微藻生物质生产燃料乙醇技术进展

王鹏翔 廖莎 师文静 孙启梅

摘      要： 燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源，也是优良的燃油改善剂。微藻是一种高光合效率、高生物量产值的生物质资源，部分微藻经光合作用可在胞内积累大量淀粉和纤维素，是制备燃料乙醇的良好原料。利用微藻生物质生产燃料乙醇，对于缓解石油资源日益紧缺的现状及解决一系列由温室气体引起的环境问题具有乐观的应用前景。介绍了微藻作为生物质供应的特性，综述了国内外对于微藻生产燃料乙醇的技术进展、现存在问题及未来的发展前景。

关  键  词：微藻;淀粉;燃料乙醇

中圖分类号：TQ 214       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）08-1842-04

Abstract： Bioethanol is a clean-burning high-octane fuel， a renewable energy， and an outstanding fuel additive. As a biomass resource with high photosynthetic efficiency and productivity， some microalgae can accumulate starch and cellulose within cells， which can be regarded as a capable feedstock for bioethanol production. Bioethanol production by using microalgal biomass is a promising future of assuaging the increasing lack of oil resources and solving the environmental problems caused by greenhouse gases. In this paper， the characteristic of microalgae as a biomass resource was introduced， the technical progress of global bioethanol production by using microalgal biomass was discussed as well as the present problems and the future prospects.Key words： Microalgae; Starch; Bioethanol

近年来，随着世界经济的高速发展、工业化的推进、人口的不断增长，世界对石油燃料的需求日渐增加。同时，由于石油基燃料的大量使用，大量的工业废气、温室气体被排放到大气中，造成了一系列的环境问题，如温室效应，雾霾等。因此，对于石油替换性燃料，高效可再生能源的研究已成为当前研究的热点。乙醇作为燃料，具有燃烧过程清洁、辛烷值高、可再生使用等诸多优势，是目前技术研发的热点。截止目前，已研发出两代燃料乙醇生产技术。第一代燃料乙醇生产技术是指主要以小麦、玉米等粮食作物为原料，并作为主要技术已实现商业应用。第二代技术是以木质纤维素质为原料生产乙醇。基于我国国情，燃料乙醇的生产技术必须由粮食原料向非粮食原料转化。微藻相比于其它植物，其光合作用效率更大、单位面积生物量产量高。自上世纪80年代就开始进行了以微藻为原料生产燃料油的可行性研究[1]。经过优选的微藻因含油量高、易于培养、单位面积产量大，可能成为替代石油基燃料的生物质能源原料[2，3]。目前的研究主要集中在微藻生产生物柴油上[4]，对于微藻生产燃料乙醇的技术关注度并不高。本文综述了国内外对于微藻生产燃料乙醇的技术进展、现存在问题及未来的发展前景。

1  藻类简介

1.1  微藻作为生物质供应的特性

微藻的整个生物体都能进行光合作用，且结构简单、生长周期短、速度快。与陆生植物较低的光合效率（普遍低于0.5%）相比，微藻具有更高的光合作用效率，有些微藻的光合效率高达10%[5]。基于以上优点，微藻的生物周期比陆生植物大幅缩短，生物质倍增时间平均为3～5 d[6]，一般陆地能源植物一年可以收获1～2季，而在人工培养下的微藻每几天就可以收获一次，而且不因收获而破坏生态系统同时获得大量生物质。另一方面，在微藻的生长过程中可以固定空气中的CO2，每生产1 kg微藻（干重）可以固定约1.7 kg的CO2[7]，同时提供好氧生物所必须的氧气。其固碳效率是一般陆生植物的10～50倍[8]，对于温室气体的吸收与固定有突出的作用。

相对于其他植物，藻类含有较高的可溶性多糖，可以用来生产生物乙醇。微藻由于成长过程中不发生根、茎、叶的分化，容易被粉碎和干燥，预处理成本较低。微藻细胞中所含的纤维素与陆生植物中所含的有所不同，其氢键较弱，更容易被降解[9]。相对简单的加工工艺确立了微藻作为生产燃料乙醇原料的优势。

1.2  微藻的培养

微藻的生长所需养分不多，主要是阳光、水和CO2，可以生长在海洋、河流以及湖泊里，不会与农牧业争地。影响藻类生长的因素分为非生物因素、生物因素及操作因素[10]。其中非生物因素是指如光照、温度、营养成分浓度、O2、CO2、pH、盐分和有毒的化学药品等;生物因素是指如病菌（细菌、真菌和病毒）和其他藻类竞争者;操作因素则指如混合过程产生的剪切力、深度、收获频率和碳酸氢盐的添加。

