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人類點(diǎn)燃能源利用上燦爛的人類文明，決定著人類的未來。

目前，人類利用的能源大部分來自化石燃料。 的《bp世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，全球煤炭、石油、天然氣儲(chǔ)量分別為1.14萬億噸、1.71萬億桶、187萬億立方米，只能維持153年、50.6年、52.5年的全球生產(chǎn)需求。 而且，化石能源的過剩消耗導(dǎo)致二氧化碳( co2 )等排放過多，引起了包括全球變暖在內(nèi)的一系列環(huán)境問題。

生物柴油的世代交替

尋找可再生、環(huán)境友好的新能源是當(dāng)務(wù)之急。 生物柴油作為生物質(zhì)的一員，不僅可以消化各種有機(jī)廢棄物，減輕環(huán)境壓力，還可以代替化石燃料緩解能源危機(jī)。 另外，由于生物質(zhì)資源分布廣泛，生物柴油的開發(fā)幾乎不受地理和氣候的影響，因此備受歡迎。

生物柴油是指生物油脂和酒精通過酯交換反應(yīng)生成的生物燃料。 與化石燃料相比，具有優(yōu)越的環(huán)保性能和再生性能、優(yōu)越的燃燒性能、良好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能和潤滑性能、高的經(jīng)濟(jì)性、分解性和安全性。 20世紀(jì)70年代以來，生物柴油的迅速發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代人的更替。

第一代生物柴油的原材料來源于油菜、大豆、向日葵等可食用的油類作物。 這類原材料生產(chǎn)價(jià)格高，生產(chǎn)周期冗長，油脂產(chǎn)率低，對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格。 因?yàn)檫@不適合規(guī)模化生產(chǎn)。 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、地溝油、動(dòng)物脂肪等，處理了原材料與人爭(zhēng)奪糧食的問題，但仍存在許多快速發(fā)展制約。 第三代生物柴油以微藻為生產(chǎn)原料。 微藻具有光合效率高、生長速度快、占地面積小、油脂含量高等優(yōu)點(diǎn)，成為第三代生物柴油正確的高質(zhì)量原料。

微藻:取之不盡的能量球

微藻，也就是微體藻類，大小從幾微米到幾百微米，可以有效地生產(chǎn)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)物。 其中，脂質(zhì)可通過酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為生物柴油。

20世紀(jì)70年代，美國能源部以快速發(fā)展可持續(xù)能源為目的，開展了微藻的大規(guī)模收集、篩選和鑒定，最終獲得了300多種產(chǎn)油微藻——脂質(zhì)占細(xì)胞干重比例超過20%的微藻， 其中，微囊藻脂質(zhì)的比例高達(dá)68%。

微囊藻毒素作為單細(xì)胞藻類，除脂質(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)，已列入生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)良藻種行列。

微囊藻為什么能有這么高的脂質(zhì)比例？ 答案是獨(dú)特的碳固定能力。 光合作用是自然界生物固碳的基礎(chǔ)。 在地球上，一分鐘內(nèi)通過光合作用，可以將約300萬噸的co2和110萬噸的水轉(zhuǎn)換為200萬噸的有機(jī)物，釋放出210萬噸的氧氣。

與陸生高等植物不同的是，微擬球藻生長在海水中，水體中溶解性無機(jī)碳存在多種形式，因此為了應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜的水體碳環(huán)境，微擬球藻具備了獨(dú)特的co2富集機(jī)制。 其含有的ccm在環(huán)境co2小于大氣co2濃度時(shí)啟動(dòng)。 該機(jī)理主要通過無機(jī)碳的輸送，改變細(xì)胞光合作用對(duì)無機(jī)碳的親和力，提高固碳效率。 因此，微囊藻毒素較強(qiáng)的固碳能力不僅可以生產(chǎn)越來越多的生物柴油，還可以用于降低大氣中的co2。

最常用的微藻生物柴油生產(chǎn)技術(shù)主要由微藻生物質(zhì)的生產(chǎn)、油脂的提取、酯交換反應(yīng)三個(gè)步驟組成。

首先，在開放塘中大規(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)過一系列代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂。 藻細(xì)胞密度最大后，可以用離心法、超濾法、浮法、凝聚法等方法進(jìn)行捕集。 收集的微藻需要進(jìn)一步提取其中的油脂，過程繁瑣，目前最常用的油脂提取方法有機(jī)械壓制法、有機(jī)溶劑法、加速溶劑提取法等。 提取的藻油成分多而雜，主要由游離脂肪酸、三酰甘油、磷脂、糖脂和硫脂組成。 最后，利用短鏈醇和藻類油脂在催化、高溫環(huán)境下進(jìn)行酯交換反應(yīng)，合成脂肪酸單酯生物柴油。

據(jù)估計(jì)，每公頃養(yǎng)殖面積藻類年產(chǎn)量將達(dá)到1.5萬至8萬升。 相比之下，玉米、大豆的年產(chǎn)量分別只有120升和440升。

但是，目前微藻生物柴油的生產(chǎn)價(jià)格仍然很高，這是限制商業(yè)生產(chǎn)的瓶頸。 除了繼續(xù)開發(fā)油生產(chǎn)性能優(yōu)異的藻種外，還需要實(shí)現(xiàn)微藻生產(chǎn)的綜合利用。 例如，從微藻中獲得dha、類胡蘿卜素、活性多糖類等附加值高的產(chǎn)品，將廢棄的藻屑作為水產(chǎn)業(yè)的食物等。

多年的《bp世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，作為化石能源替代品的生物柴油已經(jīng)成為國際上發(fā)展迅速、應(yīng)用最廣泛的可再生能源。 在這場(chǎng)能源革命中，微觀波斯菊扮演著渺小而偉大的角色。

(本文來源:經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)作者:顏飛)

(作者單位:中國科學(xué)院青島生物能源與工藝研究所)。 本文允許轉(zhuǎn)載自“科學(xué)研究生院”微信公共平臺(tái): kexuedayuan，略作刪改，謝謝。 ）

(責(zé)任:單曉冰)