能源藻類生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

1生物質(zhì)燃料特性為傳統(tǒng)作物生產(chǎn)能源緊張和污染是世界的共同問題。隨著石油、煤炭的減少,許多國家開始把清潔、可再生的生物能源擺在了重要位置。但現(xiàn)階段所使用的生物質(zhì)燃料通常以糧食、油料等作物為原料,由于這些傳統(tǒng)作物價格高、生產(chǎn)周期長、運(yùn)輸儲存困難等缺點(diǎn),以傳統(tǒng)作物為原料生產(chǎn)生物質(zhì)燃料不僅成本高,并且占用大量耕地、危及糧食安全,因此大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)燃料需要轉(zhuǎn)換思路,尋找新型生物質(zhì)原料。藻類是一類分布極廣的低等自養(yǎng)生物,通常細(xì)胞內(nèi)含有葉綠體,在光照條件下,利用二氧化碳和水合成有機(jī)物質(zhì),以進(jìn)行無機(jī)光能營養(yǎng)。藻類對環(huán)境條件要求不高,適應(yīng)能力強(qiáng),并具有細(xì)胞增殖快、光能利用率高、生物產(chǎn)量高及不受土地條件限制等優(yōu)點(diǎn),有些微藻含油量可達(dá)50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上,是一種非常具有利用價值的生物質(zhì)能原料。2國內(nèi)外研究2.1培訓(xùn)條件研究影響藻類生長的條件包括光照、營養(yǎng)、二氧化碳、溫度和pH值等,通過找尋相對合適的培養(yǎng)條件可獲得盡可能多的產(chǎn)量及提高藻細(xì)胞的含油量。2.1.1藻細(xì)胞脂肪含量的測定光照是藻類生長最基本條件,通常增強(qiáng)其光合作用可以獲得更多的油脂。Mortenson等對Chlorellavulgaris和Euglenagracilis的研究表明,增加光強(qiáng)能夠促進(jìn)脂肪酸含量的增加;但石娟等對小新月菱形藻及等鞭金藻的研究發(fā)現(xiàn),低光照下藻細(xì)胞脂肪含量高,而高光下則相反。所以光照強(qiáng)度與脂含量的關(guān)系在藻種間存在差異。JohanUGrobbelaar等研究了光照/黑暗頻率變化對微藻光合作用性質(zhì)的影響,結(jié)果顯示光合速率隨光/暗頻率的增加呈指數(shù)增長;藻類不會適應(yīng)特定的一個光/暗頻率。研究認(rèn)為,影響光合速率最重要的一個因素是藻種的光適應(yīng)性——其喜光還是喜暗。通常低頻率的光/暗變化會被藻類感知為低光照,高頻率則相反。在這種光/暗變化的環(huán)境下,光利用率取決于藻類的光適應(yīng)性,光/暗變化頻率及光照時間。所以利用光/暗變化來提高光合作用的效率,要根據(jù)藻種的不同來選擇頻率,適應(yīng)光環(huán)境的藻種可使用高頻變化的光/暗條件,適應(yīng)暗環(huán)境的藻種則使用低頻變化的光/暗條件,這樣可避免過多的能耗。2.1.2冰上生長藻類就溫度來說,大多數(shù)藻類最適宜的生長溫度在20℃～30℃間;也有的藻類在85℃的溫泉中大量繁殖,有的在長年不化的冰上生長。目前大部分研究都在室溫條件下進(jìn)行。2.1.3培養(yǎng)基組成對混養(yǎng)小球藻的影響藻類細(xì)胞生長所需的營養(yǎng)元素包括氮、磷、鐵和硅等,Grobbelaar研究得出一個近似的微藻生物質(zhì)分子式CO0.48H1.83N0.11P0.01可用于估計最小營養(yǎng)需求。這些營養(yǎng)元素加入的種類及加入量直接影響藻類的生長情況和代謝產(chǎn)物,因此國內(nèi)外在這方面研究較多。國內(nèi)的朱亮等研究了不同磷濃度對淡水藻類生長的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)TP<0.10mg/L,藻的生長最終發(fā)展為磷限制,而過高磷含量的輸入(TP=1.65mg/L)并沒有進(jìn)一步促進(jìn)藻類的生長,TP=0.10mg/L的水體是實(shí)驗(yàn)中適合藻類生長的最佳濃度。繆曉玲等通過改變培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分,將甘氨酸降至0.1g/L,另加入10g/L葡萄糖,使自養(yǎng)的綠色小球藻細(xì)胞進(jìn)行異養(yǎng)生長。