微藻制油新思路

随着世界经济的高速发展,能源需求增加与传统能源日渐枯竭之间的矛盾日益加剧,同时,大量化石燃料燃烧带来的环境和气候变化问题已引起世界各国的关注。为实现人类和社会的可持续发展,大力发展可再生能源是一条必由之路,其中,生物能源的开发成为世界各国研究的热点之一

生物柴油是一种具有较好发展前景的生物能源,是优质的石化柴油代用品。廉价原料油是生物柴油工业化生产的关键,原料油成本在生物柴油成本构成中约占75%。

微藻由于其特有的化学组成和结构,被认为是生产生物柴油的优质原料来源。与其他生物柴油原料相比,微藻具有生长速度快,油脂含量高,不占用耕地等优势。然而现阶段,微藻生物能源仍局限于小规模的研究阶段,其大规模工业化生产仍受到较大限制,其中最主要的原因是较高的生产成本。

微藻生物柴油的生产主要包括微藻细胞的培养、微藻的采收、油脂的提取与加工等流程,其中微藻细胞的采收是较为关键的流程之一,其成本可以占到微藻总生产成本的20%~30%;而常规的油脂提取方法通常需要将收集的湿藻细胞烘干,这一过程往往能耗较大,增加了生产成本。

为了解决微藻生物能源生产下游技术中存在的问题,中国科学院过程工程研究所研究员刘春朝带领研究团队,在微藻采收及藻油提取方面取得了一些新进展。

磁性纳米颗粒因其生物相容性、特殊的磁学性能,使其在生物和医学领域具有广阔的应用前景,如核酸和蛋白纯化、酶固定化、药物靶向等。由于磁性材料具有易于分离、分离操作简单的特点,将磁性分离技术引入微藻细胞的采收可能实现微藻的高效采收,降低该环节的成本。

基于此设想,刘春朝带领的团队针对微藻细胞表面功能基团的特征及其带电特性,制备了适合与微藻表面进行快速高效吸附的功能化磁性纳米颗粒,并将其应用于淡水微藻和海洋微藻的采收。

研究表明,采用磁性纳米颗粒能够对小球藻、布朗葡萄藻、微拟球藻进行高效的细胞采收,回收率达到95%以上,颗粒用量因微藻细胞的大小及表面特性而有所差异。

该技术除了具有较高的采收效率外,还具有以下特点:分离过程反应时间短,只需要1~4 分钟;颗粒在培养液中无残留,微藻采收后的培养液可重复应用于微藻培养。为了进一步降低成本并满足不同的微藻生产目的,该团队研究人员建立了一套行之有效的磁性颗粒回收再生的方法,并得到了实验的验证。

新技术的出现最终是为了满足工业化生产的需求。为此,刘春朝的团队设计了专门用于微藻大规模磁性采收的磁性分离装置,并申请了相关的专利。这种微藻磁性分离技术能够实现微藻的快速、高效分离,节约用水,降低了成本,结合规模化的磁性分离装置,可广泛的应用于大规模微藻生产中,具有较好的产业化开发前景。

富含烃类物质的布朗葡萄藻作为一类重要的能源微藻,其产生的烃类物质是一类优质的生物燃料。布朗葡萄藻的烃类物质主要积聚在细胞外部,利用非极性溶剂可以从干燥藻体中将其提取;但是对于布朗葡萄藻湿藻细胞的藻油提取,由于藻细胞表面水化膜的屏障作用,使得藻油的回收率较低,从布朗葡萄藻湿藻细胞中提取藻油仍然面临很大的挑战。

近期,刘春朝带领的研究团队研究发现,利用1,2-二甲氧基乙烷能够高效的从布朗葡萄藻湿藻细胞中提取藻油。结果表明,提取剂与湿藻中水的体积比影响提取效率,当1,2-二甲氧基乙烷与湿藻中水的体积比大于6.5:1(v/v)时,藻油的回收率大于96%。

随后,该团队研究人员建立了相关数学模型,研究了藻油回收率和1,2-二甲氧基乙烷与湿藻中水体积比之间的关系。能量消耗分析表明,这种从布朗葡萄藻湿藻细胞中提取藻油的方法,能够有效地降低藻油提取过程的能耗。并且,该方法在不需要经过严格干燥脱水处理藻体的情况下,仍然能够保持较高的藻油回收率,节省藻油提取过程能耗,具有较好的应用前景。

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