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微擬球藻擠出來的是燃料 吃的是二氧化碳

2019-11-15 15:44:36  來源:科學大院

人類對能源的利用,始于鉆木取火,星星之火點燃了璀璨的人類文明。

能源推動了人類的進化,也決定著人類未來的走向。目前,人類所利用的能源絕大部分仍然來自化石燃料。而根據2017年《BP世界能源統計年鑒》,全球煤炭、石油、天然氣儲存量分別為1.14億噸,1.71 萬億桶和187萬億立方米,分別僅能夠維持153年,50.6年和52.5年的全球生產需要。 同時,由于化石能源在全球能源消耗結構中比重過大,導致CO2、SO2等過度排放,引發了包括全球變暖在內的一系列環境問題。

面對能源短缺和環境污染兩大嚴峻問題,尋找可再生且對環境友好的新型能源迫在眉睫。而作為生物質能一員的生物柴油,不僅可以消納各種有機廢棄物,減輕環境壓力;還可替代化石燃料,緩解能源危機;并且由于生物質資源分布廣泛,生物柴油的開發幾乎不受地理和氣候的影響。諸多優勢使得生物柴油在可再生能源中備受青睞。

生物柴油升級換代

生物柴油是指生物油脂與醇通過酯交換反應生成的一種生物燃料。生物柴油具有高十六烷值,不含硫和芳香烴。相比石化柴油,生物柴油具有優良的環保性能和再生性能;較好的燃燒性能;良好的低溫發動機啟動性能和潤滑性能;較高的經濟性、可降解性和安全性能。自20世紀70年代以來,生物柴油的發展已經經過三代更迭。

第一代生物柴油的原材料主要來自油菜、大豆、向曰葵等可食用性的油類作物。這類原材料生產成本高昂,并且與人爭地爭糧,生產周期冗長,油脂產率偏低,對環境要求較為苛刻,因此不適合進行規模化生產。

第二代生物柴油的原材料主要來自麻瘋樹、煙草種子等非糧油類植物,以及地溝油、動物脂肪等。第二代生物柴油解決了原材料與人爭糧的問題,但是其他缺點仍然制約著生物柴油的發展。

第三代生物柴油以“微藻”作為生產原料。微藻因光合效率高、生長速率快、占地面積小、油脂含量高等優點,當之無愧成為第三代生物柴油原料的首選。

微藻——取之不盡的能量球

微藻,即微體藻類,大小從幾微米到幾百微米不等。其光合效率較高,能高效生產脂類、蛋白質、多糖等有機物。其中脂質可通過酯交換反應轉化為生物柴油。

在20世紀70年代,美國能源部以發展可持續能源為目的,對微藻開展了大規模搜集、篩選和鑒定工作,最終獲得了三百多種產油微藻,即脂質占細胞干重比例超過20%的微藻。其中微擬球藻的脂質比例更是高達68%!

微擬球藻(圖片來源:https://en.wikipedia.org)

微擬球藻(圖片來源:https://en.wikipedia.org)

作為一種單細胞藻類的微擬球藻,除了脂質含量高外,還具有環境適應能力強、個體小、繁殖速度快等優點,躋身生產生物柴油的優良藻種行列。

捕捉CO2 的獵人

微擬球藻為什么能具有這么高的脂質比例呢?答案在于它獨特的固碳能力。

我們知道,光合作用是自然界生物固碳的基礎。地球上每分鐘通過光合作用大約可以將300萬噸CO2和110萬噸H2O轉化為200萬噸有機物質,同時放出210萬噸O2。

與陸生高等植物不同,微擬球藻生長在海水中。水體中溶解性無機碳的主要存在形式有 HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。為了應對復雜的水體碳環境,微擬球藻具備了獨特的CO2濃縮機制(CO2 concentrating mechanism,CCM)。

真核微藻、藍藻、大型藻中均有CCM存在,但是真核微藻的CCM只有在環境CO2 小于大氣CO2濃度時才會啟動 。該機制主要通過無機碳的轉運, 改變細胞光合作用對無機碳的親和力, 在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (Rubisco) 的活性位點提高 CO2 濃度, 有利于Rubisco的羧化酶作用, 抑制其氧化酶活性,從而提高了固碳的效率。

CO2是造成溫室效應的罪魁禍首之一。2015年12月在巴黎氣候變化大會上,中國承諾到2030年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%~65%。微擬球藻強大的固碳能力不但可以生產更多的生物柴油,還可能用于減少大氣中的CO2。

變身“生物柴油”

最常用的微藻生物柴油生產工藝主要由三個步驟組成:微藻生物質的生產、油脂的提取、酯交換反應。

首先在開放塘中大規模培養微藻。在微藻細胞內,光合作用合成的糖類物質經過一系列的代謝反應轉化為油脂。

培養中的微藻(圖片來源:energyeducation.ca)

培養中的微藻(圖片來源:energyeducation.ca)

當藻細胞密度達到最大時,根據微藻的特性,可選用離心法、超濾法、氣浮法、絮凝法等方法進行收集。收集后的微藻需要進一步提取其中的油脂。藻類油脂的提取過程繁瑣,目前最常用的油脂提取方法有機械壓榨法、有機溶劑法、加速溶劑提取法、超臨界流體萃取法和酶提取法等。

提取出來的藻油成分復雜,主要由游離脂肪酸、三酰甘油酯、磷脂、糖脂和硫脂組成。其中游離脂肪酸容易和堿性催化劑發生皂化反應,通過對原料干燥和預酯化可減少脂肪酸對酯交換反應帶來的不利影響。

酯交換反應是酯與醇在酸或堿的催化下生成一個新酯和一個新醇的反應。在微藻生物柴油生產中,利用短鏈醇和藻類油脂在催化劑、高溫環境下進行酯交換反應,最終合成脂肪酸單脂,即生物柴油。

典型酯交換反應示意圖

典型酯交換反應示意圖

據估計,每公頃養殖面積上藻類年產油量可達1.5萬~8萬升,相比之下玉米、大豆的年產油量分別只有120升和440升。

不過,目前微藻生物柴油的生產成本依然較高,這是限制其商業化生產的瓶頸。除繼續開發產油性能優良的藻種以外,需要實現微藻生產的綜合利用,可有效解決這一問題。例如從微藻中獲得DHA、類胡蘿卜素、活性多糖等高附加值產品,將廢棄的藻渣作為水產業的餌料等。

圖片來源:paper.people.com.cn/

圖片來源:paper.people.com.cn/

根據歷年《BP世界能源統計年鑒》,作為化石能源替代品的生物柴油已成為國際上發展最快、應用最廣的可再生能源。在這場能源革命中,微擬球藻扮演著渺小卻又偉大的角色。

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