微藻生物炼制研究现状及发展策略

前言 资源短缺和环境污染问题已成为制约世界经济可持续发展的瓶颈.以可再生且环境友好的生物质资源替代化石资源已成为解决资源和环境问题的主要途径之一①,Henry R.Bungay②在1982年针对生物质资源开发与利用提出了生物炼制(Bio-Refinery)这一概念.美国国家可再生能源实验室(U.S.NREL)将生物炼制定义为将生物质原料转化为燃料、电热能和化学产品的生物质转化工艺与设备的集成.生物炼制的原料主要有:含纤维素的生物质和废弃物、谷类或玉米、青草、苜蓿、微藻等.其中微藻是一类在海洋、湖泊等水体中广泛分布的微型植物,能够利用光能固定CO2实现自养,其细胞中含有丰富的油脂、色素、蛋白质、维生素等成分.微藻生物炼制是以微藻为原料,生产各种化学品、燃料、生物基材料和食品等产品的工艺与设备的集成.     

微藻生物柴油研发态势分析

微藻是光合效率最高的原始植物之一,与农作物相比,单位面积的产率可高出数十倍。微藻生物柴油技术首先包括微藻的筛选和培育,获得性状优良的高含油量藻种,然后在光生物反应器中吸收阳光、CO2等,生成微藻生物质,最后经过采收、加工,转化为微藻生物柴油。完整的微藻生物柴油成套技术链涵盖多个技术环节,是一个复杂的系统工程,包括微藻生物工程技术、微藻高效规模化养殖技术,以及微藻生物质采收、加工与转化技术等。其中,降低生产成本是当前微藻生物柴油研究面临的主要挑战,各国的研究机构为此开展了多方面的研究。     

生物炼制技术的发展

随着石油资源的日益枯竭,化石经济面临严峻的挑战,而以町再生生物质资源为基础的生物炼制正展现出其广阔的前景。通过石油炼制与生物炼制的对比,分析了生物炼制任各个方面所具有的优势。并以生物乙烯为例,阐述了其发展现状、存在问题及解决途径、未来发展趋势等。     

生物炼制技术的发展

随着石油资源的日益枯竭,化石经济面临严峻的挑战,而以町再生生物质资源为基础的生物炼制正展现出其广阔的前景。通过石油炼制与生物炼制的对比,分析了生物炼制任各个方面所具有的优势。并以生物乙烯为例,阐述了其发展现状、存在问题及解决途径、未来发展趋势等。[编者按]     

生物炼制技术及其产业发展

由于过度消耗化石资源引发的石油紧缺和温室效应问题,巳逐步影响到人类社会可持续发展的宗旨,开发能替代化石能源需求的新能源日渐急迫.生物质能源是化石能源的替代能源之一,对生物质能源炼制的研究成为很多人的关注热点.生物炼制产品的工业化,是形成可持续性的生物炼制品产业经济的关键.我国政府已经把发展生物质能源作为国家发展战略的一部分,确定了具体的发展目标,制定了相应的研发计划,出台了一系列法规以促进生物质能产业的健康发展.我国生物炼制技术在生物燃料、生物柴油、生物基化学品等领域取得了明显进步.本文主要综述生物炼制技术的研究进展及其产业发展情况.     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

能源微藻及其生物炼制的现状与趋势

微藻能源是最有发展潜力的生物能源之一。围绕微藻生物能源的产业化技术开发,全世界众多研究机构与公司进行了大量的研究工作,在藻种技术、规模培养技术、生物炼制技术方面取得了很多重要进展。文章对近些年国内外对能源微藻及其生物炼制技术研发的进展进行了综述,提出加强高产油、耐污染、易采收等工程应用性状的藻种选育,重点发展高光效、低水耗和少占地的创新微藻培养方法与装备技术,并通过微藻高值产品产业化,逐步推动以平衡系统经济性为原则的微藻能源和高值品联产的生物炼制体系的建立,对于解决目前微藻能源产业化的经济竞争性问题具有重要意义。     

