从工程微藻中提取制备生物柴油的研究进展

＊王欣竹

（华东理工大学 上海 201424）

1.前言

生物质液体燃料作为可替代石油燃料的能源产品，主要包括生物柴油、燃料乙醇、生物质裂解油等。其中，生物柴油因其发展潜力巨大，逐渐成为新兴产业，不断融入人们的生活，诸多发达国家在推动这一过程中投入了大量精力。

生物柴油是一种可从动植物中提取的液体燃料。相较于传统柴油，生物柴油在保障安全的同时，在燃烧润滑方面均有一定优势，还能以任意比例和传统柴油混合使用，能够延长发动机的使用寿命。作为一种可再生的清洁能源，生物柴油原料丰富，成分简单，可降解且无污染物质，绿色环保，对环境友好[1]。

微藻是一类在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体，主要生长在陆地、湖泊和海洋中，含蛋白质、藻蛋白、蓝藻蛋白、脂肪酸等物质。其油脂含量可达20%～80%，可作为生物柴油的主要原材料使用。三酰基甘油酯（TAG）是微藻中组成中性脂质的主要成分，且该物质在藻细胞处于静止状态或苛性条件下较容易积累。可在酸、碱或酶等催化剂存在下，与醇发生酯交换反应生成生物柴油和甘油，得到所需的产物。在微藻细胞中，TAG合成的主要途径有两种：一种是Kennedy或甘油磷酸途径，另一种是单酰甘油途径。一般以这两条途径为着手点，通过化学法、酶催化法、基因工程方法等手段提高脂肪酸的合成率，增加微藻脂质积累，提高相关产物的产率[2]。

本文综述了近年来工程微藻中提取制备生物柴油的研究进展，为该生物能源的进一步研究开发与应用提供思路。

2.工程微藻的生态特点与种植

海藻作为重要且常见的海洋资源，在世界各地均有不同种类分布。根据其大小分为微型藻和大型海藻。自然界中的藻类种类众多，据保守估计总数可在100万种以上，其中微藻占比约在20%，拥有巨大开采价值[3]。

微藻具有以下特点[4-7]：

（1）光合作用效率高。由于结构简单，方便供应营养成分，微藻的光合效率理论上可比陆地植物高12.6%。相比之下，陆地作物的太阳能转化效率较低，几乎仅有0.1%～ 0.7%（C3植物）或1.5%～2.5%（C4植物）。由此可见，微藻的太阳能转化效率远远高于其他油料作物。

（2）培养周期较短。微藻的生长速率很快，通常在1～ 2d内可实现生物量的翻倍。

（3）产油效率高。微藻含油量较多，一般占生物质干重的20%～50%，某些品种含油量甚至可以达到80%以上。在油脂储量中，微藻相较于其他植物有明显优势，以陆生植物中生物柴油的主要原料之一棕榈油为例，微藻的油脂和生物柴油的产率约为其20倍。

（4）油脂质量优异。微藻的油脂组成与油料作物较为相似，其成分主要是C14～C22的长链脂肪酸和甘油三酯（≥80%）。

（5）占地面积小，生长环境适应性强。微藻基本不受环境限制，能够在各种环境中生长，可在海滩、盐碱地，甚至沙漠等极端环境中生存，也可以在沸水和海水中生长。

目前人工种植一般以封闭式和开放式光生物反应器作为培养容器，前者多用于工业化生产，后者多为小型培养与实验室繁殖提供环境。通过光自养、异样与混养等方式培育富油微藻，选育优良品种。

尽管微藻作为生物柴油原料具有较多长处，但将其制备工艺仍面临各种阻碍[3,5]。

（1）技术阻碍：受目前科技水平所限，有关富含高密度高油脂微藻的培养、采收及后续的破壁提油和制备环节技术目前并不系统完善，导致油脂回收率较低。

（2）成本阻碍：由于微藻过小且分散等原因，导致收集成本一直以来居高不下，为总成本的一半以上。因此，以微藻为原料制备生物柴油的成本依然远高于传统柴油，在市场中无法与传统柴油相竞争。

