人類對能源的利用，始于鉆木取火，星星之火點燃了璀璨的人類文明。

能源推動了人類的進(jìn)化，也決定著人類未來的走向。目前，人類所利用的能源絕大部分仍然來自化石燃料。而根據(jù)2017年《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，全球煤炭、石油、天然氣儲存量分別為1.14億噸，1.71 萬億桶和187萬億立方米，分別僅能夠維持153年，50.6年和52.5年的全球生產(chǎn)需要。 同時，由于化石能源在全球能源消耗結(jié)構(gòu)中比重過大，導(dǎo)致CO2、SO2等過度排放，引發(fā)了包括全球變暖在內(nèi)的一系列環(huán)境問題。

面對能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴(yán)峻問題，尋找可再生且對環(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，生物柴油的開發(fā)幾乎不受地理和氣候的影響。諸多優(yōu)勢使得生物柴油在可再生能源中備受青睞。

生物柴油升級換代

生物柴油是指生物油脂與醇通過酯交換反應(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)動機(jī)啟動性能和潤滑性能;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，生物柴油的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過三代更迭。

第一代生物柴油的原材料主要來自油菜、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，并且與人爭地爭糧，生產(chǎn)周期冗長，油脂產(chǎn)率偏低，對環(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自麻瘋樹、煙草種子等非糧油類植物，以及地溝油、動物脂肪等。第二代生物柴油解決了原材料與人爭糧的問題，但是其他缺點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、生長速率快、占地面積小、油脂含量高等優(yōu)點，當(dāng)之無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，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)可通過酯交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為生物柴油。

在20世紀(jì)70年代，美國能源部以發(fā)展可持續(xù)能源為目的，對微藻開展了大規(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20%的微藻。其中微擬球藻的脂質(zhì)比例更是高達(dá)68%!

微擬球藻(圖片來源：https：//en.wikipedia.org)

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)、個體小、繁殖速度快等優(yōu)點，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)。地球上每分鐘通過光合作用大約可以將300萬噸CO2和110萬噸H2O轉(zhuǎn)化為200萬噸有機(jī)物質(zhì)，同時放出210萬噸O2。

與陸生高等植物不同，微擬球藻生長在海水中。水體中溶解性無機(jī)碳的主要存在形式有 HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。為了應(yīng)對復(fù)雜的水體碳環(huán)境，微擬球藻具備了獨特的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濃度時才會啟動 。該機(jī)制主要通過無機(jī)碳的轉(zhuǎn)運， 改變細(xì)胞光合作用對無機(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上，中國承諾到2030年單位國內(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)過一系列的代謝反應(yīng)轉(zhuǎn)化為油脂。

培養(yǎng)中的微藻(圖片來源：energyeducation.ca)

當(dāng)藻細(xì)胞密度達(dá)到最大時，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)，通過對原料干燥和預(yù)酯化可減少脂肪酸對酯交換反應(yīng)帶來的不利影響。

酯交換反應(yīng)是酯與醇在酸或堿的催化下生成一個新酯和一個新醇的反應(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。

典型酯交換反應(yīng)示意圖

據(jù)估計，每公頃養(yǎng)殖面積上藻類年產(chǎn)油量可達(dá)1.5萬~8萬升，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，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)開發(fā)產(chǎn)油性能優(yōu)良的藻種以外，需要實現(xiàn)微藻生產(chǎn)的綜合利用，可有效解決這一問題。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。

圖片來源：paper.people.com.cn/

根據(jù)歷年《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，作為化石能源替代品的生物柴油已成為國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的可再生能源。在這場能源革命中，微擬球藻扮演著渺小卻又偉大的角色。