小个子蕴藏大能量:微藻石油

过去几十年以来,化石燃料已成为人类日常生活的一部分。具体来说,化石燃料燃烧之后可以用于运输和发电,这两个方面在提高人类生活水平和加快科技进步中起到了至关重要的作用。但是,化石燃料是不可再生资源,储存量有限,按照现在的使用速度将在可见的未来消耗殆尽。此外,化石燃料的使用引起了许多环境问题,在这其中温室气体(GHG)对全球变暖有显著影响。由于工业化的加快和人口增长,寻找可再生能源已成为本世纪以来的重要挑战,这刺激了可持续能源的发展。可再生能源中的太阳能、风能、水力、海洋温差能、潮汐能、地热、生物质能和废弃物等能源已被成功开发和利用来替代化石燃料。然而,根据国际能源署(IEA)最近的一项研究,在可再生能源中可燃性再生能源和废物产生的能量是最高的。因此,根据预测,在不久的将来,来自生物柴油等可燃性再生能源将作为可再生能源突出代表发挥更为关键的作用,以进一步实现可再生能源的多样化。

现在生物柴油被认为是传统化石燃料的一种绿色替代品,生物柴油吸引了研究人员、政府以及国际贸易商的极大兴趣。生物柴油取代化石燃料的优势是无毒,可生物降解,拥有较低的温室气体排放量。第一代生物柴油是食用植物油,以大豆、油菜、向日葵和棕榈为主要原料。然而,食用油作为能源的使用却增加了许多来自公共舆论和非政府组织的反对意见。因此,第二代生物柴油来源于非食用油,如麻风树(Jatropha carcas L.)被认为是一种有效的替代原料。事实上,麻风树油可以使用现有的生物柴油厂进行生产,而不需要对设备和工艺流程进行革新,这主要是因为麻风树油具有与食用油相似的性质。但是,和第一代生物柴油相比较麻风树油含有更高浓度的游离脂肪酸(FFA),这一特点导致需要预处理步骤。使用麻风树油的另一个优点是麻风树在不可耕地或荒地上很容易生长。然而为了确保高产,需要定期灌溉、大量施肥和良好的管理实践。因为这些缺点,找到更可优良的生物柴油原料的工作仍在继续,当前研究的重点是微藻。

微藻被认为是地球上最古老的生物之一,微藻具有传统化石燃料和以往生物柴油原料所不具有的优势:

(1)产油微藻种类很多,培养的适用范围广;生长速度快,世代周期短,能够快速生长到平台期,到达最高生物量。

(2)相对于陆地植物微藻的光合效率高,油脂产率也是更高。某些微藻在一定的培养条件胁迫下可大量积累油脂, 例如C. pyrenoidosa 在氮缺乏胁迫下含油量可从5%提升到85%,单位面积的油脂产率高出其他油料植物数十倍,这是其他产油作物无法相提并论的。

(3)能够吸收大量的二氧化碳,具有节能减排作用。在生产生物柴油的过程中,微藻能够固定大量的二氧化碳,生产100 吨微藻生物质可以固定大约183 吨CO2,而且有些微藻能耐受高浓度的CO2,因此工厂中化石燃料燃烧排放的废气可用于培养微藻,能够一举两得。

(4)占地少,不与粮争地。传统的产油植物往往面临着与粮食争夺耕地的问题,但微藻能够淡水、海水甚至盐碱水污水中进行大规模培养,不与粮争地,要优于其他的产油植物。

(5)微藻的改造空间大。相对于传统的产油植物,微藻具有更大的改造空间;它的遗传物质更为简单,世代周期短生长快,从未进行过遗传改良。所以利用多种遗传育种方法能够得到性状优良的产油微藻。优良品种的产油微藻是发展微藻生物柴油技术的基础,优良的微藻要具有生长速度快、油脂产量高和组成好、在生产中便于培养收集加工、抗逆性强和营养需求低等优点。早期的产油微藻筛选工作主要由美国能源部1978-1996 年的ASP 计划所推动的,该研究通过将3000 余种微藻物种油脂含量的统计筛选,得到了300 多种微藻,其中针对硅藻和绿藻的研究较多。微藻中油脂含量在营养胁迫条件下最高可达藻干重85%,在正常培养条件下较常见的是10%~50%之间。

除此之外,微藻也是生物乙醇生产的优良原料。除了高脂肪含量外,一些微藻还含有碳水化合物,可作为碳源或发酵基质[8]。尽管微藻生物量发酵制备生物乙醇的研究还很有少,但这一过程实际上有很多优点。基于这些证据,微藻已经成功地将自己定位为最有前景的生物燃料原料之一。从微藻中提取的生物燃料是第三代生物燃料,为可再生能源工业开辟了一个新的领域。然而,应该注意的是,微藻并不是生产第三代生物燃料的唯一原料。其他第三代生物燃料,例如由酵母和真菌生产的生物柴油和通过直接纤维素发酵生产的生物乙醇。

总之,小小的微藻就像大力水手的菠菜一样,小小的一罐却能爆发出巨大的能量。

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