小個子蘊藏大能量:微藻石油

過去幾十年以來,化石燃料已成為人類日常生活的一部分。具體來說,化石燃料燃燒之后可以用于運輸和發電,這兩個方面在提高人類生活水平和加快科技進步中起到了至關重要的作用。但是,化石燃料是不可再生資源,儲存量有限,按照現在的使用速度將在可見的未來消耗殆盡。此外,化石燃料的使用引起了許多環境問題,在這其中溫室氣體(GHG)對全球變暖有顯著影響。由于工業化的加快和人口增長,尋找可再生能源已成為本世紀以來的重要挑戰,這刺激了可持續能源的發展??稍偕茉粗械奶柲?、風能、水力、海洋溫差能、潮汐能、地熱、生物質能和廢棄物等能源已被成功開發和利用來替代化石燃料。然而,根據國際能源署(IEA)最近的一項研究,在可再生能源中可燃性再生能源和廢物產生的能量是最高的。因此,根據預測,在不久的將來,來自生物柴油等可燃性再生能源將作為可再生能源突出代表發揮更為關鍵的作用,以進一步實現可再生能源的多樣化。

現在生物柴油被認為是傳統化石燃料的一種綠色替代品,生物柴油吸引了研究人員、政府以及國際貿易商的極大興趣。生物柴油取代化石燃料的優勢是無毒,可生物降解,擁有較低的溫室氣體排放量。第一代生物柴油是食用植物油,以大豆、油菜、向日葵和棕櫚為主要原料。然而,食用油作為能源的使用卻增加了許多來自公共輿論和非政府組織的反對意見。因此,第二代生物柴油來源于非食用油,如麻風樹(Jatropha carcas L.)被認為是一種有效的替代原料。事實上,麻風樹油可以使用現有的生物柴油廠進行生產,而不需要對設備和工藝流程進行革新,這主要是因為麻風樹油具有與食用油相似的性質。但是,和第一代生物柴油相比較麻風樹油含有更高濃度的游離脂肪酸(FFA),這一特點導致需要預處理步驟。使用麻風樹油的另一個優點是麻風樹在不可耕地或荒地上很容易生長。然而為了確保高產,需要定期灌溉、大量施肥和良好的管理實踐。因為這些缺點,找到更可優良的生物柴油原料的工作仍在繼續,當前研究的重點是微藻。

微藻被認為是地球上最古老的生物之一,微藻具有傳統化石燃料和以往生物柴油原料所不具有的優勢:

(1)產油微藻種類很多,培養的適用范圍廣;生長速度快,世代周期短,能夠快速生長到平臺期,到達最高生物量。

(2)相對于陸地植物微藻的光合效率高,油脂產率也是更高。某些微藻在一定的培養條件脅迫下可大量積累油脂, 例如C. pyrenoidosa 在氮缺乏脅迫下含油量可從5%提升到85%,單位面積的油脂產率高出其他油料植物數十倍,這是其他產油作物無法相提并論的。

(3)能夠吸收大量的二氧化碳,具有節能減排作用。在生產生物柴油的過程中,微藻能夠固定大量的二氧化碳,生產100 噸微藻生物質可以固定大約183 噸CO2,而且有些微藻能耐受高濃度的CO2,因此工廠中化石燃料燃燒排放的廢氣可用于培養微藻,能夠一舉兩得。

(4)占地少,不與糧爭地。傳統的產油植物往往面臨著與糧食爭奪耕地的問題,但微藻能夠淡水、海水甚至鹽堿水污水中進行大規模培養,不與糧爭地,要優于其他的產油植物。

(5)微藻的改造空間大。相對于傳統的產油植物,微藻具有更大的改造空間;它的遺傳物質更為簡單,世代周期短生長快,從未進行過遺傳改良。所以利用多種遺傳育種方法能夠得到性狀優良的產油微藻。優良品種的產油微藻是發展微藻生物柴油技術的基礎,優良的微藻要具有生長速度快、油脂產量高和組成好、在生產中便于培養收集加工、抗逆性強和營養需求低等優點。早期的產油微藻篩選工作主要由美國能源部1978-1996 年的ASP 計劃所推動的,該研究通過將3000 余種微藻物種油脂含量的統計篩選,得到了300 多種微藻,其中針對硅藻和綠藻的研究較多。微藻中油脂含量在營養脅迫條件下最高可達藻干重85%,在正常培養條件下較常見的是10%~50%之間。

除此之外,微藻也是生物乙醇生產的優良原料。除了高脂肪含量外,一些微藻還含有碳水化合物,可作為碳源或發酵基質[8]。盡管微藻生物量發酵制備生物乙醇的研究還很有少,但這一過程實際上有很多優點?;谶@些證據,微藻已經成功地將自己定位為最有前景的生物燃料原料之一。從微藻中提取的生物燃料是第三代生物燃料,為可再生能源工業開辟了一個新的領域。然而,應該注意的是,微藻并不是生產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產的生物柴油和通過直接纖維素發酵生產的生物乙醇。

總之,小小的微藻就像大力水手的菠菜一樣,小小的一罐卻能爆發出巨大的能量。

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