5]、亲脂性荧光染料 BODIPY 505[6]对藻内脂肪块进行染色,结合荧光显微镜和 流式细胞仪进行筛选。 Mutanda 等 [7]对微藻筛选技 术进行了总结,指出高通量显微筛选技术是发展 方向。现代微藻筛选的研究集中于基因工程和代 谢工程的研究,Song 等 [8]对微藻中脂肪酸的代谢 途径 及 新型 藻种 筛 选构 建技 术 进行 了较 好 的总 结,提高光合作用效率、油脂含量、藻的环境适 应性和自裂解释放油脂等是基因工程改造藻种的 主要目标所在。

1 微藻生产生物柴油工艺
微藻产生物柴油工艺路线如图 1 所示。其基本 工艺过程是,选择适合当地环境条件的产油微藻, 在开放环境或封闭体系中进行微藻的大量繁殖,利 用离心、过滤等手段从培养体系中收获微藻,从微 藻中提取油脂,将油脂通过酯化或转酯化反应转化 为生物柴油。微藻的生产成本主要由微藻培养、收 获、提取和转化等过程的成本构成。各单元操作目 前可供选择的技术如表 1 所示。要获得高的生产效 率,关键是高产油微藻的筛选、高效光生物反应器 的开发和低成本的收获提取技术。
表1
单元操作 培养系统 开放渠

微藻产生物柴油过程中单元操作可供选择的技术
方法选择 封闭渠 离心 正己烷萃取 非均相催化 光生物反应器 絮凝 浮分离 电泳

3 微藻大规模培养系统
为了大规模培养微藻提取油脂制备生物柴油, 研究成本低廉有效的微藻培养系统具有重要的意 义。微藻培养系统是微藻生长代谢的主要场所,设

收获单元 沉淀和过滤 提取单元 转化单元 压榨 均相催化

图1

微藻生产生物柴油工艺路线

·2188· 常见微藻含油率[2,8-9]









2011 年第 30 卷

表2
微藻种类

表3
变量

用于微藻培养的开放系统与封闭系统比较
光生物反应器
-1

含油率(干基)/% 25~75 28~32 20 16~37 23 25~33 >20 20~35 31~68 35~54 45~47 20~30 50~77

开放/封闭渠 100000 0.117

Botryococcus braunii Chlorella sp. Crypthecodinium cohnii Cylindrotheca sp. Dunaliella primolecta Isochrysis sp. Monallanthus salina Nannochloris sp. Nannochloropsis sp. Neochloris oleoabundans Nitzschia sp. Phaeodactylum tricornutum Schizochytrium sp.

生物质产量/kg?a 单位体积产率 /kg?(m ?d)
3
-1

100000 1.535

单位面积产率 /kg?(m2?d)
-1

0.048 ;0.072





0.035



生物质浓度/kg m 稀释率/d
-1

-3

4.00 0.384

0.14 0.250 7828 183333 978 m2/渠;宽 12 m; 长 82 m;深 0.3 m 8

面积需求/m

2
-1

5681 183333 132 平行管/单元;管 长 80 m;直径 0.06 m

CO2 消耗/kg?a 系统几何尺寸

单元数量

6

①基于设施面积;②基于光生物反应器投影面积;③基于实际渠面积。

计微藻培养系统一般需考虑:土地利用率、能源消 耗、光能利用效率、避免污染、成本、放大。 目前微藻培养系统主要有开放系统和封闭系 统。开放系统一般建于室外,培养系统与环境有物 质的交换,该类系统稳定性受环境影响较大,不利 于控制微藻的培养条件,但建设成本低廉。封闭系 统一般建于室内,系统封闭运行,与环境无物质交 换,该类系统运行稳定,条件参数相对易控制,但 建设和运行成本较高。美国地广人稀,建有较多开 放系统,并提出新型微藻能源农场的概念;日本及 欧洲以研究封闭系统的光生物反应器为主,注重系 统的高产率和稳定运行。开放系统与封闭系统的比 较如表 3 所示。 此外二氧化碳的持续稳定供应、培养过程中的 能源提供、光能的综合利用等也是设计培养系统需 要考量的重要因素。 评价光生物反应器的效率主要有体积产率、面 积产率和光合效率。体积产率指单位反应器体积单 位时间获得的生物量,用于评价生产效率。面积产 率指反应器所占单位面积单位时间获得的生物量, 用于评价土地利用效率。光合效率指消耗单位光能 单位时间获得的生物量,用于评价反应器对能量的 利用效率。 3.1 反应器 反应器是微藻生长代谢的场所,设计光生物反

