微拟球藻：吃的是二氧化碳，挤出来的是燃料
科学大院
公众号ID：kexuedayuan
关注
人类对能源的利用，始于钻木取火，星星之火点燃了璀璨的人类文明。
能源推动了人类的进化，也决定着人类未来的走向。目前，人类所利用的能源绝大部分仍然来自化石燃料。而根据2017年《BP世界能源统计年鉴》，全球煤炭、石油、天然气储存量分别为1.14万亿吨1.71 万亿桶和187万亿立方米，分别仅能够维持153年，50.6年和52.5年的全球生产需要。 同时，由于化石能源在全球能源消耗结构中比重过大，导致CO2、SO2等过度排放，引发了包括全球变暖在内的一系列环境问题。
图片来源：www.juimg.com/
面对能源短缺和环境污染两大严峻问题，寻找可再生且对环境友好的新型能源迫在眉睫。而作为生物质能一员的生物柴油，不仅可以消纳各种有机废弃物，减轻环境压力；还可替代化石燃料，缓解能源危机；并且由于生物质资源分布广泛，生物柴油的开发几乎不受地理和气候的影响。诸多优势使得生物柴油在可再生能源中备受青睐。
生物柴油升级换代
生物柴油 图片来源：pic.sogou.com
生物柴油是指生物油脂与醇通过酯交换反应生成的一种生物燃料。生物柴油具有高十六烷值，不含硫和芳香烃。相比石化柴油，生物柴油具有优良的环保性能和再生性能；较好的燃烧性能；良好的低温发动机启动性能和润滑性能；较高的经济性、可降解性和安全性能。自20世纪70年代以来，生物柴油的发展已经经过三代更迭。
第一代生物柴油的原材料主要来自油菜、大豆、向曰葵等可食用性的油类作物。这类原材料生产成本高昂，并且与人争地争粮，生产周期冗长，油脂产率偏低，对环境要求较为苛刻，因此不适合进行规模化生产。
第二代生物柴油的原材料主要来自麻疯树、烟草种子等非粮油类植物，以及地沟油、动物脂肪等。第二代生物柴油解决了原材料与人争粮的问题，但是其他缺点仍然制约着生物柴油的发展。
第三代生物柴油以“微藻”作为生产原料。微藻因光合效率高、生长速率快、占地面积小、油脂含量高等优点，当之无愧成为第三代生物柴油原料的首选。
微藻——取之不尽的能量球
微藻，即微体藻类，大小从几微米到几百微米不等。其光合效率较高，能高效生产脂类、蛋白质、多糖等有机物。其中脂质可通过酯交换反应转化为生物柴油。
在20世纪70年代，美国能源部以发展可持续能源为目的，对微藻开展了大规模搜集、筛选和鉴定工作，最终获得了三百多种产油微藻，即脂质占细胞干重比例超过20%的微藻。其中微拟球藻的脂质比例更是高达68%！
微拟球藻（图片来源：https://en.wikipedia.org）
作为一种单细胞藻类的微拟球藻，除了脂质含量高外，还具有环境适应能力强、个体小、繁殖速度快等优点，跻身生产生物柴油的优良藻种行列。
捕捉CO2 的猎人
微拟球藻为什么能具有这么高的脂质比例呢？答案在于它独特的固碳能力。
我们知道，光合作用是自然界生物固碳的基础。地球上每分钟通过光合作用大约可以将300万吨CO2和110万吨H2O转化为200万吨有机物质，同时放出210万吨O2。
与陆生高等植物不同，微拟球藻生长在海水中。水体中溶解性无机碳的主要存在形式有 HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。为了应对复杂的水体碳环境，微拟球藻具备了独特的CO2浓缩机制(CO2 concentrating mechanism，CCM)。
真核微藻、蓝藻、大型藻中均有CCM存在，但是真核微藻的CCM只有在环境CO2 小于大气CO2浓度时才会启动 。该机制主要通过无机碳的转运, 改变细胞光合作用对无机碳的亲和力, 在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 （Rubisco） 的活性位点提高 CO2 浓度, 有利于Rubisco的羧化酶作用, 抑制其氧化酶活性，从而提高了固碳的效率。
CO2是造成温室效应的罪魁祸首之一。2015年12月在巴黎气候变化大会上，中国承诺到2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%～65%。微拟球藻强大的固碳能力不但可以生产更多的生物柴油，还可能用于减少大气中的CO2。
变身“生物柴油”
最常用的微藻生物柴油生产工艺主要由三个步骤组成：微藻生物质的生产、油脂的提取、酯交换反应。
首先在开放塘中大规模培养微藻。在微藻细胞内，光合作用合成的糖类物质经过一系列的代谢反应转化为油脂。
培养中的微藻（图片来源：energyeducation.ca）
当藻细胞密度达到最大时，根据微藻的特性，可选用离心法、超滤法、气浮法、絮凝法等方法进行收集。收集后的微藻需要进一步提取其中的油脂。藻类油脂的提取过程繁琐，目前最常用的油脂提取方法有机械压榨法、有机溶剂法、加速溶剂提取法、超临界流体萃取法和酶提取法等。
提取出来的藻油成分复杂，主要由游离脂肪酸、三酰甘油酯、磷脂、糖脂和硫脂组成。其中游离脂肪酸容易和碱性催化剂发生皂化反应，通过对原料干燥和预酯化可减少脂肪酸对酯交换反应带来的不利影响。
酯交换反应是酯与醇在酸或碱的催化下生成一个新酯和一个新醇的反应。在微藻生物柴油生产中，利用短链醇和藻类油脂在催化剂、高温环境下进行酯交换反应，最终合成脂肪酸单脂，即生物柴油。
典型酯交换反应示意图
据估计，每公顷养殖面积上藻类年产油量可达1.5万～8万升，相比之下玉米、大豆的年产油量分别只有120升和440升。
