近日，我國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的科研人員以可異養(yǎng)培養(yǎng)的富油柵藻為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)培養(yǎng)方式、過(guò)程的不斷優(yōu)化，攻克了長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法精確控制葡萄糖濃度這一技術(shù)難題，突破了微藻大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸，實(shí)現(xiàn)富油柵藻的超高密度培養(yǎng)。據(jù)中科院水生所微藻生物技術(shù)和能源中心研究員金虎透露，水生所研究團(tuán)隊(duì)利用相關(guān)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)蛋白、蝦青素、β-1,3葡聚糖、多不飽和脂肪酸等多種經(jīng)濟(jì)微藻的超高密度異養(yǎng)培養(yǎng)，目前已經(jīng)在開(kāi)展這些功能微藻在飼料、功能食品等領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

1950年美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)始進(jìn)行養(yǎng)殖藻類(lèi)生產(chǎn)生物燃料的試驗(yàn)，首次提到微藻生物能源。二次石油危機(jī)爆發(fā)后，各國(guó)在微藻的培育和開(kāi)發(fā)方面都進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)能源部實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始重點(diǎn)開(kāi)發(fā)適于微藻生物柴油生產(chǎn)的培養(yǎng)系統(tǒng)和制備工藝，希望研發(fā)出新的石油制造途徑和可替代產(chǎn)物。日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部也啟動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目，利用微藻吸收火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣中的二氧化碳來(lái)生產(chǎn)新能源。但隨著后期石油價(jià)格的逐漸回落，加上微藻形態(tài)極小，工業(yè)化培育又是一直以來(lái)難以突破的技術(shù)關(guān)隘，因此微藻能源的研究逐漸停滯下來(lái)。

我國(guó)從1958年開(kāi)始培養(yǎng)作為食晶和飼料的微型藻類(lèi)，中科院水生所等科研機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行了多種微藻的大量研究，為微藻培育打下了基礎(chǔ)。此后隨著技術(shù)的不斷成熟，我國(guó)在藻種選育、培養(yǎng)基配制及某些培養(yǎng)技術(shù)方面都取得了重大成果。

異養(yǎng)培養(yǎng)作為一種新型的微藻培養(yǎng)方式，其具有效率高、精確可控、易批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但異養(yǎng)培養(yǎng)對(duì)于操作技術(shù)的要求也更高，不僅需要提前研究分析各類(lèi)微藻的適宜生長(zhǎng)環(huán)境如鹽度、溫度、光照度以及酸堿度等。而且微藻培養(yǎng)基制備、接種等環(huán)節(jié)的技術(shù)和環(huán)境要求都非常嚴(yán)格，均要在無(wú)菌條件下進(jìn)行試驗(yàn)操作。而這些過(guò)程都離不開(kāi)科學(xué)儀器及設(shè)備的幫助，如生物顯微鏡、移液器、分光光度計(jì)、恒溫培養(yǎng)箱、高壓滅菌鍋、PH計(jì)、離心機(jī)等都是微藻培育實(shí)驗(yàn)室的常用設(shè)備。

能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，地球上每一次文明的進(jìn)步都伴隨著能源的改革和興替，因此對(duì)于能源的探索和利用在保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方面具有重要意義。在我國(guó)煤電資源枯竭之前，居安思危尋求新的能源，才能更快地走上可持續(xù)發(fā)展的道路。

美國(guó)密歇根大學(xué)的一組研究人員獲得了美國(guó)能源部200萬(wàn)美元的資助，用于研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)藻類(lèi)生物燃料。這個(gè)團(tuán)隊(duì)是世界上為數(shù)不多的從“一端到另一端”解決問(wèn)題的團(tuán)隊(duì)之一。