因此，如何有效降低采集成本与提高油脂含量成为目前从微藻提取生物柴油工艺亟需解决的问题。

3.从工程微藻中获得生物柴油

纵观微藻能源化方法，现今科技主要通过微藻油积累，提取微藻中的油脂并使之发生化学反应这一途径来获得生物柴油。

（1）微藻油的提取。微藻是真核生物，其细胞壁作为保护细胞质的结构具有选择透过性，但同时阻碍了外源物质提取溶剂进入，无法发挥其提取效果，从而导致微藻油的提取效率大幅度降低。因此，提取微藻油首先应当着手于破壁处理。而破壁方法分为机械方法和非机械方法[8]。

破壁后，将进行微藻油脂提取。传统方法包括以有机溶剂和超临界流体为萃取溶剂的溶剂提取法、物理压榨法、热裂解法。但这些方法要求较高，需要藻体为干燥粉末。然而，藻液中干物质含量较低，通常仅有0.30g/L[9]，通过浓缩干燥进行预处理不仅使其生产周期大幅度延长，还会导致油脂提取效率降低。为减少材料损耗率，业界推出了直接转酯、亚临界水提取、原位萃取及促进微藻油脂分泌至胞外等新方法，但这些技术目前仍处于探索阶段，仅限于实验室水平，未能正式投入工业化[10-12]。

近年，水酶法逐渐成为主要的工业微藻油提取技术。将微藻机械破碎后，通过生物酶将细胞壁酶解，释放出油脂，再利用相似相溶性将非油成分与油分离，在获得所需产物的同时还能有效回收以蛋白质为主的其他功能成分。相比于传统提取方法，水酶法反应更加温和，不仅提高了提取率，还能最大程度地保留营养成分，有利于提升油脂的品质。此外，油脂精炼工艺流程少，能大大降低能耗[11-13]。但现今水酶法常造成酶资源的浪费。且生产工艺中用水量大，污水产生量增大，处理成本高。同时，污水中较多的蛋白质、多糖等营养物质为微生物增殖提供了环境。如果没有正确处理污水将使各种微生物快速增生而污染环境[14]。

（2）生物柴油的制备。从TAG转化为生物柴油一般可采用物理和化学方法。物理方法主要有直接混合稀释法和微乳化法。化学方法主要有高温热裂解法、催化裂化法、酯化、酯交换法[15-16]。近年来，还出现了加氢法、连续异构催化法和酶转化法。目前，工业中最常使用的是酯交换法[17]。生产生物柴油的常见反应物多为油脂和短链醇。常用的短链醇为甲醇和乙醇，其含量基本不影响生物柴油品质，而油脂与脂肪酸之比对产品质量影响较大[18]。通过酯交换作用进行三步可逆反应，机理如图1所示，可以将微藻中的甘油三酯逐步转化为脂肪酸酯后，再通过其它方法将生物柴油分离提纯，获得纯净产物[16-17]。

图1 酯交换法

而酯交换反应通常需要加入催化剂，根据对催化剂的采用与其种类，酯交换法可分为碱催化法、酸催化法、酶催化法和超临界法。

①碱催化法。目前，酯交换反应主要采用碱催化法，包括均相碱性催化剂（如KOH、NaOH）和碱性固体催化剂（如金属氧化物）催化剂，即使在醇油比较小和温度较低的情况下也能保证其效率，在几十分钟内完成，且预期收率可在90%以上[17]。

其原理主要包括三个步骤：首先，碱与醇反应生成甲氧基，该基团进攻甘油三酯中羰基正电性原子而形成共价键，得到四面体中间体；然后，该中间体分解，放出羟基再次形成醇催化剂；再次，进行该过程可得产物生物柴油和甘油[16]。