通过传统培养方法培养出的微藻藻细胞密度普遍较低[11]，而且培养过程中容易出现被其他微生物污染、收获困难及占地面积大等问题。微藻的高密度甚至超高密度培养，使藻细胞密度比普通培养条件下高出1～2个数量级，以求在降低培养体积及设施投资、节省成本的基础上，大限度地提高生物量收获、提高产品经济效益[12]。适合大规模培养微藻的方式主要分为开放式和封闭式[13]。在开放式培养微藻中，被广泛应用的是跑道式水池[14，15]，其培养微藻制备生物质的性能已被美国能源部进行了大量的评估[16]，但是存在培养密度低及一系列后处理问题，因此并不是最理想的培养方式。封闭式培养方式具有培养密度高、条件易于控制、生物质产出效率高等优点，但在反应器设计上技术仍不够成熟，其成本也较高，仍需要改进以适合规模化生产。（表1列出了开放式及封闭式不同生物反应器的优缺点）。

2  微藻生产燃料乙醇研究进展

2.1  微藻间接生产乙醇

2.1.1  微藻生物质发酵前预处理

微藻通过光合作用可以储存淀粉、纤维素等碳水化合物。首先燃料乙醇的原料由工程培养获得[19]，再利用机械或酶解方法破碎细胞壁得到所需的碳水化合物，最终燃料乙醇经由糖化和发酵制备。

跑道池（开放式） 建设费用、设备维持费用、能源消耗低;易于清洗，应用于工业化生产。 生产效率低、占地面積及水消耗量大;容易染杂菌，适用藻种数限制大。

管式反应器（封闭式） 建设费用低，适合户外培养;培养表面积大，生产效率较高 粘壁现象严重，占地面积大;有异味，营养分布不均

平板式反应器（封闭式） 建设费用低，适合户外培养;透光性好、培养表面积大，生产效率较高;藻液固定性好，易于清洗 粘壁现象严重，规模化培养的空间和材料需求量大;不宜控温，水的流动性差

柱状反应器（封闭式） 传质效果好、能源消耗低;良好的混合效果和低剪切应力;易于消毒、放大培养及清洗;藻液固定性好，降低光抑制 设备费昂贵;加工难度大;培养时受光面积小

糖化过程可采用稀酸或酶法预处理等。Chuji[20]等研究培养小球藻，莱茵衣藻及栅藻，利用超声波处理微藻后，分别利用酸解和酶水解淀粉，进一步利用酿酒酵母生产乙醇。Shin等通过研究证实酸水解和酶水解两种方式水解多糖用于后续的发酵[21]。稀酸预处理方法是目前比较常用的方法，针对不同的藻种，对酸的种类、浓度、反应温度及时间等方面进行调整，以达到更好的预处理效果。Nguyen[22]利用莱茵衣藻（淀粉含量35%）生产乙醇，考察酸浓度、处理时间、处理温度等预处理条件，用S288C发酵经处理的藻液，其乙醇产量为29.2%[23]。另外，通过研究酶水解处理微藻，发酵生产乙醇得到0.235 g乙醇/1.0 g微藻。

对水热预处理法处理微藻生物质的研究成为近年的热点。利用水热法[24]处理Monostromanitidum Wittrock和Solieria pacifica，可以提高后续酶解速率至10倍，纤维素酶解率分别达到79.9%和87.8%。通过水热法预处理，其过程抑制物生成少且反应条件温和[25]，后续水解时间缩短，糖回收率有很大提升。也有研究人员对生物法预处理进行了考察，指出同单纯的醇解效果相比，与降解纤维素微生物相结合的生物法醇解效果能耗较低[26]。虽然生物法能耗低、无污染、反应条件温和，然而对其的研究比较少，并在酶处理液中的微生物产生的物质会影响乙醇的产量[27]。生物法需使用可代谢抑制物或毒性物质的酶或微生物。

2.1.2  微藻生物质发酵

微藻生物质预处理后，通过酵母等微生物发酵可获得乙醇。根据各微藻生物质成分含量的差别使用不同的发酵菌种。目前酿酒酵母使用最多，运动发酵单胞菌也在近几十年的时间里得到大量研究。发酵方式主要为分为水解发酵（SHF）法和同时糖化发酵（SSF）法。两者相比，SHF法乙醇的产率较高，然而SSF法耗时短，燃料乙醇的产量相对较高[28]。SSF法有连续或者半连续的工艺区分，半连续的SSF法酶用量少[29]。