藻類(lèi)每年可生產(chǎn)數(shù)十億加侖的可再生柴油，汽油和噴氣燃料

美國(guó)能源部(Department of Energy)迫切希望找到解決化石燃料排放問(wèn)題的辦法，特別是那些來(lái)自運(yùn)輸部門(mén)的方法。資助這項(xiàng)藻類(lèi)生物燃料的研究，是其減少對(duì)更多類(lèi)型污染燃料需求的使命的一步。根據(jù)美國(guó)能源部的說(shuō)法，藻類(lèi)具有每年生產(chǎn)數(shù)十億加侖可再生燃料的潛力，有可能被提煉成柴油、汽油甚至噴氣燃料。密歇根大學(xué)的研究是為了努力達(dá)到可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)的一部分，該標(biāo)準(zhǔn)概述了到2020年，美國(guó)運(yùn)輸燃料的360億加侖運(yùn)輸燃料必須來(lái)自混合能源。其中只有1500萬(wàn)來(lái)自玉米乙醇，這使得目前的產(chǎn)量與需求之間存在相當(dāng)大的差距。藻類(lèi)燃料將彌補(bǔ)這一差距。

來(lái)自密歇根大學(xué)大學(xué)研究小組的一份聲明說(shuō)，他們打算與賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員合作，繼續(xù)他們的項(xiàng)目。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是尋找替代傳統(tǒng)柴油燃料的可行方法。為此，研究小組一直在探索藻類(lèi)的潛力。

傳統(tǒng)的柴油是由石油衍生的化石燃料。它們?cè)谌紵^(guò)程中釋放出大量的溫室氣體。藻類(lèi)生物燃料沒(méi)有同樣的問(wèn)題，因此被視為化石燃料的環(huán)保替代品。(Andre Boehman)說(shuō)：“我們的總體目標(biāo)是展示混合燃料原料的共同優(yōu)化，溫室氣體減排量超過(guò)60％。與此同時(shí)，我們希望將發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提高到超出基準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。”

“這是一個(gè)有重大研究問(wèn)題的項(xiàng)目，”(Andre Boehman)說(shuō)，他是密歇根大學(xué)的機(jī)械工程教授，也是該校W.E. Lay汽車(chē)實(shí)驗(yàn)室的主任?！八袡C(jī)會(huì)做一些非常有影響力的事情——幫助我們朝著可持續(xù)發(fā)展邁出一大步?！?/span>

該研究全面地探討了藻類(lèi)燃料的開(kāi)發(fā)，將種植覆蓋到燃料生產(chǎn)。藻類(lèi)培養(yǎng)收獲的燃料原料缺乏是開(kāi)發(fā)商業(yè)上可行的藻類(lèi)生物燃料的障礙。

密歇根大學(xué)的生物學(xué)教授Bradley Cardinale說(shuō),

參與該項(xiàng)目的密歇根大學(xué)合作研究所的生物學(xué)教授兼主任Bradley Cardinale說(shuō)：“這是世界上首批從室外池塘設(shè)計(jì)可持續(xù)生物燃料原料的團(tuán)隊(duì)之一。精煉燃料，使其以更清潔，更環(huán)保的方式運(yùn)行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。“

這項(xiàng)工作包括確定在燃料產(chǎn)量和穩(wěn)定性等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)最佳性能的組合。研究人員之前發(fā)現(xiàn)，藻類(lèi)物種的組合比任何單一物種都表現(xiàn)更好，充分利用了每種菌株的個(gè)體優(yōu)勢(shì)。

圖:用于研究生物柴油燃料的活微藻。

照片由Joseph Xu，來(lái)自密歇根工程學(xué)院。消息來(lái)自密歇根新聞。

優(yōu)化燃料的燃燒和排放性能

Cardinale說(shuō)：“我們不是試圖通過(guò)設(shè)計(jì)一種可以?xún)?yōu)化所有所需特性的基因優(yōu)良藻類(lèi)來(lái)對(duì)抗自然。我們正在利用生態(tài)工程原理設(shè)計(jì)一套更全面的多品種藻類(lèi)原料，這些原料可以同時(shí)優(yōu)化藻類(lèi)生物燃料的幾種理想特性?！?/span>

“生態(tài)工程的第一個(gè)原則是沒(méi)有一個(gè)物種可以擅長(zhǎng)一切。如果我們能夠簡(jiǎn)單地找到具有各種所需特性的物種，我們就可以設(shè)計(jì)出量身定制的生物燃料，同時(shí)優(yōu)化多種特性?！?/span>

為了優(yōu)化燃料的燃燒和排放性能，研究人員將研究藻類(lèi)的生化特性以及它們?cè)诓裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的受控壓縮點(diǎn)火燃燒環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)。生物燃料將在輕型車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，一旦確定最佳藻類(lèi)組合，將在沃爾沃卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行測(cè)試。