应器一般遵循如下原则:尽可能充分利用光能,保 证稳定的最大生物量产率;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;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;反应器的建设运行费用低;反应 器总体结构简洁、实用。 流体力学特性和传递特性是光生物反应器的 重要特征,具体包括体积传递系数、混合速率、液 体流速、气泡速率及气泡停留时间等是设计反应器 时的主要依据。 3.1.1 循环渠(open/closed pond system) 循环渠是由闭合的循环流通沟渠组成,沟渠 由混凝土建造,考虑到光的透过性,一般建成浅 沟 [10-11]。循环渠是“跑道”的设计,其中的藻类、 水和养分循环形成一个运动场,通过泵或浆轮进行 物料混合和循环,水流通过折流板引导,从浆轮前 连续加入培养基,浆轮连续运行以防止沉淀。循环 动力采用气泵(air pump) 、水泵(water jet pump) 、 浆轮(paddlewheel)或混合模式提供。循环渠结构 如图 2 所示。为降低混合、污染等风险,一般循环 渠尺寸为 50 m(L)×5 m(W)×0.4 m(D) ,占 2 容量约为 100 t 水,每天约可生产 地约为 250 m , 35 kg 的微藻。该系统一般使用手持式的电导仪、 pH 计和微藻计数器测定培养过程中的相关参数。 为降低环境对系统的影响,也有将循环渠建于温 室内的研究。Ben-Yaakov 等 [12]通过对传统模型的

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陈国等:微藻产生物柴油研究进展

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学对平板光生物反应器内流场进行了模拟,指出垂 直与光路方向的流体运动速度有助于流场均匀,但 对光路的稳定性会造成影响,流体胶束的波动使微 藻在光区和暗区的运动可提高光的利用率。Hsieh 等 [16] 指出在平板反应器中放置由丙烯酸树酯制成
图2 循环渠结构简图

的透明方块可提高微藻的光合作用效率,对 Chlorella sp.的研究结果显示生物量产率达 0.340 g/(L?d),比普通的平板光生物反应器高 56%。 3.1.3 塑料袋系统(plastic bag system) 塑料袋培养系统是由平行垂直悬挂的一组塑 料袋组成,其主要优点是结构简单和成本低廉, 如图 4 所示。该系统最早由 Cohen 等 [17]发展,相 比于循环渠,塑料袋系统具有更高的光利用率和 传热速率,并且能降低污染和由蒸发引起的盐浓 度波动, 是适合室外培养的一种低成本封闭系统方 案。 Cohen 等[18]对红藻 Porphyridium sp.的培养显示 其生物量面积产率可达 17.7 g/m2,远高于循环渠 的 7.6 g/m2。 对其传递特性的研究较少, 一般认为 其传递特性应好于循环渠,不及管式反应器和平 板反应器。 3.1.4 管式光生物反应器(tubular photobioreactor) 管式反应器是最适合室外大规模培养微藻的 光生物反应器之一[19],如图 5 所示。管式反应器是

修正将微型计算机用于循环渠培养微藻操作条件 的在线优化。 3.1.2 平板式光生物反应器(flat-plate photobioreactor) 平板光生物反应器是由透明的玻璃、 PVC 等材 料制成的扁平长方体容器和支架构成, 如图 3 所示。 其主要优点是太阳能利用效率高、溶氧较低、适合 室外培养、产率较高和制作成本较低等。其缺点是 控温较困难、微藻贴壁生长和水的静压力较高。 Sierra 等[13]对尺寸为 0.07 m(W)×1.5 m(H)×2.5 m(L)的平板光生物反应器进行了研究。东西向垂 直放置的平板反应器每天的光照强度 13~29 MJ/m2 与水平放置的 11~30 MJ/m2 相当,更利于微 藻均匀受光生长。通气速率与能耗直接相关,且其 决定了反应器的流体力学特性,进而影响反应器的 持气量、传质、混合和传热等重要特性。结果表明 输入功率为 53 W/m3 的通气条件下,反应器的体积 传递系数达 0.007 s?1,混合时间小于 200 s,足以保 证传质和溶氧的排除。其主要不足是该通气速率 下产生的剪切压力可能会损伤微藻。 Reyna-Velarde 等 [14]对尺寸为 0.15 m(W)×0.57 m (H) ×0.67m (L) 的平板光生物反应器进行了研究, 分别对空气-水两相体系和空气-培养基-微藻三相体 系进行了研究,其界面气体传递速率为(5×10?5)~ (8.4×10?3) m/s,输入功率为 35 W/m3 两相体系和三相 - - 体系的最大KLa 值分别为0.0057 s 1 和0.0087 s 1, 2 CO 利用效率为 30.57%。Su 等 [15 ] 通过计算流体力

