能源藻类生产技术研究进展

能源藻类生产技术研究进展

1生物质燃料特性为传统作物生产能源紧张和污染是世界的共同问题。随着石油、煤炭的减少,许多国家开始把清洁、可再生的生物能源摆在了重要位置。但现阶段所使用的生物质燃料通常以粮食、油料等作物为原料,由于这些传统作物价格高、生产周期长、运输储存困难等缺点,以传统作物为原料生产生物质燃料不仅成本高,并且占用大量耕地、危及粮食安全,因此大规模发展生物质燃料需要转换思路,寻找新型生物质原料。藻类是一类分布极广的低等自养生物,通常细胞内含有叶绿体,在光照条件下,利用二氧化碳和水合成有机物质,以进行无机光能营养。藻类对环境条件要求不高,适应能力强,并具有细胞增殖快、光能利用率高、生物产量高及不受土地条件限制等优点,有些微藻含油量可达50%(质量分数)以上,是一种非常具有利用价值的生物质能原料。2国内外研究2.1培训条件研究影响藻类生长的条件包括光照、营养、二氧化碳、温度和pH值等,通过找寻相对合适的培养条件可获得尽可能多的产量及提高藻细胞的含油量。2.1.1藻细胞脂肪含量的测定光照是藻类生长最基本条件,通常增强其光合作用可以获得更多的油脂。Mortenson等对Chlorellavulgaris和Euglenagracilis的研究表明,增加光强能够促进脂肪酸含量的增加;但石娟等对小新月菱形藻及等鞭金藻的研究发现,低光照下藻细胞脂肪含量高,而高光下则相反。所以光照强度与脂含量的关系在藻种间存在差异。JohanUGrobbelaar等研究了光照/黑暗频率变化对微藻光合作用性质的影响,结果显示光合速率随光/暗频率的增加呈指数增长;藻类不会适应特定的一个光/暗频率。研究认为,影响光合速率最重要的一个因素是藻种的光适应性——其喜光还是喜暗。通常低频率的光/暗变化会被藻类感知为低光照,高频率则相反。在这种光/暗变化的环境下,光利用率取决于藻类的光适应性,光/暗变化频率及光照时间。所以利用光/暗变化来提高光合作用的效率,要根据藻种的不同来选择频率,适应光环境的藻种可使用高频变化的光/暗条件,适应暗环境的藻种则使用低频变化的光/暗条件,这样可避免过多的能耗。2.1.2冰上生长藻类就温度来说,大多数藻类最适宜的生长温度在20℃～30℃间;也有的藻类在85℃的温泉中大量繁殖,有的在长年不化的冰上生长。目前大部分研究都在室温条件下进行。2.1.3培养基组成对混养小球藻的影响藻类细胞生长所需的营养元素包括氮、磷、铁和硅等,Grobbelaar研究得出一个近似的微藻生物质分子式CO0.48H1.83N0.11P0.01可用于估计最小营养需求。这些营养元素加入的种类及加入量直接影响藻类的生长情况和代谢产物,因此国内外在这方面研究较多。国内的朱亮等研究了不同磷浓度对淡水藻类生长的影响。结果显示,当TP<0.10mg/L,藻的生长最终发展为磷限制,而过高磷含量的输入(TP=1.65mg/L)并没有进一步促进藻类的生长,TP=0.10mg/L的水体是实验中适合藻类生长的最佳浓度。缪晓玲等通过改变培养基的营养成分,将甘氨酸降至0.1g/L,另加入10g/L葡萄糖,使自养的绿色小球藻细胞进行异养生长。异养微藻脂类化合物含量高达细胞干重的55%,是自养藻细胞的4倍。清华大学应用细胞培养技术(异养发酵技术)控制有机与无机C、N的供给,也获得了异养小球藻。张薇等针对ChlorellapyrenoidosaNo.2研究了培养基组成对其细胞生长和油脂积累的影响。结果表明,最适培养基配合其他优化条件培养7d,生物量和油脂含量分别由优化前的3.73g/L和40.15%提高到6.56g/L和59.90%,油脂产量提高了162%。这些方法都以外加有机碳源作为营养方式,使藻类自养转变为了异养,虽然提高了含油量,但同时也提高了养殖成本。因此在外加有机碳的来源的选择上可对一些含糖废水、有机食品废水加以利用,同时也起到治理污染的作用。介于自养与异养之间的混合营养培养国内也有研究。混合营养培养外加有机碳源作为补充碳源,与光合自养及异养培养相比,既可提高藻细胞密度,又不会影响色素等光诱导产物的合成。田华在实验中考察了三种主要营养物质碳源NaHCO3、氮源NaNO3、磷源K2HPO4的最佳添加量,结果显示NaHCO38.4g/L、NaNO32.0g/L、K2HPO40.1g/L时即可满足混合营养培养的基本要求。