浅谈藻类制备燃料乙醇的优势与发展

浅谈藻类制备燃料乙醇的优势与发展

随着人口的迅速增加和工业一体化的水平提高，传统的石材能源变得越来越稀缺。同时，石材能源燃烧也导致了许多环境生态问题，如co2和so2。怎样减少甚至摆脱对化石能源依赖,改变高能耗与高污染的化石能源支撑的经济模式,寻求替代品并建立可再生能源支撑下的新型经济发展模式,已成为社会关注的焦点。发展生物能源是解决能源与环境问题的重要选择,当今生物能源中应用最广的为生物乙醇,其次为生物柴油。目前全球生物燃料产量4000万吨,其中以玉米和甘蔗生产的燃料乙醇占90%。美国和巴西是国际上生物燃料乙醇生产大国,约占全球总量的70%;我国生物燃料乙醇开发较晚,产业规模较小,仅100多万吨。生物乙醇具有低毒、易降解,以及燃烧后污染物排放少等优点,在所需原料的生产过程中固定CO2,具有降低CO2排放、减少温室效应的作用。预计生物燃料乙醇在未来发电、燃料电池以及混合动力系统中将担当重要角色。尽管如此,在全球人口急剧增加背景下,以粮食作物生产燃料乙醇将极易引发粮食危机,且受其产能所限不可能满足未来替代化石能源燃料的需求。为此亟需开发产能更大、以非粮作物制备燃料乙醇的新途径。在众多选择中,藻类特别是海洋藻类生产燃料乙醇,具有不与人争粮、不与粮争地以及直接利用海水资源等诸多优点而受到重视。本文围绕生物(特别是藻类)燃料乙醇国内外研究和与产业化现状、所面临挑战,以及未来发展等问题予以讨论。1农业生物燃料的生产用于生物燃料乙醇制备的原料多种多样。第一代生物燃料采用玉米、甜菜等农作物为原料生产燃料乙醇,该方式是目前燃料乙醇的主要来源,其生产技术与工艺相对成熟,但也极易导致粮食供应量下降,而出现与人口争夺粮食资源的局面,因此难有可持续性。同时,农作物种植、施肥、喷洒农药等也易发生土壤板结、生态失衡、生物多样性降低等系列问题[9,10,11,12,13,14]。依赖占用耕地和消耗淡水换取能源植物发展的生物燃料模式,理论上不可能完全满足未来能源需求,在人口多、人均水土资源少的我国更不现实。第二代生物燃料利用富含木质纤维素的废弃物水解发酵生产燃料乙醇。农作物秸秆、木材加工废料、树叶、牛粪等纤维生物质原料生产燃料乙醇,虽然在理论上兼具廉价与生物量大的优势,但实际操作中却存在原料存储、运输以及水解成本较高等问题,同时高等植物中木质素多,木质素与纤维素结合牢固,难以降解和发酵,需先将木质纤维素水解糖化,成为单糖后发酵生产燃料乙醇。该过程需大量纤维素酶参与,因而显著增加了燃料乙醇生产成本。2藻类燃料的制备近30年来,利用藻类制备生物燃料和环境生物修复已逐渐被认可。1978—1996年,美国能源部率先实施了水生物种计划(ASP),为藻类燃料研发奠定了基础。藻类物种丰富且分布范围广,存在自养、异养、兼养等多种代谢方式。无论何种代谢方式,以藻类碳水化合物、蛋白质以及脂质为原料制备乙醇统称为第三代生物燃料。藻类生产能源燃料至少在理论上优势明显、潜力巨大[25,26,27,28,29,30],目前尚处于培育阶段,很多难题有待攻克。2.1人工净化剂人工养殖微藻生物燃料乙醇开发潜在诸多优势。与高等植物相比,微藻光化学效率、光能利用率和生产效率更高,据估计全球生物量50%均来自海洋微藻;其次,微藻耐受CO2能力强,可用于工业CO2废气固定,降低CO2排放;第三,微藻物种丰富,可为不同地区选择合适的藻株,开展人工培育提供了丰富选择;第四,微藻繁殖周期短,能够在较高密度下生长并吸收CO2和营养,在单位时间内获得比陆地植物更多的生物量;第五,某些微藻可利用自身碳水化合物直接产出乙醇;六,微藻分布广,在淡水、咸水、海水甚至废水中都有微藻,可充分利用该优势,将能源开发与废水生物净化结合,从废水中吸收氮、磷等营养物质,并避免与粮食作物和人争夺稀缺淡水资源。