图4

塑料袋光生物反应器系统结构简图

图3

平板式光生物反应器结构简图

图5

管式光生物反应器结构简图

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2011 年第 30 卷

由直径为 0.04~0.08 m 的圆形玻璃或塑料管组成, 成水平、垂直或盘管形式放置,培养液在管式反应 器中循环流动,其驱动力一般由水泵或气泵提供。 管式光生物反应器的优点是受光面积较大,缺点是 传质特性较差
[20]

升式反应器中培养 Haematococcus pluvialis, 界面传 递系数和体积传递系数 KLa 分别为 0.024 m/s 和 0.009 s 1。Molina 等 [27]研究了不同黏度的牛顿型


流体在反应器中的循环和混合特性,指出黏度在 (1.54~19.50)×10
-3

。Ugwu 等

[21-22]

测定了 6 L 的管式
-1

Pa?s 的流体, 其循环速度不受黏

反应器培养 Chlorella sorokiniana 过程中的界面传 递速率为 0.02 m/s, 体积传递系数 KLa 为 0.003 s 。 管式反应器培养微藻密度高,光合效应快,产生氧 气速度快,最大氧气生成速率可达 10 g/(m ?min), 造成培养过程中产生的氧气容易累积而影响光合作 用,因此管式光生物反应器的设计长度受此限制, 典型的管式反应器设计长度一般不超过 80 m
[23] 3

度的影响,持气会随黏度增加而降低,黏度对混合 时间的影响较小。Kilonzo 等[28]对牛顿型发酵液在 气升式反应器中的氧气的传递特性进行了总结,扩 散系数、液膜传递系数和体积传递系数均随黏度增 大而下降,其中液膜传递系数下降最快。小于 2.5 mm 的气泡在黏性发酵液中,上升缓慢,大部分小 气泡会被带到下降区,该特性对总传递系数影响较 大。Wu 等 [29] 模拟了在气升式反应器中培养红藻 Porphyridium sp.的过程,研究了气体流速、反应器 高度、反应器直径等对光合作用的影响。 3.1.6 搅拌罐系统(stirred tank system) 传统的搅拌罐反应系统研究较成熟,有丰富的 放大经验可循,能提供良好的混合效果,反应条件 易保持恒定,容易灭菌,其不足之处在于反应器体 积较大,单位体积受光面积较小,仅依靠自然光源 无法满足微藻生长需要,因此需提供内置光源使反 应器内的微藻受光尽量均匀。典型的搅拌罐光生物 反应器如图 7 所示,在传统搅拌罐反应器基础上, 通过光纤将外部人工光源或自然光源导入反应器内 部。Ogbonna 等[30]设计了一种聚集太阳光的装置, 并通过光纤导入反应器内部,此外系统整合了人工 光源以弥补夜晚和多云天气太阳能的不做,从而保 证反应器能持续运行。 Zijffers 等[31]发明了一套捕捉 太阳光、传递太阳光、并使光能均匀分散在反应器 中的装置。

。 培

养过程中产生的氧气在管式反应器中难以脱除,需 与脱气罐连接。此外在培养过程中,随着 CO2 的消 耗,pH 值在管式反应器轴向会逐渐增加,CO2 的浓 度会逐渐降低,也会造成微藻生长条件的波动,按 一定间隔脱气补充 CO2 的可减小梯度 pH 值和浓度 造成的影响[24]。 Berenguel 等[25]对 pH 值的变化规律 和补偿模式进行了探讨。此外管式反应器温度较难 控制,如果配置恒温系统,则成本过高。管式反应 器中, 微藻容易贴壁生长, 需要定期进行清洁处理, 以保证反应器的透光性[26]。 3.1.5 气升式光生物反应器(air-lift photobioreactor) 气升式反应器是由玻璃或塑料制成的柱状反 应器,其主要特点是内部有导流板,将液体分为上 升区和下降区,通过气体驱动液体在反应器内的循 环运动,如图 6 所示。气升式反应器的优点是结构 简单、紧凑、容易制备、传递混合特性好,但气升 反应器放大后单位体积受光面积下降较快,影响细 胞的光合作用。Vega-Estrada 等研究了在 2 L 的气

