废气、废水培养微藻制备生物燃料的研究进展

季 祥，张凯凯，刘 彬，成 杰，巩东辉，蔡 禄

（内蒙古科技大学 数理与生物工程学院，内蒙古 包头 014010）

生物质是一类在地球上广泛存在的有机物质，蕴藏着丰富的生物质能，可通过多种途径转化为生物燃料。生物质能源的利用不但可缓解能源危机，还可减少温室气体的排放。生物质的种类很多，大体可分为树木及其废弃物、农作物秸秆、水生植物、城市固体废弃物、动物粪便及尸体等。微藻广泛存在于海洋、淡水湖泊及阴暗潮湿的地方，可通过光合作用将CO2和水转化为有机物质储存在体内［1］。与其他类型的生物质相比，微藻具有CO2固定效率高、生长速率快、光合效率高、油脂含量高、适应性强等优势［2-3］。微藻的研究与应用涉及食品与医药、化妆品、养殖与饲料、环境与能源等行业。微藻被认为是缓解未来能源危机的潜在备选对象，但其高额的生产成本成为制约其发展的主要因素。利用废水、废气代替培养液培养微藻，不但能在一定程度上解决环境污染的问题，还可以节约生产成本。

本文综述了利用废气、废水培养微藻，采用油脂提取和生物质热化学转化等技术由微藻生产生物质燃料的研究进展，并简单介绍了微藻的综合化利用工艺。

1 废气、废水培养微藻

微藻可用于环境保护和环境监测，环境保护主要是利用烟道废气和市政污水等培养微藻，以达到减少CO2排放和净化污水的目的；环境监测是利用微藻对外界环境的敏感性，通过监测其在特定环境下的生理生化反应，对该环境进行初步监测［4］。废气、废水是日常生活中最常见的两种污染形式，本文主要阐述废气、废水在培养微藻方面的应用。

1.1 利用废气培养微藻

化石能源不断消耗，以CO2为主要成分的温室气体排放也越发严重。自2009年起，中国已成为全球最大的CO2排放国，预计到2030—2035年，我国CO2年排放量将达到9.2～9.4 Gt［5］。目前CO2减排措施包括：控制排放源头、减少能源消耗、调节燃料使用方式、改变能源生产形式和CO2捕集等，而通过微藻的光合作用固定CO2不失为一种很好的方法。

烟道废气中含有大量的CO2和NOx，二者直接排放会引起严重的空气污染和温室效应。微藻在自养过程中，可以将CO2进行高效固定，并将NOx作为氮源使用，在有效去除两者的同时实现自身的生长。适于烟道废气培养的微藻藻种需具有较高效的CO2固定能力，以及良好的耐受高浓度CO2，NOx，SOx等的能力。Lizzul等［6］发现Chlorella sorokiniana在通入含12%（φ）CO2烟道废气的条件下可正常生长，能分别降低23%～45%的CO2和25%～30%的CO，而NOx几乎全部被其吸收利用。Ge等［7］利用含量（φ）为2%～20%的CO2混合气体培养Botryococcus braunii，发现其能在不添加任何pH调节剂的条件下正常生长；当通入20%（φ）CO2时，培养到第25 d生物量积累达到2.31 g/L，该藻株对于高浓度CO2和pH=8的环境有极强适应性。

利用烟道废气培养微藻的同时，很多学者也注意到了微藻在沼气品质提升方面的巨大潜力，原理就是利用微藻CO2固定效率高、适应性强等优点，提高沼气中CH4的相对含量。Kao等［8］利用甲磺酸乙酯对小球藻进行随机突变处理，从中筛选出Chlorella sp.MM-2 藻株进行实验，发现它在ρ（H2S）＜100 mg/L、80%（φ）CH4的混合气体下的生长能力约为对照实验的70%；在通入粪便发酵产生的脱硫沼气（约20%（φ）CO2，70%（φ）CH4，ρ（H2S）＜100 mg/L）条件下，CH4相对含量（φ）由开始的70%增至84%～87%。由此可见，该株微藻能在保证其正常生长的情况下，有效固定CO2，提升沼气的品质。