可以通過(guò)諸如壓力機(jī)的機(jī)械手段或使用超聲波從藻類(lèi)中提取油。每種方法都迫使油從藻類(lèi)細(xì)胞壁上脫落并收集在溶劑中。當(dāng)該油與酒精反應(yīng)時(shí)，可將生物柴油產(chǎn)品分離出來(lái)。

密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用一種名為水熱液化的新興技術(shù)從藻類(lèi)中提取石油。這是一個(gè)模擬地下產(chǎn)生石油的壓力和溫度的過(guò)程。

美國(guó)能源部長(zhǎng)表示“開(kāi)發(fā)新的能源是保障國(guó)家繁榮和安全的關(guān)鍵所在，獲支持的項(xiàng)目具有生產(chǎn)出可靠的，廣大居民可消費(fèi)的起的生物燃料的潛在技術(shù)”。

整個(gè)項(xiàng)目名為“藻類(lèi)系統(tǒng)中的有效碳利用”，目的是提高碳利用的效率及藻類(lèi)系統(tǒng)的生物質(zhì)產(chǎn)率，通過(guò)提高廢氣CO2的轉(zhuǎn)化效率（如從發(fā)電廠(chǎng)）或發(fā)展新的可消費(fèi)的起的碳捕獲技術(shù)（從空氣中直接捕獲碳給藻類(lèi)系統(tǒng)）

7個(gè)項(xiàng)目分別是：

1、Colorado State University，214.56萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)“Integrating an Industrial Source andCommercial Algae Farm with Innovative CO2?Transfer Membrane andImproved Strain Technologies”

2、Arizona State University, 250萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)?“Multi-pronged Approach of ImprovedBiological and Physicochemical Systems to Improving Carbon Utilization byCyanobacterial Cultures”

3、Global Algae Innovations, 250萬(wàn)美，項(xiàng)目名稱(chēng)“Algae?Cultivation?from?Flue?Gas?with?HighCO2Utilization?Efficiency”

4、Arizona State University, 19.93萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)?“Membrane Carbonation for 100%Efficient Delivery of Industrial CO2?Gases”

5、Duke University, Durham, 151.2?萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)?“Carbon Utilization Efficiency inMarine Algae Biofuel Production Systems Through Loss Minimization and CarbonateChemistry Modification”

6、MicroBio Engineering Inc., 226萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)?Air Carbon for Algae Production –AirCAP

7、Georgia Institute of Technology, 198.3萬(wàn)美元，項(xiàng)目名稱(chēng)?“Direct Air Capture of CO2?andDelivery to Photobioreactors for Algal Biofuel Production”

本文轉(zhuǎn)自：微藻技術(shù)與產(chǎn)業(yè)

　　面對(duì)能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴(yán)峻問(wèn)題，尋找可再生且對(duì)環(huán)境友好的新型能源迫在眉睫。而作為生物質(zhì)能一員的生物柴油，不僅可以消納各種有機(jī)廢棄物，減輕環(huán)境壓力；還可替代化石燃料，緩解能源危機(jī)；并且由于生物質(zhì)資源分布廣泛，生物柴油的開(kāi)發(fā)幾乎不受地理和氣候的影響。諸多優(yōu)勢(shì)使得生物柴油在可再生能源中備受青睞。

　　生物柴油升級(jí)換代

　　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(lèi)作物。這類(lèi)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)?；a(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(lèi)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——取之不盡的能量球

　　微藻，即微體藻類(lèi)，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(lèi)、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(lèi)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。

　　捕捉CO2 的獵人

　　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。

　　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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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。

GenCell燃料電池的維護(hù)成本較低，進(jìn)一步降低了塔管理公司（Towercos）和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（MNO）的OPEX（企業(yè)支出成本）。與需要耗時(shí)且昂貴維護(hù)的柴油發(fā)電機(jī)不同，GenCell A5只需要一個(gè)12噸的氨水箱，便可作為其燃料。此外，GenCell物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程管理器可以對(duì)每個(gè)燃料電池設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控和維護(hù)，因而不需要工程師經(jīng)常現(xiàn)場(chǎng)檢查，降低了運(yùn)營(yíng)成本。