不过，目前微藻生物柴油的生产成本依然较高，这是限制其商业化生产的瓶颈。除继续开发产油性能优良的藻种以外，需要实现微藻生产的综合利用，可有效解决这一问题。例如从微藻中获得DHA、类胡萝卜素、活性多糖等高附加值产品，将废弃的藻渣作为水产业的饵料等。
图片来源：paper.people.com.cn/
根据历年《BP世界能源统计年鉴》，作为化石能源替代品的生物柴油已成为国际上发展最快、应用最广的可再生能源。在这场能源革命中，微拟球藻扮演着渺小却又伟大的角色。
参考文献：
[1] Amaro H M, Guedes A C, Malcata F X. Advances and perspectives in using microalgae to produce biodiesel[J]. Applied Energy, 2011, 88(10):3402-3410.
[2] And G H K, Weis E. Chlorophyll Fluorescence and Photosynthesis: The Basics[J]. Annual Review of Plant Physiology, 2003, 42(42):313-349.
[3] Chiu S, Kao C, Tsai M, et al. Lipid accumulation and CO2 utilization of Nannochloropsis oculata in response to CO2 aeration[J]. Bioresour Technol, 2009, 100(2):833-838.
[4] Gouveia L, Oliveira A C. Microalgae as a raw material for biofuels production.[J]. J Ind Microbiol Biotechnol, 2009, 36(2):269-274.
[5] Kalam M A, Masjuki H H. Biodiesel from palmoil—an analysis of its properties and potential[J]. Biomass & Bioenergy, 2002, 23(6):471-479.
[6] Miyachi S, Iwasaki I, Shiraiwa Y. Historical perspective on microalgal and cyanobacterial acclimation to low- and extremely high-CO2 conditions[J]. Photosynthesis Research, 2003, 77(2-3):139.
[7] Miyachi S, Iwasaki I, Shiraiwa Y. Historical perspective on microalgal and cyanobacterial acclimation to low- and extremely high-CO2 conditions[J]. Photosynthesis Research, 2003, 77(2-3):139.
[8] Ooi Y S, Zakaria R, Mohamed A R, et al. Catalytic conversion of palm oil-based fatty acid mixture to liquid fuel[J]. Biomass & Bioenergy, 2004, 27(5):477-484.
[9] Rawat I, Kumar R R, Mutanda T, et al. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production[J]. Applied Energy, 2013, 103(1):444-467.
[10] Rattanaphra D, Srinophakun P. Biodiesel Production from Crude Sunflower Oil and Crude Jatropha Oil Using Immobilized Lipase[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2010, 43(1):104-108.
[11] Sydney E B, Sturm W, de Carvalho J C, et al. Potential carbon dioxide fixation by industrially important microalgae[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(15):5892-5896.
作者单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
大院热门文章top榜
点击文章标题，可直接阅读哦~
9. 光刻机、碳监测卫星、引力波探测都跟这里有关系！| 走进实验室
10. 我们的牙齿从何而来？
科学大院
ID：kexuedayuan
从此，爱上科学~
长按二维码，即刻关注
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn