微藻生物质生产燃料乙醇技术进展

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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）。