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生物柴油的原料来源——微生物油脂与工程微藻

(2016-04-13 21:39:58)
标签:

微生物油脂

工程微藻

产油霉菌

酵母

细菌

分类: 燃料燃烧

(一)微生物油脂

微生物油脂又称单细胞油脂,是由酵母霉菌细菌和藻类等微生物在一定条件下利用碳水化合物碳氢化合物和普通油脂为碳源,在菌体内产生的大量油脂其实很早以前人们就知道微生物细胞中含有油脂,采用微生物方法来生产油脂最早开始于第二次世界大战时期油脂资源短缺的德国

通常微生物细胞中含有2%3%的油脂,在一定培养条件下,其干细胞中油脂含量可达到60%以上,比一些植物种子含油量高与传统的油脂生产工艺相比较,利用微生物生产油脂具有油脂含量高生产周期短生产成本低等优点

(1)微生物油脂的特点

① 微生物适应性强,生长繁殖迅速,生长周期短,代谢活力强,易于培养和品种改良

② 微生物产油脂所需劳动力低,占地面积小,且不受场地气候和季节变化等的限制,能连续大规模生产

③ 微生物生长所需原材料来源丰富且便宜,可利用农副产品食品加工及造纸业的废弃物 (如乳清糖蜜木材糖化液等)为培养基原料,十分有利于废物再利用和环境保护生长所需

原材料来源丰富且便宜,可利用农副产品食品加工及造纸业的废弃物 (如乳清糖蜜木材糖化液等)为培养基原料,十分有利于废物再利用和环境保护

④ 产油微生物除可代替动植物油脂生产食用油脂,特别是保健类功能性油脂外,还可以作为生产生物柴油的油源大部分微生物油的脂肪酸组成和一般植物油相近,C16C18系脂肪酸,如油酸棕榈酸亚油酸和硬脂酸为主,因此微生物油脂可替代植物油脂生产生物柴油

由于技术经济原因,过去单细胞油脂很少有规模化生产的报道但随着工业生物技术的发展,微生物油脂发酵从原料到过程都在不断取得新的进展美国国家可再生能源实验室NREL的报告特别指出,微生物油脂发酵可能是生物柴油产业和生物经济的重要研究方向当前生物柴油的研究已是世界科研的焦点,世界各国纷纷根据本国国情选择合适的油脂原料生产生物柴油

产油微生物具有资源丰富油脂含量高生长周期短碳源利用谱广不受气候限制等特点,易于实现大规模生产加快微生物油脂发酵技术创新和产业化进程,可为我国未来生物柴油产业化和油脂化工行业的健康发展提供保障

(2)微生物油脂的开发研究方向

现代生物技术的发展使产油微生物的研究技术在不断趋向成熟微生物用于油脂工业已成为现,但随着能源危机和环境保护问题的突出,其开发研究方向主要为:

① 继续寻找或改良高产油脂菌种;

② 降低产油微生物培养成本,如利用廉价碳源等,促进微生物油脂产业化;

③ 对微生物发酵产油脂工艺进行优化;

④ 微生物油脂替代植物油脂制取生物柴油,降低生物柴油制取成本因此,产油微生物的研究,特别是利用产油微生物生产油脂为生物柴油提供原料油脂方面的研究,对解决当今世界各国油脂原料供应问题促进生物柴油的推广使用解决环境问题和人类能源问题等都具有重要的意义

(3)产生油脂的微生物菌种

细菌酵母霉菌藻类均能产生油脂,但以酵母和霉菌为主

① 产油细菌

细菌在高葡萄糖时产生不饱和的甘油三酸酯,但大多细菌不产生而是积累复杂的类脂,加之产生于细胞外膜上,提取困难,故产油细菌无工业意义

② 产油霉菌和酵母

霉菌和酵母产的油脂为16个碳原子和18个碳原子,与许多植物油脂相似;脂肪酸几乎都是不饱和的脂肪酸,下表列举了不同菌种在同样的培养条件下的油脂含量生物柴油的原料来源——微生物油脂与工程微藻