2.2燃料乙醇的制备大型藻类生长速率高、生物量大。甘蔗是陆地上单位面积产能最大、成本最低的能源植物。而大型藻类的生产效率比甘蔗还高,如某些热带红藻日生长速率可达10%,1周内生物量可翻一番,石花菜富含纤维素、葡聚糖和半乳糖,具备高产乙醇的潜力;Khambhaty等报道了利用长心卡帕藻制备燃料乙醇,按其报道的酒精得率,我们估测出栽培1hm2该藻可制备8.4t燃料乙醇。绿藻浒苔繁殖速率极快,可形成大规模绿潮。浒苔含有淀粉和纤维素,可水解发酵制备燃料乙醇,100g浒苔可转化13.2g乙醇。Adams等比较了大型藻类与陆地植物的生产效率(表1),从中不难得出,利用大型海藻生产燃料乙醇的单位面积年产量远高于任何陆地作物。其次,大型海藻生活在水中,受水浮力影响无需合成半纤维素、木质素等支撑组分,因此利用大型藻类制备燃料乙醇,无需降解半纤维素和木质素等多聚物,从而减少了技术困难。相对于微藻,大型海藻栽培和收获方式较为简单,耗能也低,目前多种大型海藻已成功实现了产业化规模栽培。同时,大型藻类生长在海水中,不与粮食作物争夺淡水资源,并成为生物过滤系统可从海水中吸收氮、磷等营养物质,降低海水富营养化程度,改善海水质量,增加海洋动物产量[46,47,48,49,50,51,52,53,54]。此外,利用藻类制备燃料乙醇,还可能获得其它高聚物、蛋白质以及动物饲料等诸多副产品,综合降低燃料乙醇的生产成本。2.3海藻生产技术的落后藻类燃料乙醇制备并非尽善尽美,也存在很多固有不足与缺陷,主要包括:微藻培养细胞密度低,一般只占水体的千分之一左右,培养过程需要大量水体;其次,微藻体积很小,仅有几个到几十个微米,传统离心、过滤等技术都难以经济、有效地收获微藻;另外,微藻是初级生产力,处于水生态系统的最底层,易被其它生物摄食,在规模培养过程中极易因敌害生物和杂藻入侵导致培养失败;上述缺陷造成微藻培养过程的低效率和高能耗,也是导致目前藻类燃料生产成本居高不下的重要原因。就大型藻类而言,其化学组分非常复杂,海藻多糖水解后为多种单糖的混合物,糖类多样性决定了开发工艺的复杂性,也限制了海藻燃料乙醇的生产效率,另外大型海藻栽培受风浪和气候影响更大,在管理上也存在诸多不便之处。因此,如何发挥藻类优势并弥补其不足,将决定藻类能源开发的成败。3藻类原料生产3.1生产生物燃料的1.2特征自然界没有直接用于制备燃料乙醇的微藻生物质原料,需通过人工培养才有可能得到稳定供应。不同藻种或株系对营养、光照要求不同,对环境适应能力差别很大,其生长速率、产量以及积累碳水化合物的能力等也存在明显差异,这就导致不同藻种和株系间制备燃料乙醇的潜力存在巨大变动,因此筛选优良藻种是藻类乙醇生产的第一要素。高产乙醇藻种的筛选培育是一个冗长乏味的工作,需要权衡很多因素。Brennan等归纳出微藻生产生物燃料的优良特征有:培养周期短、细胞生长快、光合效率高、CO2固定能力高、营养需求较低、耐受剪切力能力强、适宜于开放池规模化培养、对温度和季节性变化适应范围宽、副产品附加值高、细胞易絮凝收集。除此之外,我们认为优良藻株还需具备对光照度剧烈变化有较强的适应能力、具有耐污染特性(如具备可适应高盐或高温或高pH等极端环境条件之一的能力),以及细胞易于破壁等诸多特点。然而,上述特征很难在同一藻株上集中体现,这也成为制约微藻生物燃料开发规模化发展的重要内因。事实上,从20世纪70年代美国开始的ASP计划,耗时20年对3000多个水生藻种进行了系统性研究,尚难找到完全符合诸多标准藻种直接用于生物燃料的产业化生产。