Adrian Kenya是兩周前推出的GenCell A5離網(wǎng)燃料電池電源在非洲的第一個(gè)商業(yè)客戶(hù)。?Adrian Kenya決定用燃料電池動(dòng)力解決方案來(lái)取代柴油發(fā)電機(jī)，體現(xiàn)了GenCell A5燃料電池具有極大的實(shí)用性。未來(lái)，許多其他像Towercos和MNO的公司，也將會(huì)使用燃料電池來(lái)取代污染性高、成本也較高的柴油發(fā)電機(jī)，為其離網(wǎng)和低電網(wǎng)塔供電。GenCell A5解決方案節(jié)省的OPEX將使農(nóng)村連接更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。該款燃料電池還將加速居住在電網(wǎng)之外的11億人口，更好的部署通信和其他服務(wù)。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號(hào)微藻博士https://mp.weixin.qq.com/s/4sIvyiTGRpDu1uIuUl7lNQ

通過(guò)新方法，研究者發(fā)現(xiàn)鈍頂螺旋藻燃料的主要成分中沒(méi)有石油所含的碳?xì)浠衔?，其燃料成分與一種植物色素和數(shù)種有機(jī)染料較為近似。

鈍頂螺旋藻是一種藍(lán)綠色浮游生物，體長(zhǎng)可達(dá)５００微米，分布在熱帶和亞熱帶的部分淡水湖中。莫斯科物理技術(shù)學(xué)院和莫斯科國(guó)立大學(xué)的研究者在新一期英國(guó)《歐洲質(zhì)譜學(xué)雜志》上報(bào)告說(shuō)，這種螺旋藻能將其生活環(huán)境中的碳酸和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成糖類(lèi)和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)養(yǎng)活自己，其生長(zhǎng)和分裂增殖的速度快于很多進(jìn)行光合作用的生物，具有用以研制生物燃料的潛質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員先對(duì)鈍頂螺旋藻進(jìn)行干燥處理，再用一種模擬石油生成條件的反應(yīng)器將其加熱到３００攝氏度并同時(shí)施加高壓，結(jié)果得到了液態(tài)可燃物和沉淀在反應(yīng)器底部的稠密膠質(zhì)物。但初步分析顯示，這兩種物質(zhì)都含有大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)干擾研究者分析這種生物燃料的有用成分，妨礙進(jìn)一步改進(jìn)工藝以提高燃料品質(zhì)。

從理論上說(shuō)，綜合運(yùn)用物質(zhì)分離、檢測(cè)離子電荷與質(zhì)量之比（質(zhì)荷比）并分析光譜的質(zhì)譜法可以鑒定上述螺旋藻燃料的成分。為了提高這種鑒定效果，俄研究人員在用鈍頂螺旋藻制作燃料前，先用重水和強(qiáng)堿溶液的蒸氣“熏蒸”并浸透該螺旋藻。在這兩種蒸氣的作用下，重水中的重氫（即氘元素）會(huì)融入該螺旋藻的多種分子中。在將如此加工過(guò)的螺旋藻制成燃料后，研究者用“傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜法”，即根據(jù)給定場(chǎng)中的離子回旋頻率來(lái)測(cè)量離子質(zhì)荷比的質(zhì)譜分析方法，對(duì)該燃料的分子進(jìn)行分析。

這種質(zhì)譜法能對(duì)含有重氫的分子進(jìn)行分辨率更高的成分檢測(cè)。檢測(cè)中所得到的特殊光譜還能與普通鈍頂螺旋藻燃料的光譜進(jìn)行對(duì)照，協(xié)助確定該燃料的所有成分。

參與這項(xiàng)研究的生物化學(xué)專(zhuān)家伊格爾·波波夫介紹說(shuō)，通過(guò)上述新方法研究者發(fā)現(xiàn)鈍頂螺旋藻燃料的主要成分中沒(méi)有石油所含的碳?xì)浠衔?，其燃料成分與植物色素“亮綠”和數(shù)種有機(jī)染料較為近似。此外，該燃料還含有由氮族元素形成的鎓化合物和氮?dú)獾入s質(zhì)。

