微藻生物油脂-新型能源

谢友林 黄学平 万 珊 刘佳丽 刘凡奇 王 骏 陈书鹏 彭招斌 李立森 陈孝挺

(1.南昌工程学院土木与建筑工程学院；2.南昌工程学院水利与生态学院)

随着经济的高速发展，金融的迅速膨胀，石化能源对环境污染的加剧，各种天灾不时出现在我们的生活之中。温室效应、雾霾、百年难遇的洪水、泥石流山体滑坡、各类地震等，造成这些灾难的很多因素都有出自环境的改变，由此不断污染的环境已经逼近我们的生活。中央出台防治雾霾的方案，给每个雾霾严重的省份划分目标，用以降低pm2.5指标，随之出现车辆限行、火电厂改制、重污染企业改制等等措施。这些措施一致面向石化能源使用和生产过程中带来的环境的污染问题。石化能源已经引领了工业时代的进步，同时作为不可再生能源，自身也在不断地消耗。据统计，全球已探明的石油储量按现今的消费水平到2040年将枯竭；天然气储量仅能维持到2060年；煤炭储量也只能用到200年。照这样下去，我们失去部分的石油、天然气和煤炭，还要承担石化能源带来的环境污染给我们造成的灾难。面对着能源的种种问题的同时，生物质能源出现在科研工作者们和各国政府的面前，有着解决石化能源短缺和污染的能力。经过研究和发展，微藻生物质能源获得了认可。因为微藻油脂含量高，培养选地等多方面优势的突出。

1 微藻生物油脂

微藻是一种自养型光合作用生物，利用光合作用的方式将二氧化碳固定在细胞内，并和各类色素吸收的光能结合转化成生活所需的能量。这种作用有多重优势，首先可以大量吸收二氧化碳，降低现在高溶度的二氧化碳，从而降低温室效应。温室效应一直都是专家们争论的焦点，大量的专家都将冰川加速融化和海平面上升，天气温度的骤变归结为二氧化碳的大量增加所致。加大微藻的培养，可以降低二氧化碳的浓度，从而减少温室效应的影响。再者，微藻将能量固定在细胞内，供细胞活动，多余的能量以油脂等方式存储下来，含量是别的生物所不能比的。甚至一些微藻因为易于培养，含油量高，单位面积产量大等优点而被称为新一代能够实现代替石化柴油的生物柴油原料[1]。

1.1 微藻油脂的意义

微藻油脂，主要由20几种物质组成，包含脂类物质、脂肪酸类物质、烷烃和酚类、烯类物质。含量最高的是邻苯二甲酸二异辛酯，所占70%之多。这些物质可以用来作为聚氯乙烯树脂的加工材料。还可用于化纤树脂、醋酸树脂、树脂及橡胶等高聚物的加工，也可用于造漆、染料、分散剂等。软脂酸与硬脂酸按照一定的比例混合可以得到结晶的硬脂酸产品[2]。微藻富含油脂、蛋白质、维生素，提取出的生物油脂作为生物柴油，大大改善石化柴油的现状，也是作为一种新型可再生的生物质能源和固碳工具，适合解决当今的能源危机和环境污染问题。微藻还有一项优势，光合作用产生的油脂是别的产油作物的几倍。因为微藻的繁殖在指数生长期是成倍的增长，单位面积的产量更是其他产油作物的7～23倍之多。部分优质的微藻可达到80%的含油量[2]。

1.2 微藻选取

微藻油脂含量的丰富，在早前就得到各国的重视，1978～1996年，美国能源部就通过了“水生生物种计划”，从3000多种微藻中筛选出300多种含油量较高的微藻[4]；1990～2000年，日本实行了“地球研究更新技术计划”，挑选了多种因素较好的微藻。

微藻形体微小，只有在显微镜下，方能查看其大致形状和结构组成，所以要选出含油脂高的微藻不是一项简单工程。在现今的微藻分离和提取方式中，主要有样品系列稀释法、水滴分离法、固体培养基分离法、微吸管分离法等。分离和提纯好微藻后，将各类微藻进行培养，来检验各种微藻的优势，进行平行对照培养，观察微藻繁殖的速度，不同的微藻繁殖速度不一样，产量不一样。试验中分时间段测定微藻的重量和数量，对比各种微藻的数据差异。选出一些高繁殖速度的微藻，以后的生产培养中可以达到减少培养面积和相同时间提高产量的的目标。选择出的优质微藻，能迅速繁殖，能耐高溶度二氧化碳，能在简易和相对恶劣的地理条件下快速繁殖，这是在微藻生物质能源生产中的重要环节。在实验中，我们还以不同的养料来培养微藻，观察不同成分的养料对于微藻繁殖的影响，更好的选择一种或多种优质微藻。目前：在各项研究中发现油脂含量较高的微藻主要有硅藻、绿藻、金藻等[5]。

1.3 微藻油脂的测定方法

目前常用的测定微藻油脂的方法包括有机溶剂提取法、索氏提取法、尼罗红荧光光谱测定法、苏丹黑染色法、超临界CO2提取法和离子液体提取法、质量法等。在以上这些方法中，以尼罗红荧光光谱法来介绍微藻油脂的测定。尼罗红荧光光谱法是基于尼罗红的激光特性来进行操作。尼罗红有两个能结合运用的优点，一是尼罗红能够结合脂类物质，包括脂和三酰甘油及游离脂肪酸；一是尼罗红也是一种荧光燃料，在不同的波长的光照下与脂类结合会显示不同的颜色，如在543nm的激发光照射下，显示波长为598nm的桔红色荧光，在450-500nm的激发光照射下，显示波长大于528nm的金黄色荧光。当环境的极性减弱时，最大发射峰会蓝移，选择合适的激发波长和发射波长，可以区分细胞中的极性脂和中性脂[6]。运用尼罗红荧光光谱法还得注意破壁处理，因为油脂类物质在细胞内，尼罗红不能很好的透过细胞壁与油脂类结合，在这项技术中，可以选择二甲基亚砜，用以提高微藻溶液的极性，方便尼罗红穿过细胞壁。