无论如何,在大量筛选基础上,尽可能地选择兼具更多上述特征的微藻作为出发藻株,进一步结合诱变和遗传改良等技术培育优良新品种,有望获得制备燃料乙醇的微藻良种。3.2开放池培养方式的系统特点在自然环境中,微藻密度一般很低,尽管全球生物量的50%来自海洋微藻,在实际中却无现成的微藻资源直接用于生物燃料开发。只有在人工培养条件下,通过优化培养条件,获得较高的细胞密度和单位面积产量才具开发意义。微藻培养最常见的有2种培养系统:开放池和封闭式光生物反应器。不同微藻培养系统,在培养因子参数控制、污染、水蒸发、产量、后续加工、建造成本以及操作成本上均存在很大差异。Chen等和Brennan等分别对微藻不同培养系统的特点做了详细的综述。其中,开放池系统造价便宜、易于建造和操作,是目前最常见的微藻培养方式。根据其形状、坡度等特点,开放池培养系统又细分为3类:跑道池、圆形池和斜面池。跑道池建造和维持成本较低,也是目前微藻培养生产中应用最多的;圆形池建造成本相对较高,搅拌过程能耗高,CO2供给复杂,土地利用率低,在规模化培养中目前已很少采用;斜面池藻细胞密度和产量高,但藻液流动需依赖机械泵,故培养能耗大。开放池培养方式的缺陷主要有温度控制难,易受杂藻和敌害生物污染,同时水蒸发量大,CO2利用率低,培养效果不稳定,细胞密度低,造成收获能耗大。只有某些可适应极端条件的藻类(如螺旋藻、盐藻)和快速生长小球藻适用于开放池培养。封闭式光生物反应器可弥补开放池的某些不足。目前使用最广泛的封闭式光生物反应器包括管式、平板式、柱状等类型,封闭式光生物反应器也存在水平、倾斜、垂直等多种方式。相比于开放池,封闭式光生物反应器污染几率相对低,可控性更强,采光面积大,可实现高密度培养。然而,封闭式光生物反应器却存在管道内pH、溶解氧和CO2不均也难以有效交换,藻细胞易于贴壁生长,管道清洗困难以及建造和维护成本较高等系列问题。将开放池与光生物反应器串联耦合,充分发挥各自优点并弥补其固有不足的培养模式近年来受到了广泛关注。在该培养模式中,为减少污染,首先利用光生物反应器技术,将微藻培养到一定细胞密度,然后再将高细胞密度的藻液转到开放池中,诱导微藻合成所需要的物质。3.3麟菜类和江类海藻相对微藻培养而言,大型藻类栽培技术相对成熟也较简单。在传统栽培中,育苗环节技术相对密集,育苗主要包括孢子育苗(如海带和紫菜)和营养繁殖(如麒麟菜类和江蓠类海藻)方式。大型藻类栽培主要依赖筏式养殖。藻体一般采取人工或半人工方法,通过切苗、拔苗、夹苗等方式进行收获和分苗栽培。藻体收获后,一般借助自然光晾晒获得干藻,然后储存用于工业化生产。在大型藻类栽培过程中,为了获得更高的单位面积产量,常常根据藻种以及养殖区等实际状况,确定具体养殖密度、深度和养殖周期,同时密切关注大型海藻生长状况,避免受到病害影响,并针对不同地区和养殖藻种类型等采取具体防范措施,减少损失。3.4藻体收获技术组合的确定藻类收获加工是规模化培养的下一环节。微藻颗粒通常微小、重量轻,从液体中有效地分离微藻细胞非常困难,并造成采集收获过程消耗能大。尽管目前有多种微藻收获技术,无论微孔膜过滤、化学絮凝,还是悬浮、离心等任何一种方法,在其优点背后也都存在明显缺陷与不足,很难适用于所有微藻收获。如何将上述多种技术组合,发挥各种方法的优势并弥补其不足,应用于微藻细胞收集,降低收获能耗和成本,是微藻生物燃料产业化中需重点研究解决的命题,同时在藻种选育过程中,尽可能多地兼顾到藻体收获指标,选择细胞体积相对较大或藻体与水体比重差异较大的微藻种质,便于采用过滤、重力或悬浮技术完成采收,也减少能耗和设备投资。