图6

气升式光生物反应器结构简图

图7

搅拌罐光生物反应器结构简图

第 10 期

陈国等:微藻产生物柴油研究进展 表5
成分 N2 CO2 O2

·2191· 煤电厂烟道气组成
成分 SO2 NOx 煤灰 浓度 400 mL/m3 120 mL/m3 50 mg/m3

3.2 光源 微藻通过光合作用固定二氧化碳,因此光的利 用率对微藻细胞的生长具有重要影响。流体的运动 和反应器中光强度梯度的常使微藻细胞所受光照波 动变化,往往对微藻的生长产生不利影响。 Perner-Nochta 等[32]结合流体力学模拟和光区-暗区 模型分析,指出在有搅拌的反应器中,光区-暗区的 转换频率为 3~25 Hz;而无搅拌的管式反应器中, 同样条件下,光区-暗区的转换频率为仅为 0.2~3.1 Hz,因此加强混合搅拌更有利于提高光的利用效 率。Sato 等[33]结合两相流传递和光合作用模型,并 考虑了微藻在光区-暗区的变换, 发展了一种用于模 拟微藻规模培养的虚拟光生物反应器,将其用于微 藻 Chaetoceros gracili 的生长模拟, 成功预测了最大 氧释放速率下的微藻密度。微藻培养系统多采用太 阳光源。但太阳光源受天气、时间等的影响较大, 为维持微藻的快速生长,达到最大产率,对于封闭 反应器,往往需要使用其它人工光源。表 4 对不同 人工光源的特性进行了简单对比。 3.3 二氧化碳 提供给微藻生长的 CO2 多来自于空气和燃烧化 石燃料的工厂的烟道气。通过 CO2 浓缩分离技术, 提高培养基中 CO2 浓度可改善微藻的固碳特性。典 型的煤电厂烟道气组成如表 5 所示。微藻不仅能固 定二氧化碳,还能利用烟道气中的 SO2 和 NOx,因
表4
光源 传统光源

体积分数 82% 12% 5.50%

此微藻培养常与煤电厂、水泥厂、化肥厂等进行耦 联,既可以降低废气污染,同时也可延伸产品链。 但 Pfromm 等[35]从质量守恒的角度分析,依赖于热 电厂或化肥厂生产过程中产生的二氧化碳不具有可 持续性,对于规模化微藻生产需要与能持续产生二 氧化碳的生物乙醇产业耦联。Powell 等[36]对基于微 藻和酵母建立的生物乙醇、生物柴油、燃料电池的 整合系统的经济评价。

4 微藻的收集及藻油的提取
目前常用的微藻富集分离方法有膜过滤、离 心、絮凝及泡沫分离等方法[37-38]。膜过滤多使用改 性纤维素作为滤膜,滤膜易污染,采用逆流操作可 一定程度得到改善。离心是一种常用的细胞分离方 法,采用离心分离不会引入其它的化学试剂,但能 源成本较高。絮凝是工业化常用的分离手段,通过 将微藻细胞絮凝成块后分离,该方法需要加入 AlCl3、FeCl3 或壳聚糖作絮凝剂,在后续的分离中 絮凝剂较难除去。泡沫分离通常需要先使用絮凝剂 絮凝微藻细胞, 然后鼓泡微藻浮渣, 从而收集分离。 考虑到微藻细胞表面的带电特性,采用电泳的方法 富集分析细胞也有报道。 微藻油脂多分布在细胞壁中,可通过各种方法 提取,其中最简单是机械破碎法。不同的藻类物理 特性差别较大,需选用不同的挤压方式。化学法常 用的化学溶剂有苯、乙醚,也可用正己烷提取,正 己烷提取是食品工业常用的方法,相对较便宜。酶 法提取利用酶分解细胞壁释放藻油,但酶法成本比 正己烷萃取更高。超临界二氧化碳兼具液体和气体 的特性,是一种新型的提取技术,但成本较高[39]。 另外通过高渗透压冲击和超声波辅助提取等技术, 都可加速细胞壁的破裂和胞内物质的释放,使提取 更容易。通常,机械破碎法与化学法联合使用进行 微藻油脂的提取。从微藻中提取油脂费用较高,约 为 1.80 美元/kg。