利用废气培养微藻不但可以对CO2进行高效固定，还可以减少温室气体排放或提升沼气的品质。微藻培养的核心问题在于藻种选育和规模化生产。利用多种手段对藻株进行筛选，尤其是基因工程技术的引入，可选育出CO2固定效率高、耐受性强、抗污染的优势藻种，将其应用于烟道废气中CO2的固定以及NOx和SOx的减排。目前，对于该方 面的研究还停留在实验室阶段，若将反应器放大则会引起许多因素的改变，因此对于工厂烟道废气的回收，设计适宜的微藻大规模培养反应器是阻碍利用废气培养微藻技术发展的难点。

1.2 利用废水培养微藻

水资源的不断污染与缺乏成为当前一个亟需解决的问题。近些年，污水排放量呈逐年上升趋势，2015年我国全年污水排放量预计将达到81 Gt［9］。污水中含有大量的病源体污染物、耗氧污染物、植物营养物及有毒污染物等，排放到其他水域或渗漏到地下会引起鱼虾死亡、地下水源污染等严重后果。建设大型污水处理厂是净化污水的最主要途径，然而近年来国内外又出现了多种小型污水处理技术。如处理农村或城镇污水的人工湿地处理技术、蚯蚓生态滤池污水处理技术、高效藻类塘处理技术等［10］。原理是通过动植物对水体中一些特定成分的吸收、消耗或固定的方式对污水进行初步处理，同时还可实现其自身的生长或繁殖。

微藻属于自养生物，可通过光合作用利用污水中的有机碳和无机氮、磷等物质完成自身的生长与繁殖。Termini等［11］利用废水处理厂二级沉降池的未经硝化或反硝化处理的上清液对微藻进行培养，该株微藻直接筛选于上述上清液，主要为栅藻属。他们发现在室内条件下培养，除氮、除磷的效率均可达99.9%，生物量积累为0.25 g/d；然而在室外条件下，由于外界环境的不可控制性，除氮、除磷的效率分别降至90%和80%～90%。Amini等［12］利用炼油厂二级出水对5株微藻进行培养，发现Chlorella sp.（YG01）有很高的除氮效率（84.11%），两株Chlamydomonas sp.（YG04和YG05）都可将磷完全去除。

微藻还能有效去除污水中的COD，Babatsouli等［13］利用Picochlorum sp.和Stichococcus sp.组成的菌-藻团对含盐废水进行处理，发现该菌-藻团能在极短的时间内除去水体中的COD，去除率达99%。董芳芳等［14］比较了多株微藻对造纸废水中COD的去除能力，发现舟形藻和小环藻对其去除效率最高，培养18 d后去除率分别达到87.09%和88.18%。

微藻对污水中的重金属有一定的吸附能力，其吸附途径包括诱导产生金属硫蛋白对金属离子进行络合；或将其吸附于细胞表面；或用于合成自身生长的特定化合物等［15］。Kumar等［15］提出微藻是修复重金属污染的一种有效生物，并指出多种微藻对Cd2+，Co2+，Cr3+，Cr6+，Cr2，Cu2+，Fe3+，Hg2+，Ni2+，Pb2+，Zn2+等具有一定的吸附能力。Richards等［16］利用Nanochloropsis gaditana，Pavlovalutheri，Tetraselmis chuii，Chaetoceros muelleri处理含有大量重金属元素的市政垃圾渗滤液，通过10 d的培养，渗滤液中总重金属去除率达95%，还实现了油脂的大量积累。

因此，利用污水培养微藻，在实现其生物量和油脂成分积累的同时，还能有效去除污水中的无机氮、无机磷、COD和重金属离子等。

2 微藻制备生物燃料

微藻主要由油脂、蛋白质和多糖等有机物质组成，富含大量的生物质能。微藻的能源化利用技术主要包括微生物发酵、油脂提取或直接热化学转化等，得到的能源形式包括生物乙醇、生物柴油、生物油和生物燃气等。