相对而言,大型藻类的收获成本低且操作简便,目前一定程度上依赖于靠天吃饭,大藻收获需要把握时机并关注天气变化,收获后及时晾晒防止藻体腐烂。随着大型藻类规模扩大,有必要研制机械化快速加工干燥的技术,尽可能摆脱靠天吃饭的限制局面。对于藻类能源生产而言,任何加工干燥和破壁处理都将增加能耗和成本,因此探讨半湿法制备燃料乙醇技术是减少能耗和降低生产成本的重要方式。4燃料乙醇的制备无论是大型藻类还是微藻均具有储存淀粉、纤维素等碳水化合物的能力,通过工程培养先获得制备能源燃料的原料,然后利用机械(超声波、机械剪切等)或者酶解细胞壁方法得到所需的碳水化合物,再进行糖化和发酵制备燃料乙醇。上述发酵生产燃料乙醇工艺,可分为先水解后发酵的二步法和同步糖化发酵法。藻类所含碳水化合物为结构复杂的多糖或杂多糖,为提高碳水化合物利用率,发酵前需对其糖化处理。糖化过程可采用酸或酶处理水解。糖化后的发酵需选用适宜的发酵菌株或菌群,该步骤是制备燃料乙醇的关键环节。若能选择到菌株或菌群,可分泌酶用于分解多糖或杂多糖,同时又利用单糖发酵生产乙醇,上述二步法就可合并为同步糖化发酵。在同步糖化发酵过程中,多糖或杂多糖水解产生的葡萄糖或其它还原糖在发酵过程中不断消耗,因而可避免高浓度单糖对酶活性的反馈抑制,大幅度提高糖化水解效率。该方法中水解与发酵的适宜温度通常不一致,只有在工程菌株(或菌群)温度适应范围较宽时,才可选择到兼顾这二个过程都合适的温度范围,乙醇制备效率才较高。另外,菌株或菌群需具备耐受较高酒精浓度的能力。在发酵过程中乙醇浓度不断上升,进而抑制水解发酵酶的活性,导致乙醇制备效率逐步下降;如果发酵液中乙醇浓度偏低,会引起后面蒸馏能耗过大和高成本,最终限制了藻类乙醇制备的经济可行性。蒸馏是藻类燃料乙醇生产的最后步骤。通过蒸馏,将浓度较低(<10%~15%)酒精溶液中的杂质去除掉,获得浓度更高的液态乙醇。高浓度的液态乙醇(95%)可与化石燃料按照一定比例混合使用,也可直接用作燃料。另外,藻类发酵制备燃料乙醇后的废料,还可进一步用于动物养殖饲料,综合降低燃料乙醇的制备成本。2和廉价的盐水资源,同时燃料乙醇生产过程避免了细胞收获干燥等环节。因此,公司预期乙醇产量高达6000加仑/公顷(1美国加仑≈3.785升),每加仑的目标价位低于1美元(即每升价格低于2元人民币)。5显微藻体的制备如上所述,利用微藻原料制备燃料乙醇过程相对比较复杂,需经过细胞破壁处理、淀粉提取、水解糖化和发酵生产酒精等多个步骤。减少上述任何过程无疑会降低藻类制备燃料乙醇的能耗和制备成本。某些微藻在黑暗条件下具有异养有机物(如糖类)的能力。Ueda等报道了富含多糖的微藻细胞可在黑暗厌氧条件下直接产出乙醇。事实上,黑暗厌氧条件下能产乙醇的微藻很多,主要有绿藻纲的衣藻和小球藻,以及蓝藻纲中的螺旋藻、颤藻和微囊藻。Hirano等探讨了多种微藻在黑暗厌氧条件下直接转化细胞内淀粉为乙醇的可能性,其中莱茵衣藻UTEX2247和Sak-1藻株具有较高的乙醇转化率(30%~40%)。Ueno等利用海水小球藻发酵,在30℃时每克干重藻泥制备乙醇的产量值为450μmol。事实上,藻类异养生产燃料乙醇的能量最终来源是光合作用所固定的太阳光能。在无氧黑暗条件下发酵的产能效率,在理论上远没有光合作用直接固定CO2并转化为燃料乙醇的效率高。目前还没有分离出直接通过光合作用生产燃料乙醇的藻类,通过现代基因工程手段,有望获得具有该能力的超级藻种。