微藻生物固碳技术在“双碳”目标中的应用前景

微藻生长速度快、CO₂固定效率高,每生产1 t微藻生物质可固定1.83 t CO₂。同时,微藻还可将固定的CO₂转化为油脂、蛋白质、多糖、色素和不饱和脂肪酸等物质,能够实现CO₂的高值化利用。因此,微藻生物固碳技术在CO₂捕集和利用方面具有极大的发展潜能。本文首先阐述了高效固定CO₂藻株的选育、提高微藻生物固定CO₂的培养策略、微藻处理烟道气化合物技术、微藻高效培养光生物反应器的开发及新兴技术助力微藻碳减排等内容,再结合现阶段微藻生物固碳技术所面临的挑战,展望了微藻生物固定CO₂在“双碳”目标中的应用前景,以期为利用微藻高效固定CO₂、高值化利用CO₂提供参考,从而加速“双碳”目标的实现。     

木质纤维素乙醇预处理技术研究进展

<正>生物炼制是非粮生物质利用大规模产业化成败的关键,也是工业生物技术研究和产业化开发的重点领域,受到了广泛的关注和重视。为此,我们特别邀请了山东大学曲音波教授的科研团队,以连载的形式,对非粮生物质生物炼制过程工程的相关技术和产品开发进行解读,主要从生物质原料的预处理、过程相关的酶水解技术以及发酵菌种改良等方面展开,以期读者对非粮生物质生物炼制技术开发及其产业化发展有一个更深入的了解。     

微藻采收技术的研究进展

微藻作为一种有巨大应用前景的生物质资源,在环境保护、废水处理和清洁能源等领域广泛应用。但是微藻采收成本过高严重限制了微藻产业的发展,因此,寻找一种经济、环保、高效的采收技术对促进微藻产业的发展具有十分重要的意义。本文分析了常用微藻采收技术的优缺点,包括离心分离、沉降、过滤、浮选和絮凝技术,重点论述絮凝技术在微藻采收方面的研究进展,以期为微藻高效、低成本采收方案的选择及其研究方向提供参考。     

微藻生物柴油技术的研究现状及展望

微藻生物柴油是一种优良的可再生新能源,对于解决人类面临的能源短缺和全球变暖两大危机具有潜在的重大战略意义。综述了微藻生物柴油的技术流程、油脂含量较高的微藻藻种、微藻生物柴油的最大技术瓶颈、提高微藻油脂总产量的方法、微藻的大规模培养、微藻的采收和微藻生物柴油的制取等方面的研究现状,并对微藻生物柴油未来的核心研究方向提出了初步见解。     

基于文献计量学的微藻生物技术发展趋势

微藻作为一类单细胞光合生物,具有光能利用率高、生长速度快、生物活性成分和储能物质含量高等特点,在食品、饲料、生物能源、碳减排和废水处理等领域具有广阔的应用前景。本文系统查阅了近年来国内外微藻领域发表的相关文献和专利,藉此对微藻生物技术领域的研究进展及存在问题进行了梳理和分析,并对我国微藻生物技术的科技布局、重要成果及发展瓶颈进行了概述,最后对微藻生物技术的发展趋势予以展望。     

微藻能源技术开发和产业化的发展思路与策略

随着石油资源的日益减少及实现低碳经济的迫切需要,微藻能源已成为世界各国重点研究与发展的战略方向。微藻能源关系国家能源重大战略储备,因此我国迫切需要自主开发微藻能源产业化技术。文中分析了我国发展微藻能源的优势,及目前微藻能源产业化中存在的瓶颈和亟待解决的问题,既包括基础科学研究内容,也包括产业化进程中亟需攻克的关键技术问题。在此基础上,提出微藻能源的发展思路和策略,指出了其产业化中的主要环节的技术发展方向,展望了产业化进程。     

我国微藻生物柴油的研究背景与发展战略

生物柴油是可再生能源开发利用的重要发展方向。藻类制备生物柴油具有产油量高、生长速度快、环境适应能力强、不与农作物争夺农田和淡水资源等优势。从微藻制备生物柴油着手,简要介绍了生物柴油的生产原料与发展历程、微藻油脂的组成与生物合成途径、微藻制备柴油的工艺与瓶颈及解决策略,最后对微藻制备生物柴油技术提出了近中远期发展目标及展望。     

