藻类生物燃料：未来生物能源的多样性

杨丰科，王兴富

（青岛科技大学化工学院，山东 青岛266042）

在过去的50年里，世界人口增长了一倍多，导致一次能源消耗大增［1］。2010年，世界一次能源的消耗增长了5．6%，几乎是过去40年的最大增长率。这其中包括了几乎所有化石能源（如石油、天然气和煤炭）消耗的增长。

目前，世界上每年大约消耗15TW的能源，其中只有7．8%的能源是可再生能源。以可再生能源如风能、太阳能、氢能、生物能源来替代基础化石能源仍然是一项非常艰巨的任务。其中，以植物为基础的生物燃料得到了人们的广泛重视。

作者在此对生物燃料的来源进行了分析，重点介绍了藻类生物燃料的巨大潜力，并讨论了其经济可行性和未来的应用前景。

1 生物燃料来源分析

光合生物如高等植物、藻类、蓝细菌能够利用阳光和二氧化碳产生各种有机分子，特别是碳水化合物和脂肪。这些有机分子可用于产生生物质或直接制成抽取物，这些是生物燃料的来源。

目前最常见的生物燃料生产方法是由玉米或甘蔗生产生物乙醇和由各种油料作物（如大豆作物、棕榈油）制取生物柴油［1］。由于作为汽油添加剂和联邦政府授权对燃料混合物的税收奖励，生物乙醇生产在美国已经很盛行，其产量在2000～2008年间上升了25%。目前有30%的玉米种植用于生产生物乙醇［2］。由甘蔗生产生物乙醇虽然生产成本较低，但运输成本等较高，因此并不是理想的生物燃料生产途径［2］。

木质纤维素原料也正在被开发用于生产生物乙醇。木质纤维素原料来源广泛，如玉米秸秆、白杨、小黑杨和柳枝稷等。目前的研究主要集中于了解作物中纤维素、半纤维素和木质素的比例对生物乙醇生产效率的影响，如何减少酶用量以及如何降低用于释放可发酵糖组分的预处理成本［3］。

生物柴油也是重要的化石能源替代品。油料作物如大豆、油菜、棕榈等可以用来生产生物柴油，但传统上这些油料作物常常作为食物，如果用于制取生物燃料对粮食供应有着极大影响［4］。生物柴油的另一个来源就是最近研究的热点麻疯树。麻疯树是一种耐旱的小树，其种子中含有20%～40%的非食用油，因此与食物来源和农用土地没有竞争关系［5］。

目前，许多植物资源可以用来生产生物燃料，但它们中的大部分与粮食供应有着竞争关系。藻类具有独立的光合作用系统，在生物燃料方面具有巨大的应用潜力，是其它生物能源的有力补充。

2 藻类生物燃料

2．1 生物乙醇

藻类由于其低比例的木质素和半纤维素，用作生物乙醇的来源时，相比其它木质植物拥有独特的优势。基于形态和大小的不同，藻类分为微藻和海藻。其中微藻是微生物，海藻是多细胞结构植物。虽然海藻类似于陆地上的植物，但因为其生长在水环境中，在没有木质素交联的情况下，浮力允许其垂直生长［6］，因此海藻中的木质素含量很低，利于发酵产生物乙醇。海藻中的巨藻含有大量的糖分（≥50%），可用于生物乙醇的发酵［7］，然而红藻中碳水化合物的含量受到琼脂（半乳糖吡喃和半乳糖的聚合物）的影响，因此相关研究致力于开发糖化方法从琼脂中解锁半乳糖或从纤维素中进一步释放葡萄糖，以发酵获得更高产量的生物乙醇［6，7］。