波波夫認(rèn)為，上述發(fā)現(xiàn)有助于研究者進(jìn)一步分析鈍頂螺旋藻燃料的哪種成分更適合加工成高效燃料，這種螺旋藻的哪個(gè)品種富含燃料成分。在解決這兩個(gè)問(wèn)題后，研究者將嘗試通過(guò)基因改造培育出更適合制作生物燃料的鈍頂螺旋藻。

鑒于絲狀體螺旋藻優(yōu)良的易采收特性，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)于2013年提出“從絲狀微藻中挖掘具有優(yōu)良工業(yè)特性的產(chǎn)油微藻”的新思路，完成了幾十株絲狀微藻的系統(tǒng)評(píng)價(jià)，首次發(fā)現(xiàn)黃藻門(mén)的黃絲藻細(xì)胞（不分枝的絲狀體）具有極高的產(chǎn)油脂能力、抗輪蟲(chóng)污染和易采收特性。實(shí)驗(yàn)室條件下黃絲藻油脂含量可達(dá)到50~61%，其中中性脂占70~80%，藻細(xì)胞可在無(wú)絮凝劑添加時(shí)實(shí)現(xiàn)95%以上直接氣浮采收或直接過(guò)濾，開(kāi)放池周年培養(yǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯的輪蟲(chóng)污染（Wang et al.,2013）。

研究發(fā)現(xiàn)了其在光自養(yǎng)條件下油脂的積累不受氮缺乏誘導(dǎo)的獨(dú)特油脂合成積累機(jī)制(Guo et al., 2014)，通過(guò)其油脂代謝途徑與關(guān)鍵調(diào)控基因的組學(xué)分析以及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)，確定了培養(yǎng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)油脂快速積累的調(diào)控方法（Wang et al., 2016）。研究了黃絲藻油的生物柴油轉(zhuǎn)化方法和藻渣水解制備乙醇條件，完成了500平方米規(guī)模的培養(yǎng)、采收、提油和生物柴油轉(zhuǎn)化中試，建立了利用黃絲藻進(jìn)行生物柴油以及燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)的工藝（Wang et al., 2013; 2014）。

研究發(fā)現(xiàn)黃絲藻油脂中棕櫚油酸（C16:1Δ9）的含量占總脂肪酸的50%左右，遠(yuǎn)高于其它常見(jiàn)微藻（Wang et al., 2016）。而棕櫚油酸（C16:1Δ9）屬于ω-7單不飽和脂肪酸，除與ω-3脂肪酸一樣具有促甘油三酯降低、有益心血管系統(tǒng)健康外，還被認(rèn)為是一種新型荷爾蒙，能夠提高人體對(duì)胰島素的敏感性，在Ⅱ型糖尿病的預(yù)防、保健和治療方面具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)黃絲藻可以利用有機(jī)碳源，特別是葡萄糖進(jìn)行高密度異養(yǎng)生長(zhǎng)的特性（Wang et al., 2017；Zhou et al., 2017），通過(guò)對(duì)培養(yǎng)基中有機(jī)碳、氮源和磷源及無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的優(yōu)化，建立了黃絲藻批式流加發(fā)酵工藝，最終生物量可達(dá)40g/L，油脂含量經(jīng)誘導(dǎo)后可達(dá)干重的45%左右。該技術(shù)為建立利用黃絲藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)ω-7脂肪酸并聯(lián)產(chǎn)生物柴油工藝奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)技術(shù)申報(bào)了中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利和國(guó)際PCT專(zhuān)利，已進(jìn)入美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家的專(zhuān)利權(quán)申請(qǐng)。

上述研究獲得國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目、中科院“一三五”項(xiàng)目、國(guó)家海洋局經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展示范城市項(xiàng)目以及青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

分子生物學(xué)教授艾倫·蘭博維茲介紹說(shuō)，內(nèi)含子是進(jìn)化過(guò)程中的一種神秘元素。直到20世紀(jì)70年代，各界都普遍認(rèn)為所有生物體內(nèi)的基因都是連續(xù)的，其由此能組成一個(gè)連續(xù)的RNA（核糖核酸），并可被翻譯成連續(xù)的蛋白質(zhì)。然而，包括人類(lèi)在內(nèi)的大多數(shù)高等真核生物并未遵循上述猜想。反之，高等生物大部分的基因都是不連續(xù)的，其由DNA（脫氧核糖核酸）編碼區(qū)域組成，中間則由內(nèi)含子隔開(kāi)。