2.1 微藻乙醇

自然界中不同藻种的生理生化特性差别很大，适于作为生产燃料乙醇的藻株需具有较高含量的淀粉及多糖。培养采收后的藻粉需进行预处理，即破坏微藻细胞壁，使藻体中的糖类释放，同时将大分子碳水化合物降解为小分子，以提高发酵效率。目前使用较多的预处理方法有稀酸预处理、酶解法和水热预处理等［17］。

经预处理后的微藻生物质可通过酵母等微生物发酵产生乙醇。所选菌株一般筛选于多糖类生产企业的排放污水或污泥，或通过基因工程技术进行改良。Yoon等［18］利用从琼脂生产工厂污泥中筛选出的一种半乳糖降解酵母菌株S.cerevisiae9号对预处理后的Gelidium corneum藻抽提物进行发酵处理，经过96 h发酵后获得4.58%（w）的乙醇；并指出对微藻抽提物中的主要成分——半乳糖进行酶糖化后，会减少呋喃、羟甲基糠醛等发酵抑制物的产生，从而提高乙醇的生产效率。

除酿酒酵母外，还可利用大肠杆菌对微藻预处理藻渣进行发酵。Cheng等［19］发现Chlorella variabilis NC64A可以在氮限制条件下积累碳水化合物；对经病毒感染和酶水解联合预处理后的藻渣，利用E.coli KO11进行发酵，生物乙醇最大产率为0.32 g/g。Kim等［20］利用酿酒酵母S.cerevisiae、重组大肠杆菌E.Coli KO11、整合Z.mobilis产乙醇基因和pflB基因的E.Coli B对4种水生植物（Ulvalactuca，Gelidium amansii，Laminaria japonica，Sargassum fulvellum）的预处理产物进行发酵处理，发现Laminaria japonica经酸解后再酶解处理，利用重组大肠杆菌E.Coli KO11 发酵得到的生物乙醇的产率最大，为0.4 g/g。这是因为E.Coli KO11 可利用水解产物中含量较多的甘露醇生产生物乙醇。

利用微藻糖类发酵生产生物乙醇的主要突破点包括以下3点：1）筛选或改造优势藻种、优化培养条件，使其能大量积累糖类，尤其是可酵解糖类，因为有很多糖类无法被酵母菌等代谢（如木糖等五碳糖）；2）优化预处理方法，使糖类得到充分释放和回收，并对糖类进行初步分解，提高发酵效率；3）选择合适的发酵菌株，使微藻糖类抽提物能得到充分发酵，提高乙醇产率。

2.2 生物柴油

生物柴油来自于动植物油脂与醇进行酯交换反应获得的脂肪酸单烷基酯（如脂肪酸甲酯）。与传统化石柴油相比，生物柴油的燃烧性能更好、基本不含硫和芳烃、闪点高、十六烷值和含氧量高、具有较好的发动机气动功能等，可部分添加到化石柴油中。动植物油脂的获得主要来源于大豆油、菜籽油、微藻油脂或餐饮废油等，微藻油脂的利用可有效解决生物柴油生产过程中对食物和耕地产生的竞争。

微藻经培养得到大量藻粉，藻粉经采收、烘干、细胞壁破碎后，利用有机溶剂萃取、索式提取、超临界萃取等技术对微藻油脂进行富集［21］。富集得到的微藻油脂与醇（甲醇或乙醇）发生酯交换反应制备生物柴油。为加快反应速率、提高油脂转化效率，需在反应体系中加入适当催化剂。依据催化剂的不同，可将酯交换过程分为均相催化酯交换法、非均相催化酯交换法、生物催化酯交换法和非催化酯交换法［22］。

均相催化剂的使用会产生大量废酸（碱）水，而且具有不可重复利用、易引起皂化反应等缺点，因此其应用受到很大限制。非均相催化酯交换法将反应物与催化剂分开，能提高催化剂的使用效率、降低生产成本。非均相催化剂包括固体碱和固体酸催化剂两大类。生物酶是一类环境友好型催化剂，可催化酯交换反应的进行。Huang等［23］利用重组酵母菌产生脂肪酶GH2，在正己烷体系等适当条件下催化Chlorella vulgaris油脂与甲醇（乙醇）的酯交换反应，24 h后脂肪酸甲酯（乙酯）的收率均在90%以上。非催化酯交换法是在超临界甲醇/乙醇体系下生产生物柴油。Nan等［24］优化了微藻经非催化酯交换法生产生物柴油的反应条件，在320 ℃、15.2 MPa、醇油比为19∶1、7.5%（w）水的条件下反应31 min，脂肪酸甲酯收率最高，为90.8%；在340℃、17.0 MPa、醇油比为33∶1、7.5%（w）水的条件下反应35 min，脂肪酸乙酯收率最高，为87.8%。