Deng和Coleman将运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶基因(pdc基因)和乙醇脱氢酶基因II(adh基因)通过载体pCB4,导入到聚球藻PCC7942藻株中,这两个基因在编码核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶的操纵子rbcLS的启动子控制下,在细胞内实现高水平表达,转基因聚球藻光合作用固定的碳可直接转化为乙醇并溶解到培养基中。6粮食生产设备的要求目前燃料乙醇制备主要依赖于粮食作物,其整个工艺流程和发酵设备都已相对成熟。而藻类燃料乙醇工作还处于早期实验阶段,无论藻种及所含碳水化合物类型,还是生产过程和制备工艺流程都未完全明确,其规模也远没有达到工业化制备水平,因此尚无成熟的生产设备可直接借鉴。基于藻类的特殊性和复杂性,理论上也不可能简单地复制粮食作物生产乙醇的设备,直接用于藻类燃料乙醇开发。尽管如此,藻类与粮食燃料乙醇制备过程的差异主要在于前期生物质原料生产和加工,特别需要研制适宜于藻类高密度培养、造价低廉的新型简易光生物反应器,以及可规模化收获和湿法细胞破壁的系列设备,尽可能地减少藻体干燥和碳水化合物提取环节,节省设备投资和能源消耗;至于藻类燃料乙醇生产后期的制曲、糖化和发酵等过程,与粮食作物制备燃料乙醇的工艺大致相似,可在借鉴基础上,针对具体微生物菌种与发酵工艺特点等加以改造,研发适宜于藻类燃料乙醇生产的设备。综上所述,藻类燃料乙醇开发的大致工艺流程可概括为图1。7微藻燃料乙醇制备技术研究展望同其它工业生产一样,成本决定着藻类燃料乙醇是否能够商业化。降低大规模藻类燃料乙醇制备成本,也一直是该领域首先考虑解决的任务。从成本构成上讲,藻类燃料成本主要发生在生物质原料生产和降解过程,降低价格需要依赖于技术创新与突破。为此,在进入规模化推广前有必要开展以下研究:微藻培养过程的敌害生物综合防御与控制技术。微藻规模化生产过程中经常发生敌害生物污染,任何掠食动物和其它杂藻污染都将导致整个培养失败,也限制了微藻培养的规模化扩大。分别从物理、化学、生物和工程管理等角度开展工作,构建敌害生物综合防御体系,经济、高效地控制敌害生物污染,降低其危害,是扩大微藻培养规模和稳定地获得燃料乙醇原料必须解决的命题。目前这方面国内外尚无有效措施,应是下一步努力突破的重点。廉价的糖化水解酶生产技术。分解淀粉、纤维素以及其它碳水化合物的水解酶价格过高。如何采用生物反应器技术高效培养生产水解酶的微生物,降低糖化水解酶成本,是有效降低藻类燃料乙醇制备成本的途径之一。筛选和培育适宜于燃料乙醇制备的抗逆藻株。用于微藻燃料乙醇制备的藻种,不仅在组分上适宜于发酵生产乙醇,而且还应具有强的抗逆能力。一般而言,能够在极端条件下生长的藻类其竞争者相对较少,可减少掠食动物和其它杂藻污染机会。理论上,以可抗极端条件的微藻为出发藻株,经诱变和基因操作处理,可望培育出适宜于燃料乙醇生产的理想突变株。选育可直接将淀粉或纤维素转化为乙醇的特殊微藻。利用微藻种类多、分布广、代谢多样化特性,从自然界筛选在光合作用进行过程中,兼具分解淀粉和纤维素并直接转化为乙醇的微藻,或利用突变与基因工程手段培育这样的藻株,将淀粉酶和纤维素酶基因转化到藻细胞中,淀粉和纤维素合成酶上调表达,无需或只少许加入酶即获得单糖,将大大降低燃料乙醇生产成本,有利于藻类燃料乙醇产业化。建立微藻高密度培养技术。自然界微藻密度很低,细胞密度只有101~103。目前人工培养的微藻细胞密度一般在104~106,未来需要建立高密度培养,维持细胞密度在107~109,甚至更高。微藻高密度培养,将细胞密度提高比普通培养高1~3个数量级,在生物量不变的情况下,无疑将大幅度降低培养体积和设施投资,也更易于操作,大幅减少生物污染机