為了更好地了解內(nèi)含子的早期歷史，科研人員將此次的研究的重點(diǎn)放在細(xì)菌上，因?yàn)樗麄兿嘈偶?xì)菌是內(nèi)含子進(jìn)化的源頭。作為唯一已知的增殖原理與高等生物十分相似的細(xì)菌，科學(xué)家對(duì)細(xì)長(zhǎng)聚球藻（藻青菌的一種）著重進(jìn)行了研究。

生物化學(xué)家格奧爾格·摩爾表示：“我們并不能回溯至10億多年前去觀(guān)察早期真核生物中的內(nèi)含子是怎樣增值的，但我們能夠探究允許內(nèi)含子在這些生物中增殖的機(jī)理，并嘗試推斷它們?cè)谡婧松镏羞M(jìn)化的過(guò)程?！?/span>

在對(duì)機(jī)理的研究過(guò)程中，科學(xué)家認(rèn)定高溫在內(nèi)含子的增殖過(guò)程中扮演了關(guān)鍵的角色。如嗜熱細(xì)菌所處的溫泉，就可解開(kāi)基因組中的DNA鏈，使內(nèi)含子能夠更輕易地嵌入基因組中。

蘭博維茲表示，由于地球在十多億年前正處于高溫環(huán)境，且是早期真核生物出現(xiàn)的時(shí)段，因此DNA解鏈的證據(jù)對(duì)于設(shè)想早期真核生物如何增殖來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)意義。這些生物最初或許只含有小部分內(nèi)含子，但隨著時(shí)間推移，高溫可促使內(nèi)含子快速地增殖。

而對(duì)于細(xì)長(zhǎng)聚球藻中的內(nèi)含子進(jìn)行探索，或許也可為利用嗜熱細(xì)菌來(lái)提升生物燃料效能的研究者提供意外的幫助。嗜熱細(xì)菌十分善于將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇，但其在基因操控領(lǐng)域卻十分棘手。而嗜熱內(nèi)含子的發(fā)現(xiàn)，可快速解決這一難題，科學(xué)家可借助Ⅱ型內(nèi)含子進(jìn)行基因標(biāo)靶。研究人員目前已經(jīng)開(kāi)始探究能否從基因角度設(shè)計(jì)嗜熱細(xì)菌，以試圖增加纖維素生物燃料的產(chǎn)量。

臺(tái)灣能源局從2006年起將臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)和科技整合，在能源局支持下，工研院建構(gòu)「碳循環(huán)再利用生物合成平臺(tái)」，將工業(yè)排碳的二氧化碳捕獲之后，用來(lái)養(yǎng)殖微藻或微生物，從微藻中提煉出生質(zhì)燃料、高值化產(chǎn)品、化學(xué)品或餌飼料等產(chǎn)品，提供能源、民生、工業(yè)、農(nóng)業(yè)使用，完成碳循環(huán)，讓微藻變身為生質(zhì)金礦，開(kāi)創(chuàng)綠能循環(huán)商機(jī)。

在工研院的努力下，微藻生質(zhì)能源技術(shù)已成功打造出從固碳、養(yǎng)殖、採(cǎi)收到萃取的一條龍生產(chǎn)技術(shù)，將每個(gè)環(huán)節(jié)的能耗降低、效率提昇。例如袋式養(yǎng)殖技術(shù)，可以隔絕外來(lái)微生物的污染，且建置成本是傳統(tǒng)壓克力管柱養(yǎng)殖法的1/10；採(cǎi)收機(jī)的特殊設(shè)計(jì)，所需的能源消耗量為傳統(tǒng)離心法的1/10；超臨界二氧化碳萃取技術(shù)可以直接利用濕藻萃取，更省下乾燥的成本。而且萃取過(guò)程中不含有害溶劑，所使用的二氧化碳完全循環(huán)利用，毫不浪費(fèi)，廠(chǎng)商可透過(guò)承接專(zhuān)利技術(shù)，迅速切進(jìn)生質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)。