異養(yǎng)微藻脂類化合物含量高達(dá)細(xì)胞干重的55%,是自養(yǎng)藻細(xì)胞的4倍。清華大學(xué)應(yīng)用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)(異養(yǎng)發(fā)酵技術(shù))控制有機(jī)與無機(jī)C、N的供給,也獲得了異養(yǎng)小球藻。張薇等針對ChlorellapyrenoidosaNo.2研究了培養(yǎng)基組成對其細(xì)胞生長和油脂積累的影響。結(jié)果表明,最適培養(yǎng)基配合其他優(yōu)化條件培養(yǎng)7d,生物量和油脂含量分別由優(yōu)化前的3.73g/L和40.15%提高到6.56g/L和59.90%,油脂產(chǎn)量提高了162%。這些方法都以外加有機(jī)碳源作為營養(yǎng)方式,使藻類自養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱水愷B(yǎng),雖然提高了含油量,但同時也提高了養(yǎng)殖成本。因此在外加有機(jī)碳的來源的選擇上可對一些含糖廢水、有機(jī)食品廢水加以利用,同時也起到治理污染的作用。介于自養(yǎng)與異養(yǎng)之間的混合營養(yǎng)培養(yǎng)國內(nèi)也有研究。混合營養(yǎng)培養(yǎng)外加有機(jī)碳源作為補(bǔ)充碳源,與光合自養(yǎng)及異養(yǎng)培養(yǎng)相比,既可提高藻細(xì)胞密度,又不會影響色素等光誘導(dǎo)產(chǎn)物的合成。田華在實(shí)驗(yàn)中考察了三種主要營養(yǎng)物質(zhì)碳源NaHCO3、氮源NaNO3、磷源K2HPO4的最佳添加量,結(jié)果顯示NaHCO38.4g/L、NaNO32.0g/L、K2HPO40.1g/L時即可滿足混合營養(yǎng)培養(yǎng)的基本要求。上述研究中,不管哪種營養(yǎng)方式或營養(yǎng)元素多少量合適都基于營養(yǎng)充足的前提。但美國的水生生物計劃(ASP)研究發(fā)現(xiàn),營養(yǎng)缺乏可引起油脂的大量積累,但這時在環(huán)境壓力下細(xì)胞分裂停止,生長速率下降。在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,細(xì)胞含油量的提高更多的被細(xì)胞生長速率的降低所抵消,結(jié)果是總產(chǎn)油量并未見長。美國國家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的實(shí)驗(yàn)也表明細(xì)胞生長和油脂累計的動力學(xué)關(guān)系是十分微妙的,通過控制藻類的“饑餓”時間及收獲時間,也可能實(shí)現(xiàn)總油量的凈增長。2.1.4曝氣藻類種類曝氣方式也會對藻類生長產(chǎn)生影響。朱亮的研究結(jié)果顯示晝間曝氣會縮短淡水藻類的生長周期,夜間曝氣對藻類生長有明顯的抑制作用。劉春光等也利用水族箱微宇宙研究了藻類在不同曝氣條件下的生長和種類變化,試驗(yàn)結(jié)果顯示,晝間曝氣藻類生長最好,其次為完全曝氣,四種處理間優(yōu)勢種有一定變化,其中晝間曝氣下藻類種類數(shù)明顯減少。從以上的研究結(jié)果可以看出,普遍情況下晝間曝氣最利于藻類的生長,但曝氣方式改變引起的藻種改變也要加以考慮,需要根據(jù)選擇的高含油量藻種來選擇相應(yīng)合適的曝氣方式。2.1.5氣調(diào)和氣體濃度對藻種生長的影響CO2是藻類光合作用必不可少的物質(zhì),在培養(yǎng)中補(bǔ)充適當(dāng)?shù)腃O2可以促進(jìn)藻類生長,同時也起到減少溫室氣體的作用。從經(jīng)濟(jì)成本上說,有很多廉價CO2可供利用,因此添加CO2氣體的主要問題是“量”。劉玉環(huán)等利用火電廠煙道氣培養(yǎng)微藻Scenedesmusdimorphus的研究表明,通入體積分?jǐn)?shù)33.3%CO2和體積分?jǐn)?shù)66.7%空氣比通入正常空氣或通入比其含有更多CO2的空氣更有利于微藻的生長。而Yeoung-SangYun等的研究發(fā)現(xiàn)Chlorellavulgaris生長受CO2氣體濃度的影響與接種培養(yǎng)時的CO2條件有關(guān)。