利用微藻油脂制取生物柴油的关键是使油脂得到大量富集，其中，筛选和培育富油藻种、控制培养条件是两个有效的途径。通过基因改造培育“工程微藻”可使油脂得到大量积累，微藻油脂的主要成分甘油三酯（TAG）的合成需要多种酶的参与，其中，乙酰辅酶A羧化酶是其合成途径中的限速酶，其表达量的增加可加速TAG的合成和积累。通过限制某些营养成分、添加微量元素等培养条件也可以实现油脂的大量积累［3，21］。提高生物柴油收率的另一个途径是选择和设计合适的催化剂、优化油脂转化技术和工艺，以缩短反应时间、提高转化效率。

2.3 生物油

生物油是将生物质通过热化学转化技术得到的液体产物，制备生物油最常用的热化学转化技术有常压热解液化和加压液化。常压热解液化是在常压下，以特定的升温速率达到预定温度并停留一定时间，经冷凝装置最大限度地获得液体产物的过程。按升温速率不同，热解过程可分为闪速热解、快速热解和慢速热解。快速热解对设备要求较高，液体收率高；慢速热解的液体收率较低，但对设备要求较低。如通过快速热解Chlorella vulgaris可获得72%的生物油［25］；而通过慢速热解Spirulina sp.仅获得46%的生物油［26］。高压液化是在溶剂存在下，通过选择适当的反应温度、压强、停留时间等条件制备液体燃料的技术。选择水为溶剂，即水热液化法，可避免其他溶剂对产物或环境造成影响，同时降低藻粉干燥过程中的能量消耗［27］。

通过直接热化学转化获得的生物油品质较低，主要表现在含氧量和水含量高、热值低等。为提高其品质，常采用催化加氢、催化裂解、乳化、催化酯化、水蒸气重整、萃取和膜分离等技术［28］对其进行精制。精制过程中主要发生以下变化：氧元素以CO2，CO，H2O的形式去除，氢元素通过加入的方式提高，特定成分通过萃取或膜分离技术富集，化学键断裂发生特定重整等。精制后的生物油含氧量降低、碳和氢元素含量增高、热值增大、芳烃等期望化合物的含量增加。

通过热化学转化技术由微藻制备生物油的主要突破点包括以下3方面：1）优化热化学转化途径，即设计适宜的热化学反应器、优化反应条件；2）设计和生产工厂使用的热化学转化装置，以用于工业化生产生物油；3）设计和优化生物油提质工艺，制备高品质生物油等。

2.4 生物燃气

利用微藻生物质制备生物燃气的方法包括微生物发酵产沼气和H2，光合作用产H2和热化学转化产可燃气体等。

微藻细胞内含大量的有机成分，通过厌氧发酵经水解、酸化和产甲烷3个阶段产生以CH4为主的沼气，其中，涉及到纤维素分解菌、蛋白质水解菌、醋酸菌、产甲烷菌等多种微生物。其中，产酸阶段伴随着H2的释放，产甲烷菌可利用H2将CO2还原成CH4［29］。对微藻生物质的预处理可以改变产气成分和含量，如去氨基酸藻渣和去油脂藻渣的CH4产率高于全组分藻粉，因为在某些组分去除时破坏了细胞壁的结构、增加了有机质的水解［30］。但在油脂提取过程中，有机溶剂的用量过大会影响产沼气微生物的生长和活性，如H2和CH4的产量会随三氯甲烷含量的增加而降低［29］。