2．2 生物柴油

许多藻类能产生大量的脂质存储在体内，有的高达其干重的50%～60%。在酯交换反应中，这些脂类在化学性质上类似于油料作物衍生的脂质，使得藻类成为潜在的生物柴油来源。藻类生物柴油的成本与藻类的固碳效率（将二氧化碳转化为脂质的效率）成正比。因此，藻类生物勘探可能极大地影响藻类生物柴油的生产效率。生物勘探者寻找的菌株不仅要富含脂质，而且要具有优异的生长和收获特性［4］。

优化酯交换反应过程可大幅降低藻类生物柴油的生产成本。与油料作物可以压缩并提取脂质不同，藻类复杂的细胞壁会阻碍高压提取脂质［8］。因此，可在提取脂质的同时直接进行酯交换反应生产生物柴油［8，9］。虽然具体工艺仍需要优化，但是高生物量和高脂质含量保证了藻类的开发价值，是生物柴油的强有力潜在来源。

2．3 生物制氢

众所周知，许多大型海藻中含有大量的碳水化合物，这些糖类大多是由非葡萄糖类的单糖组成的，如半乳糖［10］。藻类因其生长快速、能在海洋环境中生存、木质素含量低，成为生物制氢的潜在来源，用于气体燃料生产或发电。研究表明，红藻石花菜和褐藻海带都是潜在的生物制氢来源，但是由于酸解副产物的抑制作用使得氢的产率降低了50%。因此，为了提高生物制氢产量，有必要优化藻类的预处理方法。

2．4 沼气

近来，微藻成为了厌氧发酵产沼气的热点。沼气的生产效率与微藻的种类有关。藻类产沼气在生物降解中也发挥了重要的作用。湖泊、池塘或海洋中的有害赤潮能产生有毒的次生代谢物，对生态系统危害极大，而将这些藻类用于沼气生产可以减少其负面影响。

3 藻类生物燃料的经济可行性

利用藻类生产生物燃料的可行性为可再生能源生产的生命周期和经济障碍提供了答案。从藻类生物质或额外副产品中提取一种以上的生物燃料，不仅可以提高生物质价值而且对环境友好。这种联合生物炼制的概念可以提高藻类脂质乙醇的提取量，也可以结合沼气和生物制氢运用，在发酵前生产有价值的产品或用气态的发酵产物为生产高附加值产品提供能量。在第一种情况下，高附加值产品包括在沼气生产中厌氧消化前的厌氧下生物制氢生产；在第二种情况下，沼气产生的电力可以用来满足沼气生产中微藻的厌氧消化对能源的需求，农业源型沼气可以为藻类生长和副产品生产提供CO2流，也可以为藻类培养产生物柴油和脂质的提取提供电力。

无论怎样运用联合生物炼制的概念，藻类生物燃料生产的经济可行性和环境可持续性都将取决于全面优化的、有效的综合利用方案，以充分利用藻类生物质资源。

4 藻类生物燃料的局限性与展望

藻类生物燃料的局限性主要在于高成本的基础设施建设和藻类生长与收获所需的能量（主要是种植藻类所需的巨大水量）［11］。研究发现，某种生化分子无需脱水培养物就能利用酶法水解复杂的藻类细胞壁；藻类生物燃料的能量需求显著，如藻类生物质的干燥处理就大约消耗了输入能量的69%；代谢工程在优化产生物燃料的菌株方面可能发挥关键作用，包括碳再分配的改进、创建通过控制脂质链的长度生产三酰基甘油酯的设计器和通过重组工程改进生物氢的生产方法等。总之，不论是就其经济竞争力还是环境影响而言，提高藻类生长的水和营养物质的可用性都是其成功用于生物燃料的关键。最近的研究表明，利用废水和农业再生营养物质来促进藻类生长相当成功。

尽管利用藻类生产生物燃料存在着一定的局限性，但藻类仍然是生物燃料的最好来源。藻类生物燃料的进一步发展在很大程度上取决于跨学科研究和工程师、化学家、生物学家的合作，相信通过优化藻类的生长与收获，必将会创造一个灵活、有效的藻类生物燃料生产平台。

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