當(dāng)藻種在只通入空氣的條件下接種時,最佳生長的CO2體積分?jǐn)?shù)為5%;當(dāng)接種時通入5%體積分?jǐn)?shù)CO2時,這時通入任何濃度的CO2(體積分?jǐn)?shù)≤15%)都能促進(jìn)藻類生長,且CO2固定率可達(dá)26.0g/m3·h。鑒于以上研究,不同藻種對CO2的具體需求量是不同的,但可在最初培養(yǎng)時通入低濃度的CO2使藻種適應(yīng),進(jìn)而逐漸提高通入量,在促進(jìn)藻類生長的基礎(chǔ)上可最大程度的處理溫室氣體CO2。2.1.6初始nacl對藻細(xì)胞生長和油脂含量的影響對于海藻來說,鹽度也是其生長環(huán)境中一項(xiàng)重要影響因素。有研究表明含有較多疏水成分如油脂、脂肪酸以及脂肪酸酯的藻細(xì)胞可經(jīng)液化后獲得更高的油產(chǎn)量,因此MutsumiTakagi等希望可以通過改變不同鹽度條件來增多藻細(xì)胞內(nèi)油脂和三酰甘油的含量以增加液化產(chǎn)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,初始NaCl濃度在1.0M以下時對細(xì)胞生長沒有影響,NaCl濃度超過1.0M后,細(xì)胞生長受到顯著的抑制;初始NaCl濃度在1.0M以下時,不同濃度水平下細(xì)胞生長情況相似,但濃度1.0M下得到的胞內(nèi)油脂和三酰甘油濃度明顯要比濃度0.5M下得到的高。MutsumiTakagi等又研究了初始NaCl濃度1.0M下額外添加NaCl對細(xì)胞生長和油脂含量的影響,結(jié)果表明這種情況下油脂含量會升高而伴隨著細(xì)胞量的輕微下降。因此可以通過在藻細(xì)胞生長過程中逐步添加鹽含量來提高細(xì)胞內(nèi)脂類的含量,但需要找到最優(yōu)的添加量及添加時間。2.2關(guān)于培訓(xùn)的研究在光生物反應(yīng)器方面,微藻培養(yǎng)主要有開放式和封閉式兩種光生物反應(yīng)器。2.2.1增加了觀體水平、材料在微藻培養(yǎng)中的應(yīng)用,提高了土開放式光生物反應(yīng)器即指開放池培養(yǎng)系統(tǒng),具有構(gòu)造簡單、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),主要有淺水池、循環(huán)池、跑道式池和池塘四種類型。而易受污染、難以保持溫度、光利用率低下等缺點(diǎn)使得開放式的反應(yīng)器難以實(shí)現(xiàn)高密度培養(yǎng),采收成本較高,只能用于螺旋藻、小球藻等少數(shù)能耐受極端環(huán)境的微藻培養(yǎng)。ASP就在羅斯維爾及新墨西哥分別建立了1000m2的池塘。通過這些池塘的運(yùn)行,證明了長期、可靠的藻類培養(yǎng)在開放系統(tǒng)中是可行的。但這兩個成功的連續(xù)培養(yǎng)都是讓土著藻種自然占據(jù)生長空間,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)挑選出的優(yōu)勢藻種在戶外無法保持較高耐受力,長勢不好。連續(xù)培養(yǎng)的成功卻不代表連續(xù)高產(chǎn),這是由于所在地低溫天氣的限制,因此戶外開放式培養(yǎng)的合適選址也有不小的困難。2.2.2光生物反應(yīng)器co-與開放式光生物反應(yīng)器相比,封閉式光生物反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)在于:無污染,培養(yǎng)條件穩(wěn)定;培養(yǎng)密度高,易收獲;有較高的光照面積與培養(yǎng)體積之比,光能和CO2利用率較高。一般封閉式光生物反應(yīng)器有:管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發(fā)酵罐、浮式薄膜袋等。下表列出了3種常見反應(yīng)器的具體應(yīng)用情況。盡管封閉式光生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)了許多優(yōu)點(diǎn),但其相對高的投資成本及其本身復(fù)雜的設(shè)計卻不利于大規(guī)模的工程推廣。就其深入研究的意義多是在實(shí)驗(yàn)室層面的,利用其提供的良好培養(yǎng)環(huán)境來更好地研究藻類的生長及各種特性,亦或是建立模型,為戶外池的設(shè)計提供參考。