微藻光合作用产氢的原理：光合作用系统Ⅱ光解水释放的电子或机体中有机物分解产生的电子，经类囊体膜上的电子传递体传递给产氢相关的酶类，还原质子产生H2［31］。微藻光合作用产氢受多种因素影响，如微藻藻株、光的波长和强度、培养体系含氧量等［32］。藻株的选择直接决定产氢效果，光照强度适度增加会提高产氢效率，体系中含氧量过高会使相关产氢酶的活性受到抑制以至失活。

常用热化学转化制备生物燃气的方法有热解气化和水热气化等。热解气化是在无氧条件下，利用较高的温度（800～900 ℃）直接对微藻进行热转化处理，在此过程中常加入适宜的催化剂，以获得含大量H2和CO的热解气体。水热气化技术是在超临界水体系下，将含水量较高的生物质直接转化为清洁燃气，在微藻气化研究中越来越受关注。Sanchez-Silva等［33］通过控制条件将Nannochloropsis gaditana进行水热液化，可获得约含50%（φ）H2和35%（φ）CO的可燃气体。在反应体系中加入适当催化剂可以改变产物品质，提高H2等理想组分的比例。

此外，微藻还被用于与其他生物质或煤炭共气化。微藻生物质中含有大量碱金属化合物，能对其他生物质或煤产生催化裂解作用，以提高热解产物的质量和产量。如在蓝桉树（Eucalyptus globulus）生物质中加入适量钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）能提高CH4和H2的比例［34］。

微藻转化为生物燃气有多种工艺路径和设备，利用微生物发酵生产生物燃气对设备的要求较低，反应条件较温和，但反应时间较长，工作效率不高；采用热化学转化技术可在较短时间内对微藻进行气化处理，但对设备要求较高，生产成本也相对较高。

3 微藻的综合化利用

废气、废水培养微藻制备生物燃料是微藻在环境和能源领域综合化利用的典型工艺，该工艺路线（见图1）的实施与应用主要从以下几方面入手：

1）筛选和培育优势藻种和菌株。藻种是运行整套工艺的最基本条件，用于发酵的微生物菌株直接影响生物质能转化的效率。选育藻种（菌株）的方法包括从自然界直接选育和通过人工诱变选育等，尤其是基因工程技术的应用，使定向选育藻种（菌株）成为可能。

2）控制培养条件，实现特定组分的积累。通过控制微藻的培养条件，可实现某些组分的大量富集，为下一步工艺的进行提供基础。

3）微藻大规模培养反应器的设计。利用废气、废水大规模培养微藻反应器的设计遵循的原则是提高CO2固定效率和污水净化能力、降低微藻贴壁生长程度以实现生物质的大量富集等。

4）废气、废水的预处理。烟道废气携带大量热量，直接排放到大气中会造成能源的浪费，因此可将其接入到微藻干燥系统中，对藻粉进行干燥处理。废水可作为热化学转化系统中的冷却水使用，减少水资源的浪费。

5）特定组分提取工艺的优化。微藻主要由蛋白质类、糖类和脂类组成，通过优化其提取工艺，可降低生产成本、减小环境污染、利于生物质能源的转化。

6）生物质能源转化条件的优化。该转化体系包括光合作用产氢系统、酯交换系统、微生物发酵系统、热化学转化系统等，优化其转化条件，可获得产量高、品质好的生物燃料。

利用微藻的独特优势，实现环境保护和生物质能源转化的紧密连接，可在一定程度上缓解环境污染和能源危机给社会可持续发展带来的双重压力。

图1 能源微藻综合化利用工艺路线Fig.1 Process of microalgae comprehensive utilization.

4 结语

制约微藻在能源领域利用的最主要因素是成本过高、技术水平单一等。利用烟道废气、市政污水培养微藻在实验室水平上已获得成功，而微藻通过生物质能转化技术可高效转化为生物燃料。将两种技术耦合利用，可有效降低微藻的培养成本、减少环境污染、缓解能源危机。

微藻综合化利用技术已拥有扎实的理论基础，实验室级别的工艺和设备的放大成为最急需解决的难题。放大过程中会伴随着多种参数的改变，影响工艺路线的进行，因此在今后的研究中应侧重于工艺及设备的放大，以利于工业化应用和生产。

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