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藻類生物燃料生產(chǎn)的研究進展與展望 | MDPI Phycology—論文—科學(xué)網(wǎng)
論文標題：Advancements and Prospects in Algal Biofuel Production: A Comprehensive Review
論文鏈接：https://doi.org/10.3390/phycology4040030
期刊名：Phycology
期刊主頁：https://www.mdpi.com/journal/phycology
微藻因其高脂質(zhì)含量、快速生長以及不與糧食資源競爭等優(yōu)點，成為生物燃料生產(chǎn)中極具價值的可再生資源。淡水微藻（如小球藻）和海洋微藻（如杜氏藻、四鞭藻和微擬球藻）都是最常用的候選藻種。本文全面概述了微藻在生物燃料生產(chǎn)中的培養(yǎng)和收獲方法，重點關(guān)注可持續(xù)航空燃料和生物氫。文章總結(jié)了最新的研究成果、技術(shù)進步和實際應(yīng)用，旨在提高微藻生物燃料的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，并強調(diào)其作為可持續(xù)可再生能源的潛力。在眾多生物燃料中，可持續(xù)航空燃料和生物氫因其顯著的溫室氣體減排貢獻而脫穎而出。目前，人們正在優(yōu)化油轉(zhuǎn)噴氣燃料工藝和費托合成等技術(shù)，以將藻類脂質(zhì)轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量燃料。生物氫具有諸多優(yōu)勢，包括潛在的負二氧化碳排放以及與現(xiàn)有氫能基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。盡管微藻培養(yǎng)和加工成本高昂，面臨諸多挑戰(zhàn)，但生物技術(shù)方法和工藝工程的進步有望克服這些障礙。本文強調(diào)了持續(xù)開展研發(fā)工作的重要性，以最大限度地發(fā)揮微藻生物燃料的潛力，從而實現(xiàn)可持續(xù)能源目標，并為全球應(yīng)對氣候變化的努力做出貢獻。
脂質(zhì)生產(chǎn)力和脂肪酸組成
在微藻細胞中，脂質(zhì)以結(jié)構(gòu)脂質(zhì)和儲存脂質(zhì)的形式存在于液滴之間。這些脂質(zhì)分為兩類：極性脂質(zhì)和非極性脂質(zhì)。非極性脂質(zhì)，也稱為中性脂質(zhì)或儲存脂質(zhì)，包括三酰甘油、二酰甘油、單酰甘油、游離脂肪酸、烴類和其他色素。在正常生長條件下，微藻產(chǎn)生大量的生物質(zhì)，但不會積累大量的脂質(zhì)等高價值代謝物。通常，大多數(shù)藻類的脂質(zhì)含量占其干重的20%至50%。脂肪酸組成是決定生物柴油原料功效的關(guān)鍵因素之一。與植物來源的脂質(zhì)相比，微藻來源的脂質(zhì)具有更加多樣化的脂肪酸組成。微藻主要產(chǎn)生碳鏈長度為12、16和18的脂肪酸；然而，某些物種可以合成碳原子數(shù)高達24個的脂肪酸。大多數(shù)微藻物種中常見的脂肪酸包括肉豆蔻酸（C14:0）、棕櫚酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）和亞麻酸（C18:3）。長鏈多不飽和脂肪酸（PUFA）因其健康益處而在營養(yǎng)保健品和食品行業(yè)備受重視，但飽和脂肪酸（SFA）和單不飽和脂肪酸（MUFA）才是生物柴油生產(chǎn)的首選。高含量的PUFA，例如C18:2和C18:3，會降低十六烷值，從而導(dǎo)致點火性能差。相反，富含SFA和MUFA的短鏈脂肪酸可以提高生物柴油的能量產(chǎn)率、十六烷值以及氧化穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，然而，PUFA的含量在不同微藻菌株間差異顯著（從不足3%到接近69%），可能會對生物柴油的質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。生物燃料的品質(zhì)主要取決于特定脂肪酸的存在，包括棕櫚酸 (C16:0)、硬脂酸 (C18:0)、油酸 (C18:1)、亞油酸 (C18:2) 和亞麻酸 (C18:3)。富含油酸 (C18:1) 的生物柴油因其優(yōu)異的燃料特性而備受關(guān)注，包括良好的點火性能、氧化穩(wěn)定性、燃燒熱、低溫濾點、粘度和潤滑性。
微藻作為可持續(xù)航空燃料和生物氫的可持續(xù)原料
目前，利用微藻原料生產(chǎn)低碳燃料（例如航空生物燃料）最廣泛采用的技術(shù)是油制噴氣燃料工藝。該工藝將微藻油轉(zhuǎn)化為碳鏈長度為8至16個碳原子的碳氫化合物。目前，經(jīng)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）批準的可持續(xù)航空燃料包括加氫酯和脂肪酸（HEFA）、費托合成（FT）、醇制噴氣燃料（ATJ）以及直接糖制碳氫化合物（DSHC）。其中，只有HEFA的技術(shù)成熟度達到了7-8級。研究表明，模擬的藻類制HEFA工藝有望實現(xiàn)每加侖汽油當量4.70美元的最低燃料售價，同時顯著降低碳排放強度。
生物氫作為一種替代能源，其開發(fā)具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。生物氫是一種綠色氫，與電解制氫不同，它能實現(xiàn)二氧化碳負排放。例如，研究表明，在用于生物氫生產(chǎn)的培養(yǎng)條件下，1升克氏小球藻（初始光密度為0.798）懸浮液平均每天可吸收0.195 ± 0.001克二氧化碳。此外，生物氫是所有燃料中能量最高的，其比能量高達120兆焦/千克氫氣，可利用現(xiàn)有管道運輸，且燃燒后僅產(chǎn)生水，使其成為一種可持續(xù)且生態(tài)友好的能源。利用微藻制氫是一種可持續(xù)的能源生產(chǎn)方法，有助于緩解燃料短缺，同時還能實現(xiàn)廢物回收利用。從藻類中提取出可用于生產(chǎn)可持續(xù)航空燃料的油脂后，初始生物質(zhì)中約有50%的藻類殘渣殘留。目前，對這些藻類殘渣進行可持續(xù)利用的高價值處理方法包括生產(chǎn)暗發(fā)酵氫氣、生物甲烷和其他氣態(tài)生物燃料。
微藻生物燃料（包括可持續(xù)航空燃料和生物氫）潛力巨大，有望改變能源格局，并為可持續(xù)的低碳未來做出貢獻。研究機構(gòu)、行業(yè)利益相關(guān)者和政策制定者之間持續(xù)的創(chuàng)新與合作，對于充分發(fā)揮微藻作為生物燃料產(chǎn)業(yè)基石的潛力至關(guān)重要。
Phycology期刊介紹
主編：Peer Schenk, The University of Queensland, Brisbane, Australia
期刊致力于傳播有關(guān)微藻和大型藻類的研究成果，包括它們的起源、進化、生態(tài)、結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、生物技術(shù)以及涉及監(jiān)測、培養(yǎng)、收獲、加工和化合物提取的眾多不同應(yīng)用。
2024 Impact Factor: 2.9
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