不同人工光源特征及耗电情况[34]
特征 较高的生物质产率,较高的稳 稳定性 高 耗电/kW?h 40.32

定性,光照面积大,建设费用低 LED 光源 低能耗,低热量,长寿命,耐 受频繁开关操作,高稳定性,建 设费用低 金属卤化物激 发光纤 高能耗,土地需求少,光径好, 光分布均匀,空间需求小,低污 中 36.0 高 20.16

(OF-MH) 染风险 太阳能激发光 低电消耗,光径好,光分布均 低 1.0

纤(OF-solar)匀,空间需求小,低污染风险, 运行费用低 LED/太阳能 无电消耗,光径好,光分布均 高 0

光纤 结合风 匀,空间需求小,低污染风险, 电系统 建设成本高

注:光源的电能消耗是基于 40 L 反应器。

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2011 年第 30 卷

5 微藻油脂制生物柴油工艺
微藻油脂主要以甘油三酯或脂肪酸形式存在 于微藻细胞壁中,因此通过酯化和转酯化反应催化 植物油转化为脂肪酸单酯的生物柴油制备方法同样 适合于微藻油脂,其反应如图 8 所示。甘油三酯甲 酯化催化过程可采用均相催化和非均相催化,工业 上常用催化剂有液体酸催化剂和液体碱催化剂。为 减少过程中的污染, 固体酸催化剂、 固体碱催化剂、 酶催化、超临界无催化剂体系和离子液体催化是主 要研究方向。Krohn 等[40]研究了利用二氧化钛小球 催化超临界甲醇与藻油反应连续催化制备生物柴 油,转化率约为 85%。Patil 等[41]利用超临界甲醇直 接与含水 90%的湿藻反应, 藻与甲醇按 1∶9 g/mL) ( 比例混合,225 ℃下反应 25 min,制备生物柴油。 藻油与一般植物油的主要区别在于含更多双键, 其氧化稳定性相对较差,因此储存稳定性比植物 油制备的生物柴油差。为达到欧洲生物柴油氧化 值标准,可采用氢化的方法提高微藻油脂的饱和 度。Francisco 等 [9]对 6 种微藻在鼓泡式柱状光生 物反应器中培养后藻油中各种脂肪酸含量进行了 测定,指出 Chlorella vulgaris 最适合用于生物柴 油资源藻种,其油脂中多不饱和脂肪酸含量低于 5%,制得的生物柴油符合美国(ASTM 6751)、 欧洲(EN 14214)、巴西(ANP 255)生物柴油 标准。
图9 美国微藻生物燃料企业数量增长情况[42]

济分析指出,原油价格如果达到 100 美元/桶,微藻 制生物柴油将有经济上的可行性。Sorguven 等 [43] 从热动力学角度对微藻生物柴油产业分析结果显 示,实际可利用的净能量只占所得生物柴油能量的 1/4, 指出筛选高含油藻种和降低微藻规模化培养成 本是关键所在。新型藻种应基于基因工程技术,着 眼于的提高藻含油量、快速生长、高密度、高效的 光利用率、较宽的环境适应性、改善藻油的碳链长 度和不饱和度等方向发展。光生物反应器的放大是 大规模培养微藻的重要环节,其难点在于放大过程 中保持光生物反应器的光利用、温度、混合、传质 等特性稳定。微藻培养的关键是最大限度地利用太 阳能,太阳能受天气、地理位置、季节的影响较大, 不利于商业化的稳定生产过程的控制,因此如何持 续进行稳定生产是微藻产业需要考量的一个重要因 素。通过设计自养异养混合模式维持细胞在无光条 件下的生长,研究太阳能电池、风能等与微藻培养 的联用以改善光照时间和提供动力能源,以满足微 藻能源全生命周期的低外源能耗要求,是微藻培养 系统设计的方向所在。 参 考 文 献

6

展 望
随着近年来石油价格的高涨,微藻能源发展非

常迅速, 9 展示了 2000 年以来美国微藻生物燃料 图 企业数量的增长情况。生物柴油可直接用于发动机 引擎,是替代石化液体燃料的最现实选择,微藻是 替代传统植物油制生物柴油的选择之一。 目前限制微藻能源产业发展的难点仍然是成 本太高,Gallagher
[42]

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通过对微藻制生物柴油产业经

图8

酯化及转酯化反应方程

第 10 期

陈国等:微藻产生物柴油研究进展

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