碱催化法对温度要求较低，耗能相对较少。但由于提取的油脂一般含有水分和游离脂肪酸，反应过程中大多会发生皂化反应。同时，水分也会影响催化剂的浓度，降低生物柴油的产出效率。因此，为减少副反应带来的负面影响，工业生产对游离脂肪酸和水的含量要求相对严格，一般需要脱水处理。这必然会增加成本，同时产生大量废水，造成环境污染[18]。

②酸催化法

在实验室规模研究的反应中，通常以H2SO4和HCl作为催化剂进行实验，其反应机理为：羰基的质子化，甲醇的亲核攻击以产生四面体中间体，随后质子迁移，中间体分解，该过程重复两次以获得产物。

理论上，酸催化法成本低，易于分离产物，对反应物不敏感，一般不会发生副反应，和碱催化法相比也是较好的选择。但酸催化的过程对反应容器具有腐蚀性，因此，在反应器中通常需要投入过量甲醇进行额外的护理。因其反应速度过慢，污染严重，且对反应设备的要求过高，工业上一般不采用酸催化法[16,20,21]。

③酶催化法。由于上述化学催化剂具有无法循环利用、对环境污染严重等缺陷，酶催化法应运而生。脂肪酶通过接触底物，改变酶构象，使疏水端由内朝外，因此底物可与活性中心结合。通过该方法，脂肪酶将TAG催化水解生成游离脂肪酸与甘油[22]。

使用脂肪酶不仅可以提高油脂利用率，且反应条件温和（35℃～45℃），可重复使用，进一步降低了反应成本。该方法具有高效性、几乎无副产物、产物易分离、环保无污染、脂肪酶生物降解性良好等多种优点。

但由于酶结构的复杂性等，其使用成本较高，反应时间较长且容易失活，长期使用具有不稳定性，限制了酶生产生物柴油的工业化进程[16,17,20,21]。

④超临界法。通过超临界流体技术制备生物柴油可以突破催化剂的约束，其生产过程无污染，是发展潜力较高的绿色生物燃料生产技术。以超临界甲醇为例，通过提升流体的温度与压力使其均高于临界点后，在一定条件下可以形成超临界甲醇氛围，提高TAG在甲醇中的溶解度，使其更易发生反应。由于不使用酸碱催化剂，三废排放显著低于酸、碱催化工艺，形成环保工艺。但其反应条件苛刻，成本过高等特点极大程度地阻碍了该技术工业化[23]。

在综述生物柴油的提取和制备过程后，笔者认为在培养微藻的过程中，可以通过调节水体的营养成分、基因工程改造等方法使微藻积累更多的油脂；在微藻油提取的过程中改进实验室工艺方法使之能够尽快投入工业生产；虽然相关研究日趋完善，但在提取微藻油后如何将其高效无污染地转化为生物柴油依旧具有研究潜质。每一个环节都至关重要，密不可分。

4.总结

综上所述，微藻作为极具广阔发展前景的生物柴油原料植物，是人类未来重要可再生能源之一，受到了无数科研人员对其发展与工业化的关注和研究。目前限制微藻制备生物柴油工业化的主要问题可分为：原材料的收集和制备生物柴油的过程。与同为生物能源，已经正式投入工业化生产的燃料乙醇相比较，燃料乙醇的原料为玉米、甘蔗等单个体积较大，易采收的个体。目前，微藻采收使用的方法多为絮凝技术，成本依旧居高不下，笔者大胆猜想，将培养微藻的光生物反应器制作为可活动装置，在采收期将该反应器压缩，通过半透膜排水，最终，将微藻通过物理方法凝聚，大幅度提高微藻密度后再进行采收工作。另一方面，燃料乙醇的制备过程中虽然同样有副反应，但其产物可通过其它化学反应在一定程度上补偿乙醇。而通过微藻制备的生物柴油，大量副反应产物被当作污水处理，导致其中含有的蛋白质等有效成分被废弃。笔者认为，通过柱层析、超滤技术等方法将其进行分离，可应用于其他行业，产生更大效益。

微藻制备生物柴油的工艺还有着诸多问题需要改进，在科研者的潜心研究下，不久的将来，该应用技术必将普及。