上述研究中,不管哪种营养方式或营养元素多少量合适都基于营养充足的前提。但美国的水生生物计划(ASP)研究发现,营养缺乏可引起油脂的大量积累,但这时在环境压力下细胞分裂停止,生长速率下降。在所进行的实验中,细胞含油量的提高更多的被细胞生长速率的降低所抵消,结果是总产油量并未见长。美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)的实验也表明细胞生长和油脂累计的动力学关系是十分微妙的,通过控制藻类的“饥饿”时间及收获时间,也可能实现总油量的净增长。2.1.4曝气藻类种类曝气方式也会对藻类生长产生影响。朱亮的研究结果显示昼间曝气会缩短淡水藻类的生长周期,夜间曝气对藻类生长有明显的抑制作用。刘春光等也利用水族箱微宇宙研究了藻类在不同曝气条件下的生长和种类变化,试验结果显示,昼间曝气藻类生长最好,其次为完全曝气,四种处理间优势种有一定变化,其中昼间曝气下藻类种类数明显减少。从以上的研究结果可以看出,普遍情况下昼间曝气最利于藻类的生长,但曝气方式改变引起的藻种改变也要加以考虑,需要根据选择的高含油量藻种来选择相应合适的曝气方式。2.1.5气调和气体浓度对藻种生长的影响CO2是藻类光合作用必不可少的物质,在培养中补充适当的CO2可以促进藻类生长,同时也起到减少温室气体的作用。从经济成本上说,有很多廉价CO2可供利用,因此添加CO2气体的主要问题是“量”。刘玉环等利用火电厂烟道气培养微藻Scenedesmusdimorphus的研究表明,通入体积分数33.3%CO2和体积分数66.7%空气比通入正常空气或通入比其含有更多CO2的空气更有利于微藻的生长。而Yeoung-SangYun等的研究发现Chlorellavulgaris生长受CO2气体浓度的影响与接种培养时的CO2条件有关。当藻种在只通入空气的条件下接种时,最佳生长的CO2体积分数为5%;当接种时通入5%体积分数CO2时,这时通入任何浓度的CO2(体积分数≤15%)都能促进藻类生长,且CO2固定率可达26.0g/m3·h。鉴于以上研究,不同藻种对CO2的具体需求量是不同的,但可在最初培养时通入低浓度的CO2使藻种适应,进而逐渐提高通入量,在促进藻类生长的基础上可最大程度的处理温室气体CO2。2.1.6初始nacl对藻细胞生长和油脂含量的影响对于海藻来说,盐度也是其生长环境中一项重要影响因素。有研究表明含有较多疏水成分如油脂、脂肪酸以及脂肪酸酯的藻细胞可经液化后获得更高的油产量,因此MutsumiTakagi等希望可以通过改变不同盐度条件来增多藻细胞内油脂和三酰甘油的含量以增加液化产量。实验结果表明,初始NaCl浓度在1.0M以下时对细胞生长没有影响,NaCl浓度超过1.0M后,细胞生长受到显著的抑制;初始NaCl浓度在1.0M以下时,不同浓度水平下细胞生长情况相似,但浓度1.0M下得到的胞内油脂和三酰甘油浓度明显要比浓度0.5M下得到的高。MutsumiTakagi等又研究了初始NaCl浓度1.0M下额外添加NaCl对细胞生长和油脂含量的影响,结果表明这种情况下油脂含量会升高而伴随着细胞量的轻微下降。因此可以通过在藻细胞生长过程中逐步添加盐含量来提高细胞内脂类的含量,但需要找到最优的添加量及添加时间。2.2关于培训的研究在光生物反应器方面,微藻培养主要有开放式和封闭式两种光生物反应器。2.2.1增加了观体水平、材料在微藻培养中的应用,提高了土开放式光生物反应器即指开放池培养系统,具有构造简单、成本低、操作简单等优点,主要有浅水池、循环池、跑道式池和池塘四种类型。而易受污染、难以保持温度、光利用率低下等缺点使得开放式的反应器难以实现高密度培养,采收成本较高,只能用于螺旋藻、小球藻等少数能耐受极端环境的微藻培养。ASP就在罗斯维尔及新墨西哥分别建立了1000m2的池塘。通过这些池塘的运行,证明了长期、可靠的藻类培养在开放系统中是可行的。但这两个成功的连续培养都是让土著藻种自然占据生长空间,因为实验挑选出的优势藻种在户外无法保持较高耐受力,长势不好。