什么是生物柴油？生物柴油來(lái)自哪里？微藻為什么可以做生物燃油？
什么是生物柴油？
生物柴油是指生物油脂與醇通過(guò)酯交換反應(yīng)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(yōu)良的環(huán)保性能和再生性能；較好的燃燒性能；良好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能和潤(rùn)滑性能；較高的經(jīng)濟(jì)性、可降解性和安全性能。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，生物柴油的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過(guò)三代更迭。
第一代生物柴油的原材料主要來(lái)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(chǎn)成本高昂，并且與人爭(zhēng)地爭(zhēng)糧，生產(chǎn)周期冗長(zhǎng)，油脂產(chǎn)率偏低，對(duì)環(huán)境要求較為苛刻，因此不適合進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。
第二代生物柴油的原材料主要來(lái)自麻瘋樹(shù)、煙草種子等非糧油類植物，以及地溝油、動(dòng)物脂肪等。第二代生物柴油解決了原材料與人爭(zhēng)糧的問(wèn)題，但是其他缺點(diǎn)仍然制約著生物柴油的發(fā)展。
第三代生物柴油以“微藻”作為生產(chǎn)原料。微藻因光合效率高、生長(zhǎng)速率快、占地面積小、油脂含量高等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)之無(wú)愧成為第三代生物柴油原料的首選。
微藻為什么可以做生物燃油？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(chǎn)脂類、蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物。其中脂質(zhì)可通過(guò)酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為生物柴油。
在20世紀(jì)70年代，美國(guó)能源部以發(fā)展可持續(xù)能源為目的，對(duì)微藻開(kāi)展了大規(guī)模搜集、篩選和鑒定工作，最終獲得了三百多種產(chǎn)油微藻，即脂質(zhì)占細(xì)胞干重比例超過(guò)20%的微藻。其中微擬球藻的脂質(zhì)比例更是高達(dá)68%！
作為一種單細(xì)胞藻類的微擬球藻，除了脂質(zhì)含量高外，還具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、個(gè)體小、繁殖速度快等優(yōu)點(diǎn)，躋身生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)良藻種行列。
微擬球藻為什么能具有這么高的脂質(zhì)比例呢？答案在于它獨(dú)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(chǔ)。地球上每分鐘通過(guò)光合作用大約可以將300萬(wàn)噸CO2和110萬(wàn)噸H2O轉(zhuǎn)化為200萬(wàn)噸有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)放出210萬(wàn)噸O2。
與陸生高等植物不同，微擬球藻生長(zhǎng)在海水中。水體中溶解性無(wú)機(jī)碳的主要存在形式有HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水體碳環(huán)境，微擬球藻具備了獨(dú)特的CO2濃縮機(jī)制(CO2 concentrating mechanism，CCM)。
真核微藻、藍(lán)藻、大型藻中均有CCM存在，但是真核微藻的CCM只有在環(huán)境CO2小于大氣CO2濃度時(shí)才會(huì)啟動(dòng)。該機(jī)制主要通過(guò)無(wú)機(jī)碳的轉(zhuǎn)運(yùn),改變細(xì)胞光合作用對(duì)無(wú)機(jī)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(diǎn)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(yīng)的罪魁禍?zhǔn)字弧?015年12月在巴黎氣候變化大會(huì)上，中國(guó)承諾到2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%～65%。微擬球藻強(qiáng)大的固碳能力不但可以生產(chǎn)更多的生物柴油，還可能用于減少大氣中的CO2。
如何讓微藻變身“生物柴油”
最常用的微藻生物柴油生產(chǎn)工藝主要由三個(gè)步驟組成：微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)、油脂的提取、酯交換反應(yīng)。
首先在開(kāi)放塘中大規(guī)模培養(yǎng)微藻。在微藻細(xì)胞內(nèi)，光合作用合成的糖類物質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂。
當(dāng)藻細(xì)胞密度達(dá)到最大時(shí)，根據(jù)微藻的特性，可選用離心法、超濾法、氣浮法、絮凝法等方法進(jìn)行收集。收集后的微藻需要進(jìn)一步提取其中的油脂。藻類油脂的提取過(guò)程繁瑣，目前最常用的油脂提取方法有機(jī)械壓榨法、有機(jī)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(lái)的藻油成分復(fù)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(fā)生皂化反應(yīng)，通過(guò)對(duì)原料干燥和預(yù)酯化可減少脂肪酸對(duì)酯交換反應(yīng)帶來(lái)的不利影響。
酯交換反應(yīng)是酯與醇在酸或堿的催化下生成一個(gè)新酯和一個(gè)新醇的反應(yīng)。在微藻生物柴油生產(chǎn)中，利用短鏈醇和藻類油脂在催化劑、高溫環(huán)境下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，最終合成脂肪酸單脂，即生物柴油。
據(jù)估計(jì)，每公頃養(yǎng)殖面積上藻類年產(chǎn)油量可達(dá)1.5萬(wàn)～8萬(wàn)升，相比之下玉米、大豆的年產(chǎn)油量分別只有120升和440升。
不過(guò)，目前微藻生物柴油的生產(chǎn)成本依然較高，這是限制其商業(yè)化生產(chǎn)的瓶頸。除繼續(xù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)油性能優(yōu)良的藻種以外，需要實(shí)現(xiàn)微藻生產(chǎn)的綜合利用，可有效解決這一問(wèn)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(chǎn)品，將廢棄的藻渣作為水產(chǎn)業(yè)的餌料等。
根據(jù)歷年《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》，作為化石能源替代品的生物柴油已成為國(guó)際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的可再生能源。在這場(chǎng)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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