第二次世界大战期间发现高产油脂的斯达油脂酵母黏红酵母属曲霉属以及毛霉属等微生物以来,寻找到多种产油菌种,并取得突破,为进一步形成生产力提供了技术依据罗玉平等分离到一株高产棕榈油酸的酵母,总脂棕榈油酸含量高达50.14%;中科院大连化物所实验室筛选出的4株产油酵母能同时转化葡萄糖木糖和阿拉伯糖为油脂,菌体含油量超过其干质量的55%在酵母霉菌等真核微生物中,某些产油种属能积累占其生物总量70%以上的油脂,其中以甘油三酯为主,约占80%以上,磷脂约占10%以上

(4)微生物油脂的原料

随着工业生物技术的发展,微生物油脂发酵从原料到工艺过程都不断取得新进展,很多原料都可以作为微生物生长所需的发酵培养液,下面将对几种典型原料进行介绍

① 工业废弃物

在工业化生产中,常常产生的废液如糖蜜乳清废糖液豆制品工业废液黑废液 (造纸工业中含有戊糖和己糖的亚硫酸纸浆)以及食品加工中新产生的废料废液等都是制造微生物油脂很好的原料

② 农作物秸秆

我国是人口众多的农业大国,农作物秸秆年产量约为7亿吨,居世界之首目前,秸秆资源化技术呈现多元化发展,包括秸秆还田,制有机肥料动物饲料,秸秆汽化及压块燃料,作纺织品的原料以及培养食用菌等但与西方某些国家相比还存在差距,相当一部分农作物秸秆仍被弃置或者焚烧,其本身蕴藏着丰富的能源未充分开发利用秸秆作为重要的生物质资源,主要由纤维素半纤维素木质素等组成通常,纤维素是最大的组成部分,40%50%秸秆通过预处理后,其中的纤维素和半纤维素在催化剂的作用下水解,分别转化为五碳糖和六碳糖,经过简单提纯可以获得浓度较高的糖液而这些糖液可以用于微生物发酵的原料,从而获得可以制取生物柴油的微生物油脂植物秸秆也可以通过裂解等方法生产生物柴油

③ 高糖植物

粗放种植的高糖植物,如甘薯木薯和菊芋等,也是制取微生物油脂的原料其中,甘薯耐瘠耐旱,抗风力强,适应性强,产量高据测,100g新鲜甘薯含糖类达29g木薯适应性强,耐旱耐瘠,可种植在贫瘠的土地及山坡地,不需要田间管理,每公顷产量可达1040t研究发现,木薯主要成分是纤维素,淀粉占35%,葡萄糖占0.33%,蔗糖占1%菊芋属菊科向日葵属,是为数不多的抗逆高产高密度能源植物,每公顷块茎的产量>50t菊芋的果实含油量为26%,其中油酸31%,亚油酸64%,亚麻酸0.7%,具有良好的干性油特征微生物油脂发酵技术可实现菊芋全生物量利用,每公顷滩涂地年种植的菊芋平均可生产5t油脂,远远高于种植油料作物的产油量

④ 能源作物

某些具有高效光合能力的植物能快速生长,积累生物量,经过适当处理即得到碳水化合物,是油脂发酵的理想原材料我国南方的芒获类植物 (包括芒属和获属)具有适应能力强生长迅速可连续多年收获产量高生产成本低等优势芒获类植物属禾本科多年生高大草类,在生长过程中能更多地吸收CO2和放出O2,有利于降低温室效应,是有价值的环保植物如果利用微生物转化技术,油脂产量可达5t/hm2,比现有其他任何油料植物都高