连续培养的成功却不代表连续高产,这是由于所在地低温天气的限制,因此户外开放式培养的合适选址也有不小的困难。2.2.2光生物反应器co-与开放式光生物反应器相比,封闭式光生物反应器优点在于:无污染,培养条件稳定;培养密度高,易收获;有较高的光照面积与培养体积之比,光能和CO2利用率较高。一般封闭式光生物反应器有:管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐、浮式薄膜袋等。下表列出了3种常见反应器的具体应用情况。尽管封闭式光生物反应器在实验中体现了许多优点,但其相对高的投资成本及其本身复杂的设计却不利于大规模的工程推广。就其深入研究的意义多是在实验室层面的,利用其提供的良好培养环境来更好地研究藻类的生长及各种特性,亦或是建立模型,为户外池的设计提供参考。2.3生物酶活性的检测无论是从培养条件或反应器入手去提高藻类的产量和含油量都是对外部环境研究,而从影响藻类生长特性的内因来看,就要对分子生物学及遗传工程展开研究。通过藻类某些基因的改变或加入某些新基因可使藻类表现出需要的特性。NREL的研究人员就试图寻找油脂合成的关键酶,这些酶的活性会直接影响油脂合成的速率,当酶的活性升高时,碳更多地进入脂类合成途径。在1988年,研究人员发现了乙酰辅酶A羧化酶。在硅缺乏引起的油脂积累过程中,这种酶的活性升高,同时控制该酶的基因编码也增多了表达。于是研究人员开始分离这种酶,并克隆了酶的基因,然后在硅藻和绿藻中成功地表达了外来的基因。此后NREL不仅着重研究控制油脂合成的关键酶,还研究有关碳水化合物合成的关键酶,希望能抑制这些酶的活动,使碳更多地流向油脂合成而不用于碳水化合物合成。2.4阳离子聚合物法藻细胞的收集也是个重要的问题,因为藻细胞非常小,本身密度与水接近,且培养液很稀,要收获一定量的藻细胞就要处理大量的液体。收集主要的手段有离心、絮凝沉淀或过滤等,但没有哪一个手段能适合所有的情况。总的来说,对于价值较低的产品可以使用重力沉降的方法,或是配合絮凝进行,但对于价值较高的产品则使用离心的方法。絮凝是最简易的方法,常用的凝聚剂有多化合价的金属盐、阳离子聚合物、预聚合的金属盐等:如废水处理中广泛地使用明矾来絮凝藻细胞;1～10mg/mL的阳离子聚合物可促使淡水藻絮凝。RichardMKnuckey等采用絮凝的方法浓缩藻液用于水产饲养,先用NaOH调节pH到10～10.6,再加入一种非离子态的聚合物MagnaflocLT-25,最后中和后可浓缩到200～800倍,效率在80%以上,且不会破坏细胞微观结构。离心收集可用于大多数的藻类,其快速高效,但能耗大。收集的效果取决于细胞本身的沉积性能、沉积物高度及保持时间。Mohn的研究中,使用自洗圆盘离心机对Scenedesmus、Coelastrumproboscideum进行一步式固液分离,连续进料,间断离心,浓缩了10倍,能耗为1kW/h·m3;使用喷嘴压料离心机对Scenedesmus、C.proboscideum进行连续离心分离,也浓缩了10倍以上,能耗0.9kW/h·m3。过滤法相对只适宜像Spirulinaplatensis的较大藻种。如使用箱式压滤机对C.probosci-deum进行浓缩,所得泥饼中固体含量为27%。其他方法如中国科学院过程工程研究所的曾文炉等使用连续泡沫分离法采收微藻细胞,该方法效率高、能耗低、操作条件温和且生物活性损失小。2.5有利于实现经济效益分析要使培养藻类并制取生物燃料产业化,还有必不可少的一项前提工作就是从总体上去衡量可行性,对整个系统(包括藻类培养、生长管理、运输至生产工厂、干燥、产物分离、物质循环利用、废物处理、最终产品运输和销售等)作出分析,在盈利的基础上才能付诸实践。ASP的系统分析包括了资源评估和工程设计/成本分析两部分。资源评估结合了适合的气候,土地及资源实用性、CO2利用成本等方面进行了分析,但分析结果不够全面,只是得出了大体的观点——存在大量潜在的土地、水和CO2资源可用于藻类的培养,因为许多气候不适宜耕作的地区,藻类却可以生长,并且培养藻类所需水资源比传统产油作物少得多,同时CO2也得以处理。而工程设计/成本分析的结果却表明在当时基于藻类生产生物柴油的成本与石油的工程生产成本相比缺乏竞争力。不