CREST | 产油微生物水热液化生产生物油——一种生物炼制方法

导 读

印度理工学院Kannan Pakshirajan团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“产油微生物水热液化生产生物油——一种生物炼制方法（Bio-oil production from oleaginous microorganisms using hydrothermal liquefaction: A biorefinery approach; 2022, 52(3): 356-394）”的综述。寻找替代形式的能源来满足日益增长的人口需求是全世界重点关注的问题。随着技术的进步，生物质可能成为热解或水热液化（hydrothermal liquefaction, HTL）转化为生物油的潜在原料。其中，HTL由于直接利用无需任何预处理的湿生物质，能在生产生物油的同时产生有价值的副产品。相较于常规使用的木质纤维素生物质等原料，使用含油量高、在廉价底物上能够快速生长的藻类、细菌和酵母等产油微生物（oleaginous microorganisms）更为有利。因此，本研究从不同产油微生物的优势、详细信息、组成及利用废水作为培养底物的方法出发，总结梳理了利用HTL技术从产油微生物中生产生物油的潜力，以及利用废水作为廉价基质来培养产油微生物的研究进展。重点强调了HTL是生物质加工生产生物油较为适宜的热化学转化工艺及不同工艺参数对HTL技术的影响。此外，还详细讨论了一种基于HTL的综合可持续性生物炼制方法，用于能源形式的资源回收，并就该领域的未来研究前景进行了展望。图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

产油微生物主要包括藻类、细菌、酵母、真菌在内的多种微生物，由脂类、甘油、蛋白质/氨基酸和其他碳水化合物组成，其中湿基总脂和蛋白质含量约占50%。微生物体内的脂类组成随其代谢而变化，但可以通过改变某些培养条件，如温度、营养物质、收获时的生长阶段以及限氮条件下的pH值等来控制脂类的累积速率。产油微生物中存在的三酰基甘油酯和游离脂肪酸是生物燃料生产的有利前体。热化学转化（TCC）适用于几乎所有生物质原料生产生物原油。TCC处理包括预处理、热处理、纯化和升级（图2），与其他生物质转化的热化学法相比，HTL法无需干燥等预处理，反应温度相对较低，是一种较为理想的生物质转化技术。HTL过程的关键优势在于其不仅能将脂肪转化为生物油，还能将生物质中存在的蛋白质和碳水化合物转化为生物油，其生物油产量的质量取决于温度、原料组成、反应时间、催化剂类型等因素。研究证明温度是HTL等热力学过程中最关键的参数，230~350℃通常被报道为生物油生产的最佳温度。

图2 生物质转化为生物原油和升级/纯化的不同热化学路线 

通过水热处理以废水为基质生长的产油微生物生产生物油，或成为工业废水处理的一种替代零废物策略（图3）。大量文献报道了产油性细菌、藻类和真菌在废水中的生长，表明产油细菌利用工业废水作为生物油生产底物具备可行性。同时研究显示藻类在处理废水的同时也有大量的脂质积累。Mehrabadi等人调查发现废水中生长的藻类通过HTL技术可产出37.5~38.9 KJ/g的生物油。但与其他微生物相比，能够在废水上生长并进行生物油生产的真菌菌株目前鲜有报道。其次，废水中顽固的有毒化合物和重金属会抑制微生物的生长，对废水处理效率产生不利影响。因此，需要对废水中的抑制性物质进行详细的研究，以便将其作为产油微生物的生长基质。

图3 利用产油微生物进行废水处理和生物油生产的零废物排放可持续战略

生物炼油厂日益成为我们不断增长的经济的重要组成部分，以生物原油为基础的生物炼油厂可以提供多种物质。生物炼制方法是可持续的，有助于减少碳足迹和温室气体排放。图4概述了通过HTL工艺从产油微生物中生产生物原油和其他有价值产品的生物炼油厂方法。除了生物油，某些能够生产高价值色素和藻胆蛋白的藻类，如Chlamydomonas 和 Dunaliella，已被转基因用于生产纤维素酶和半纤维素酶，从而将酶的生产整合到藻类生物炼制系统中。Wei等人研究了通过HTL提取聚羟基烷酸（PHA）后的细菌生物质生产生物油。发现在250℃时，HTL处理残渣的最高生物油产量为15%（w/w），固体残渣为52%，水溶性部分为20%。在同一研究组的另一项研究中，PHA提取后的残余物在500℃时热解得到了28%的生物油和46%的生物炭。其次，真菌也可生产重要的工业产品，包括酶、有机酸、抗生素、甲壳素和色素。然而，到目前为止将HTL与真菌生产的增值化学品的其他工艺相结合的研究尚未有文献报道。

图4 利用产油微生物生产生物原油和其他有价值产品的生物炼制方法

总结与展望

基于HTL的生物炼制方法被认为是利用微生物生物质生产生物油和其他有价值产品一个很有前途的方向。本文重点介绍了通过HTL技术利用产油微生物生产生物油的应用前景，强调了利用废水作为培养产油微生物的底物，以建立与闭环生物炼制系统结合的零废物排放战略。但未来如何寻找新的油脂含量较高的产油微生物、开发不同的废水作为培养产油微生物的廉价基质、改善生物原油的物理化学性质，进行生物油的进一步升级，改变反应器设计、温压条件和催化剂，在HTL技术中使用纳米催化剂、改进后期水热处理后液化产物的分离提取方法等仍需着重考虑，以期可以潜在地提高生物油的生产质量，降低工艺成本。并且未来可以建立一个以产油微生物为主要原料的综合生物炼制系统，使得生物油和其他副产品可以根据用途进行重复利用。

作者简介

第一兼通讯作者简介：

Tanushree Paul，现为印度理工学院瓜哈提分校（IITGuwahati）环境研究中心助理研究员（Research Associate）。2010~2015年于印度卡林加工业技术研究所（KIIT大学）环境生物技术专业攻读学术和硕士学位，随后至2021年在印度理工学院攻读博士学位。目前的研究兴趣主要集中在环境技术、石油微生物学和生物技术。

|撰稿：方芳

|编排：曾镜羽

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