2.3生物酶活性的檢測無論是從培養(yǎng)條件或反應(yīng)器入手去提高藻類的產(chǎn)量和含油量都是對外部環(huán)境研究,而從影響藻類生長特性的內(nèi)因來看,就要對分子生物學(xué)及遺傳工程展開研究。通過藻類某些基因的改變或加入某些新基因可使藻類表現(xiàn)出需要的特性。NREL的研究人員就試圖尋找油脂合成的關(guān)鍵酶,這些酶的活性會直接影響油脂合成的速率,當(dāng)酶的活性升高時,碳更多地進(jìn)入脂類合成途徑。在1988年,研究人員發(fā)現(xiàn)了乙酰輔酶A羧化酶。在硅缺乏引起的油脂積累過程中,這種酶的活性升高,同時控制該酶的基因編碼也增多了表達(dá)。于是研究人員開始分離這種酶,并克隆了酶的基因,然后在硅藻和綠藻中成功地表達(dá)了外來的基因。此后NREL不僅著重研究控制油脂合成的關(guān)鍵酶,還研究有關(guān)碳水化合物合成的關(guān)鍵酶,希望能抑制這些酶的活動,使碳更多地流向油脂合成而不用于碳水化合物合成。2.4陽離子聚合物法藻細(xì)胞的收集也是個重要的問題,因?yàn)樵寮?xì)胞非常小,本身密度與水接近,且培養(yǎng)液很稀,要收獲一定量的藻細(xì)胞就要處理大量的液體。收集主要的手段有離心、絮凝沉淀或過濾等,但沒有哪一個手段能適合所有的情況。總的來說,對于價值較低的產(chǎn)品可以使用重力沉降的方法,或是配合絮凝進(jìn)行,但對于價值較高的產(chǎn)品則使用離心的方法。絮凝是最簡易的方法,常用的凝聚劑有多化合價的金屬鹽、陽離子聚合物、預(yù)聚合的金屬鹽等:如廢水處理中廣泛地使用明礬來絮凝藻細(xì)胞;1～10mg/mL的陽離子聚合物可促使淡水藻絮凝。RichardMKnuckey等采用絮凝的方法濃縮藻液用于水產(chǎn)飼養(yǎng),先用NaOH調(diào)節(jié)pH到10～10.6,再加入一種非離子態(tài)的聚合物MagnaflocLT-25,最后中和后可濃縮到200～800倍,效率在80%以上,且不會破壞細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)。離心收集可用于大多數(shù)的藻類,其快速高效,但能耗大。收集的效果取決于細(xì)胞本身的沉積性能、沉積物高度及保持時間。Mohn的研究中,使用自洗圓盤離心機(jī)對Scenedesmus、Coelastrumproboscideum進(jìn)行一步式固液分離,連續(xù)進(jìn)料,間斷離心,濃縮了10倍,能耗為1kW/h·m3;使用噴嘴壓料離心機(jī)對Scenedesmus、C.proboscideum進(jìn)行連續(xù)離心分離,也濃縮了10倍以上,能耗0.9kW/h·m3。過濾法相對只適宜像Spirulinaplatensis的較大藻種。如使用箱式壓濾機(jī)對C.probosci-deum進(jìn)行濃縮,所得泥餅中固體含量為27%。其他方法如中國科學(xué)院過程工程研究所的曾文爐等使用連續(xù)泡沫分離法采收微藻細(xì)胞,該方法效率高、能耗低、操作條件溫和且生物活性損失小。2.5有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益分析要使培養(yǎng)藻類并制取生物燃料產(chǎn)業(yè)化,還有必不可少的一項(xiàng)前提工作就是從總體上去衡量可行性,對整個系統(tǒng)(包括藻類培養(yǎng)、生長管理、運(yùn)輸至生產(chǎn)工廠、干燥、產(chǎn)物分離、物質(zhì)循環(huán)利用、廢物處理、最終產(chǎn)品運(yùn)輸和銷售等)作出分析,在盈利的基礎(chǔ)上才能付諸實(shí)踐。ASP的系統(tǒng)分析包括了資源評估和工程設(shè)計/成本分析兩部分。資源評估結(jié)合了適合的氣候,土地及資源實(shí)用性、CO2利用成本等方面進(jìn)行了分析,但分析結(jié)果不夠全面,只是得出了大體的觀點(diǎn)——存在大量潛在的土地、水和CO2資源可用于藻類的培養(yǎng),因?yàn)樵S多氣候不適宜耕作的地區(qū),藻類卻可以生長,并且培養(yǎng)藻類所需水資源比傳統(tǒng)產(chǎn)油作物少得多,同時CO2也得以處理。而工程設(shè)計/成本分析的結(jié)果卻表明在當(dāng)時基于藻類生產(chǎn)生物柴油的成本與石油的工程生產(chǎn)成本相比缺乏競爭力。不