(二)工程微藻

微藻是一种分布广蛋白质含量很高的微型光合水生生物光能利用率比大田作物高几倍到几十倍,生长速度很快藻类分为11个门,3万多种,全世界已开发利用研究比较多的主要是螺旋藻和鱼腥藻微藻的太阳能利用效率高个体小营养丰富生长迅速环境的适应能力强容易培养,因此受到人们的重视一些藻类不但能产油脂,而且油脂中含有二十碳五烯酸 (EPA)和二十二碳六烯酸 (DHA)以及其他n-3脂肪酸

藻类生长条件简单,以光合作用大量培养菌株便能获得藻类单位面积产油量为大豆的几十,在沿海可进行人工养殖影响藻类产油的因素主要是培养时光照周期光照强度磷等微藻类的主要用途是作为研制蛋白质液体燃料精细化学药品的潜在来源虽然初始阶段的工作主要放在人类和动物营养的蛋白质生产上,但从经济角度考虑,重点放在高值精细化学药品开发上

20世纪5060年代,国际上许多科学家为解决人类营养问题,曾致力于小球藻的研究,由于生产技术复杂,易受污染,理论产量难以实现,故此将目光转向高光能转化率营养价值高产简便的螺旋藻的开发和应用上来另外,微藻中不但油脂含量可观,而且直接从微藻中提取得到的油脂成分与植物油相似,因此具有广泛的应用价值,它不仅可以替代石油作为生物柴油直接应用于工业上,还可以作为植物油的替代

微藻生产柴油也为生物能源利用开辟了一条新的技术途径,利用 工程微藻生产生物柴油是柴油生产一项值得注意的新动向所谓 工程微藻”,即通过基因工程技术建构的微藻美国国家可更新实验室 (NREL)通过现代生物技术建成 工程微藻”,即硅藻类的一种 工程小环藻在实验室条件下可使 工程微藻中脂质含量增加到60%以上,户外生产也可增加到40%以上,而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%20%工程微藻中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶 (ACC)基因在微藻细胞中的高效表达,在控制脂质积累水平方面起到了重要作用

目前,正在研究选择合适的分子载体,使ACC基因在细菌酵母和植物中充分表达,还进一步将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达应该说,发展富含油质的微藻或 工程微藻是索取生物燃料的一大趋势,还可充分发挥如下几方面的优越性:

一是微藻生产能力高,称得上是一座 大化工厂”,又不与农业争地,一旦有高新技术参与,还可大大提高生产能力;

二是海水作为天然培养基,可大量进行微藻养殖;

三是微藻生产油脂比陆生植物单产高出30,有人估计,每英亩 工程微藻每年可生产40100桶柴油;

四是生物柴油不含硫,燃烧时不排放有害有毒气体,有利于生态环境;

五是生物柴油即便是排入环境中也可被微生物降解,不会污染环境

微藻中甘油三酯的含量丰富,且其甘油三酯的结构与普通蔬菜油甘油三酯的结构类似,故可以作为食用油而满足人们对食用油脂的需要因此,利用 工程微藻生产生物柴油有着重要经济意义和生态意义应用细胞培养技术 (异养发酵技术)控制有机与无机碳氮源的供给,获得叶绿素消失细胞变黄的异养小球藻异养小球藻细胞中油脂类化合物大大增加,蛋白质含量下降与未经转化的自养藻相比,异养藻细胞的粗脂肪含量提高了4倍以上完成一个批次的细胞工程周期为7天左右利用独创的淀粉酶解和两步法半无菌培养技术,以淀粉为原料发酵生产富营养油脂,完成实验室规模的全部工艺,与常规制备技术比较,成本下降58,油脂含量达99%以上

利用细胞工程的方法进行小球藻异养转化和培养来制备高油脂细胞并生产生物柴油是一项技术含量高,非常有价值的项目,问题并非如此简单,由于小球藻的异养转化和培养需要消耗大量的有机碳源,而其中被证明最好的有机碳源是葡萄糖这里就有一个成本的问题,如何降低成本,尤其是降低有机碳源的成本,同时扩大生产规模是实现该技术商品化的关键问题

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