荧光分光光度计是一种用于扫描液相荧光标记物所发出的荧光光谱的一种仪器。从各个角度反映了分子的成键和结构情况。通过对这些参数的测定，可以做一般的定量分析。当使用尼罗红荧光光谱法测定时，主要运用荧光分光光度计得出各类关系曲线，总结藻内油脂与微藻细胞的密度、微藻干重、吸光度、荧光峰值的关系，进行分析总结，得出结论。控制尼罗红和二甲基亚砜的用量是整个技术的关键，在实验中随着二甲基亚砜体积分数的增大，脂发射峰的相对荧光强度逐渐上升，当二甲基亚砜体积分数达到20%时，相对荧光强度达到最大[7]。

1.4 微藻的含油脂量

表1 微藻的含油脂量[8]

2 微藻油脂的提取方法

常用的油脂提取方法有酯交换技术、有机溶剂直接萃取、索氏提取法、超临界CO2、反复冻融乙醇提取法、离子液体提取法、亚临界溶剂提取法和酶提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法等。以下部分微藻油脂的提取方法：

(1)小球藻、栅藻一般采用高温高压法、珠研磨法、微波法、超声波10%氯化钠溶液等方法破壁，再用氯仿-甲醇提取[9]；

(2)杉藻、马尾藻一般采用超声波或盐酸盐缓冲液破壁处理，再用氯仿-甲醇或二氯甲烷-甲醇提取[10]；

(3)南极冰藻一般采用索式提取法，以乙醇溶剂提取[11]；

(4)微囊藻一般采用二甲醚溶剂提取[12]；

(5)微绿球藻一般采用超声波处理、微淀、磁性搅拌方式破壁处理，再以氯仿-甲醇、甲醇或正乙烷提取[13]；

从上述的提取方法，可以发现一个共同特点是需要对细胞进行破壁处理。微藻的细胞壁结构保护着细胞完整，更是将油脂包裹在细胞内，只有先将细胞破碎才能用其他方法进行提取，微藻细胞是微小，不容易对单个细胞做一些大的处理。国内外微藻油脂破壁提取技术主要有物理破壁方法：高压均质法、机械超微粉碎破壁技术、反复冻融法、超声辅助提取法、微波辅助提取法、脉冲电磁场法；化学与生物化学破壁方法：酸热化学破壁提取技术、化学渗透法、酶溶法；其他、超临界流体提取技术、亚临界流体提取技术[14][15]。在这些破壁处理方法中有各自的优点和缺陷，有的操作简单，但效果不佳或效率不高；有的操作复杂，处理效果很好，可以满足提取的要求。这就需要去选择一种好的技术方法来达到多方面的优势，可以做到将时间、效率、工艺方便、可操作性强等特点相结合。

2.1 微藻油脂——脉冲电场破壁法

介绍一种比较新型的破壁处理方法——脉冲电场破壁法，脉冲电场破壁法的原理是利用高压脉冲电穿孔机理，使细胞壁和细胞膜瞬间发生破坏，处理细胞的时间上很有优势。在这项技术中，突出的是“电穿孔”理论，就如在细胞壁上进行穿孔，以达到对细胞的破壁处理效果。“电穿孔”是使细胞在电脉冲的作用下，对细胞壁和细胞膜的双层形成微孔，通透性突然增大，致使细胞内物质泄漏和死亡。这项技术在废啤酒酵母细胞上做过细致的研究[16]，目的是从酵母细胞内提取蛋白质和核酸物质。高压脉冲电穿孔技术对细胞壁的处理有着多重优势，首先，高压脉冲电穿孔耗能低，过程也不产生高热量，节省相当一部分能源；再者，处理液可以连续流动，处理大批量的源物质，不产生微藻细胞碎片；时间消耗短；细胞的破坏程度不会像机械破壁那样完全破碎细胞，更好地保护蛋白质等的活性，不易引起蛋白质和核酸变性。脉冲电场破壁法作为一种新型的微藻破壁技术，优点明显。研究过后，用于提取物质是一个好的方法。

3 结论

微藻油脂作为新型能源的一种，在过去几十年的研究中，这项能源逐渐得到重视。眼观各国，微藻生物油脂最大的投资项目在英国。2008年，英国碳基金公司用2600万英镑的投资来解决微藻生物柴油的相关技术和基础设施。由此投资量加大，微藻生物油脂吸引着众多人的眼球，但到现在并没有处于全方位运用的阶段，因为相关技术的突破有待研究。要获得微藻生物油脂从而制作成可代替石化能源的生物柴油，还要经过一个相对繁琐的研究实践阶段，选优质藻、培养优质藻、提取藻内油脂、加工成可用的油成品。各个阶段需要新的、可靠的技术出现。以上介绍的各种技术有些还停留在实验阶段，几种相对较好的技术也需要不断地实践，从实践中改进和提高。如上提到的脉冲电场破壁法、尼罗红荧光光谱测定法等等，也是现阶段存在的一项项好技术。微藻生物能源有着巨大的潜力，当各环节的技术难关突破、稳固后，能减轻能源的需求和降低石化能源对环境的污染。

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