在能源局的見(jiàn)證下，今年7月工研院和臺(tái)泥公司簽訂新階段研發(fā)計(jì)畫(huà)合約，共同運(yùn)用工研院的能源科技研發(fā)成果之微藻能源與固碳專(zhuān)利技術(shù)，擴(kuò)大建置微藻養(yǎng)殖示范系統(tǒng)及研發(fā)中心，未來(lái)并規(guī)畫(huà)設(shè)置20公頃的大型戶(hù)外微藻養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行微藻固碳及加值化應(yīng)用，一年可望為臺(tái)泥貢獻(xiàn)4,800公噸的減碳量，還可進(jìn)一步投入高價(jià)蝦紅素原料生產(chǎn)，快速切入綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)商機(jī)。

工研院表示，國(guó)際間將微藻生質(zhì)能源利用視為中長(zhǎng)程的再生能源技術(shù)，臺(tái)灣土地及天然資源有限，以1公斤微藻可吸取1.83公斤二氧化碳的高固碳效率，加上生長(zhǎng)快速、含油脂量高、可生產(chǎn)高價(jià)值化學(xué)品等優(yōu)勢(shì)。工研院打造的「碳循環(huán)再利用生物合成平臺(tái)」正是臺(tái)灣減碳創(chuàng)能的重要項(xiàng)目。

工研院的技術(shù)與臺(tái)泥攜手，未來(lái)將以微藻能源與固碳之關(guān)鍵專(zhuān)利技術(shù)協(xié)助臺(tái)泥擴(kuò)大量能，最后跨入生技產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的高單價(jià)蝦紅素開(kāi)發(fā)，完成循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)模式。

藻類(lèi)生物燃料遇到點(diǎn)煩心事。這種替代燃料能源，和許多生物燃料一樣，有助于減少碳排放，而且還不占用糧食生產(chǎn)用地。但是它卻被殼牌和?？松梨谶@樣的大公司給拋棄了，這些公司正在放棄對(duì)這個(gè)環(huán)境友好燃料的投資。為什么這么有前途的技術(shù)沒(méi)有能夠開(kāi)花結(jié)果，我們還能做什么來(lái)挽回它呢

藻類(lèi)是生長(zhǎng)在水中，從二氧化碳和陽(yáng)光中產(chǎn)生能量的光合生物。單細(xì)胞微藻類(lèi)富含脂肪，可以用來(lái)轉(zhuǎn)化成生物柴油，這是最常見(jiàn)的生物燃料。生產(chǎn)生物燃料的原材料有很多種，包括玉米和烹調(diào)過(guò)的食用油。但是藻類(lèi)很特別，因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)迅速，能夠產(chǎn)生大量的燃料(高生產(chǎn)率)。

在過(guò)去的十年中，能源行業(yè)已經(jīng)投入大量的資金用于藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)的發(fā)展。這是非常有意義的，因?yàn)?，十年前，由于高油價(jià)以及人們對(duì)碳排放造成氣候變化意識(shí)在增強(qiáng)，有必要尋找化石燃料的替代品。藻類(lèi)生物燃料被吹捧為解決這些問(wèn)題的答案，從而導(dǎo)致了大量投資的跟進(jìn)。

不幸的是，我們對(duì)整個(gè)事情缺乏完整的規(guī)劃。生產(chǎn)藻類(lèi)生物燃料的企業(yè)難以在更大的規(guī)模保持其高生產(chǎn)力，而且他們發(fā)現(xiàn)肉食動(dòng)物經(jīng)常污染他們的農(nóng)場(chǎng)。他們還發(fā)現(xiàn)，這種生產(chǎn)方式并不經(jīng)濟(jì)。建造池塘種植藻類(lèi)以及為它們提供足夠的陽(yáng)光和養(yǎng)分用于生長(zhǎng)，代價(jià)高昂，雪上加霜的是，石油價(jià)格暴跌。

不只是生物燃料

藻類(lèi)不僅僅能夠生產(chǎn)生物燃料。實(shí)際上，藻類(lèi)類(lèi)似于一個(gè)微型工廠(chǎng)，可以生產(chǎn)各種有用的化合物，這些物質(zhì)可以用來(lái)制造一系列不同種類(lèi)的產(chǎn)品。