2.2  微藻直接生产乙醇

利用微藻生物质作为原料生产乙醇的方法比较复杂，近来研究热点开始转移到微藻直接生产乙醇上面。

2.2.1  微藻黑暗厌氧条件下生产乙醇

研究人员发现，当微藻处于黑暗及厌氧环境中，会产生乙醇等代谢产物[30]。Ohth等通过研究微藻暗发酵过程[31]，发现反应过程中通入氯化铵会提高乙醇含量。Ueda[32]等发现Chlamydomonas，Chlorella，Spirulina，Oscillatoria 和Microcystis 都可以进行黑暗厌氧发酵生成乙醇，且最适pH在6.5～8.0。Hirano[33]等研究了在黑暗厌氧条件下多种微藻生产乙醇的可能，并筛选出一株海洋衣藻在黑暗厌氧条件下具有较高乙醇产量。Ueno[34]等研究人员用海洋小球藻进行黑暗发酵生产乙醇，发现将温度控制在30 ℃时达到最高产量450 μmol/g干重，同时对暗发酵过程进行了研究并提出添加甲基紫精可提升乙醇产量。

影响微藻暗发酵的主要因素有：温度，pH值和发酵温度。通过添加一些物质或气体会对产物的比例产生影响;另外通过改变发酵条件，如温度也可能会加速保内淀粉的降解，提高乙醇的产量[32，34]。然而藻类暗发酵生产燃料乙醇的能量最终来源是通过光合作用吸收的太阳能，在黑暗厌氧条件下生产乙醇的效率在理论上没有直接光合作用固定CO2再转化为燃料乙醇的高。

2.2.2  工程微藻生产乙醇

通过现代基因工程手段，获得具有此能力的藻种有望成为一种可能。在微生物生产乙醇这一途径中，通过异源启动子的控制，可使丙酮酸脱竣酶基因（pdc基因）和乙醇脱氢酶基因II （ adh基因）高水平表达[35]，从而生产乙醇。Deng和Coleman[36]通过基因工程改造了一种聚球藻，将运动发酵单胞菌的pdc基因和adh基因通过载体pCB4导入到聚球藻中，从而在启动子的控制下，实现两种基因在藻细胞内大量表达，通过基因改造，聚球藻可以直接将光合作用固定的碳转化为乙醇溶解到培养基中。Woods等也通过基因工程手段修饰了一种蓝细菌，使其表达pdc基因和adh基因从而生产乙醇[37]，然而产量少，发酵时间长且不稳定。针对以上缺陷，FU等通过研究宿主细胞，改良了蓝细菌乙醇的生产并提高宿主细胞的乙醇耐性[38]。

Lee[39]提出光合乙醇生产技术，利用光解水，转基因藻类可以产生NADPH及ATP，可以促使CO2和H2O直接合成乙醇。研发过程包括设计多种光合乙醇生产合成途径及提出一个从培养到光合乙醇生产的完整系统。

除了暗发酵与基因工程手段，美国藻醇（Algenol）公司研发出一种微藻直接生产燃料乙醇的技术。该技术利用蓝藻光合作用直接生产乙醇，并在溶解到培养基中后蒸发，再经过冷却凝集于覆盖膜内表面，实现水醇分离和乙醇浓缩。

3  存在问题及未来发展前景

微藻作为第三代生物燃料具有其独特的优势，虽然目前为止已经对其进行了大量的研究，然而在产业化上依然存在很多问题。

与其他工业生产相似，微藻生产燃料乙醇的制备成本是应该首先考虑并解决的问题[40]。建議能源微藻采用户外敞开式模式直接利用太阳光的低成本培养模式[41]。这就需要解决两个问题，一是探索高效的光生物反应器或微藻培养方法，提高户外培养对阳光的利用率及单位面积微藻生物量的积累量;二是做好敌害生物污染的预防工作。任何杂菌的污染都会导致培养的失败及培养规模的扩大。有效的控制敌害生物污染是扩大培养规模及稳定收获产物必须解决的问题，以及对高效低能耗的微藻收集方法的研究。

从菌种出发，在乙醇制备发酵过程中对高抗逆性的菌种进行筛选。由于发酵生产的乙醇会抑制微生物本身的生长和代谢，引起乙醇大量积累、导致细胞死亡。通过选取高抗逆性的微生物菌株，可以极大缓解上述现象。另外，优化乙醇回收工艺，降低培养基中的乙醇，可以避免抑制，提高乙醇产率。

与发达国家相比，中国微藻生物质能源的发展在技术层面上仍存在一定差距，工程藻株的开发相对缓慢。应加大工程微藻的开发。着手于生物周期短，生物量和乙醇积累量高，适合户外及规模化培养等方面的基因工程改良。

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