例如，藻類(lèi)能產(chǎn)生大量的ω-3脂肪酸，這是一種重要的膳食補(bǔ)充劑。這意味著它可能是一個(gè)可持續(xù)的ω-3的植物來(lái)源，否則我們只能通過(guò)吃魚(yú)或倒胃口的鱈魚(yú)魚(yú)肝油來(lái)獲取ω-3脂肪酸。更普遍的是，藻類(lèi)是維生素、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的良好來(lái)源，人們經(jīng)常服用如小球藻、螺旋藻等，因?yàn)樗鼈儗?duì)健康有益。

另一個(gè)用途是藻類(lèi)可以制成生物塑料。普通塑料是一種由化石燃料制成的產(chǎn)品，而且很難降解，不環(huán)保。藻類(lèi)能夠以較低的碳排放，甚至在某種程度上能夠吸收碳排放的方法來(lái)生產(chǎn)生物塑料。藻類(lèi)的利用有助于防止塑料在環(huán)境中的積累。

產(chǎn)品的多樣性可能是最后開(kāi)發(fā)藻類(lèi)生物燃料的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品中有很多高價(jià)值的化學(xué)品，銷(xiāo)售價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物燃料。因此通過(guò)將藻類(lèi)與生物柴油生產(chǎn)結(jié)合，我們可以補(bǔ)貼燃料價(jià)格，從而抵消藻類(lèi)養(yǎng)殖成本高的問(wèn)題。

這個(gè)概念，被稱(chēng)為”生物煉制”，是新一輪的藻類(lèi)研究，希望能夠解決過(guò)去十年存在的問(wèn)題。我們知道煉油廠(chǎng)生產(chǎn)塑料、纖維和潤(rùn)滑油以及燃料。現(xiàn)在我們希望以完全相同的方式開(kāi)發(fā)藻類(lèi)生物煉制。

藻類(lèi)生物煉制

為了使這個(gè)方法更具成本效益和可持續(xù)性，我們需要利用廢熱、二氧化碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供藻類(lèi)生長(zhǎng)。這些物質(zhì)從發(fā)電廠(chǎng)、工廠(chǎng)和水處理廠(chǎng)都很容易獲取，這就能夠降低一部分藻類(lèi)生長(zhǎng)的成本。藻類(lèi)燃料生產(chǎn)后，會(huì)殘留下大量的蛋白質(zhì)碳水化合物和其它分子。這些物質(zhì)都可以轉(zhuǎn)化成上文提到的各種產(chǎn)品，或者可以用于生產(chǎn)沼氣(另一種燃料來(lái)源)。這些沼氣可以出售，或者用它們?cè)谏餆捴茝S(chǎng)中生產(chǎn)藻類(lèi)所需要的熱量，這個(gè)閉合回路使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程更加高效。

我們很容易就可以了解到，這個(gè)過(guò)程提出了一個(gè)可持續(xù)的、有利可圖的用藻類(lèi)生產(chǎn)生物燃料的方式。事實(shí)上，已經(jīng)有公司將這一概念應(yīng)用到具體工作中。在2014年，藍(lán)寶石能源公司，世界上最大的藻類(lèi)生物技術(shù)公司之一，宣布他們正在擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍，包括營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑以及生物燃料。業(yè)務(wù)重點(diǎn)向生物煉制方向轉(zhuǎn)移對(duì)許多想要豐富產(chǎn)品線(xiàn)的公司來(lái)說(shuō)，已經(jīng)越來(lái)越普遍。

顯然，藻類(lèi)生物煉制還不能解決藻類(lèi)商業(yè)化今天所面對(duì)的所有問(wèn)題。這個(gè)行業(yè)還面臨許多關(guān)鍵問(wèn)題，藻類(lèi)大規(guī)模生產(chǎn)的效率損失問(wèn)題，以及藻類(lèi)培養(yǎng)過(guò)程中的污染問(wèn)題。這些問(wèn)題只能通過(guò)持續(xù)的努力研究來(lái)解決。生物煉制很可能是人類(lèi)未來(lái)擺脫化石燃料的下一步計(jì)劃。