微藻规模化培养研究进展

微藻作为地球上最古老的物种之一,其诞生可追溯到35亿多年前。微藻的种类十分丰富,形态也多种多样。微藻一般都含有叶绿体,因此可进行光合作用,有研究表明微藻固定CO_2的能力是陆地植物的10倍。微藻以其丰富的代谢产物及独特的生理特性在可再生能源、生物医药、食品工业和环境监测等方面有着广泛的应用。然而如何在控制成本的前提下对微藻进行规模化培养成为困扰微藻应用行业的一大难题。为此,本文将从微藻的生化特点及其在各领域中的应用、微藻的规模化培养和微藻的采收3个方面对微藻的规模化培养近十年的研究进展进行综述,旨在为微藻高效培养、低成本采收的研究开发提供参考。     

微藻两阶段培养技术研究进展

微藻细胞富含油脂、淀粉及其他高值代谢物,可用于食品、饲料、化学品和能源的生产。但在规模化培养中,微藻的高生长速率和高产物含量难以兼得,制约了其商业化应用。通过微藻的两阶段培养技术可以将生长和产物积累的时期分离,从而同时获得较高的微藻生物量和产物含量。该技术具有产品得率高、节能减排、适用范围广的优点,是推进微藻商业化的关键之一。本综述总结了现有微藻两阶段培养技术的优势和产品类型,解析了目前微藻两阶段培养技术的限制因素及发展前景,并提出微藻两阶段培养中存在阶段转换时间尚不明确、中间采收步骤成本高这两个限制该技术应用的关键瓶颈,从而为未来微藻两阶段培养技术规模化生产方案的科学决策与实施提供参考。     

Best practices in heterotrophic high-cell-density microalgal processes: achievements,potential and possible limitations

Microalgae of numerous heterotrophic genera (obligate or facultative) exhibit considerable metabolic versatility and flexibility but are currently underexploited in the biotechnological manufacturing of known plant-derived compounds, novel high-value biomolecules or enriched biomass. Highly efficient production of microalgal biomass without the need for light is now feasible in inexpensive, well-defined mineral medium, typically supplemented with glucose. Cell densities of more than 100 g l⁻¹ cell dry weight have been achieved with Chlorella, Crypthecodinium and Galdieria species while controlling the addition of organic sources of carbon and energy in fedbatch mode. The ability of microalgae to adapt their metabolism to varying culture conditions provides opportunities to modify, control and thereby maximise the formation of targeted compounds with non-recombinant microalgae. This review outlines the critical aspects of cultivation technology and current best practices in the heterotrophic high-cell-density cultivation of microalgae. The primary topics include (1) the characteristics of microalgae that make them suitable for heterotrophic cultivation, (2) the appropriate chemical composition of mineral growth media, (3) the different strategies for fedbatch cultivations and (4) the principles behind the customisation of biomass composition. The review confirms that, although fundamental knowledge is now available, the development of efficient, economically feasible large-scale bioprocesses remains an obstacle to the commercialisation of this promising technology.     

二氧化碳减排产柴油微藻培养体系研究进展

污水资源化、二氧化碳减排及微藻生物柴油是当前能源与环境领域的前沿课题。以下围绕污水及烟道气资源化培养产油微藻的培养体系,就藻种、营养条件、培养方式、培养环境及微藻生物反应器等影响产油微藻培养的因素研究进展进行了综述。在综述的基础上提出：由于微藻具有特殊营养方式,通过藻种筛选、微藻营养条件和培养环境的优化以及高效光生物反应器和生产工艺等的创新,可利用污水进行产油微藻生产,以获得生物柴油等高附加值产品,实现微藻生物能源、污水资源化处理和CO2减排三者高度耦合的产油微藻生产体系,从而减少微藻培养费用及污水处理费用,因此,该体系具有重要的环境、社会、经济价值和商业化应用前景。     

The role of biochemical engineering in the production of biofuels from microalgae

Environmental changes that have occurred due to the use of fossil fuels have driven the search for alternative sources that have a lower environmental impact. First-generation biofuels were derived from crops such as sugar cane, corn and soybean, which contribute to water scarcity and deforestation. Second-generation biofuels originated from lignocellulose agriculture and forest residues, however these needed large areas of land that could be used for food production. Based on technology projections, the third generation of biofuels will be derived from microalgae. Microalgae are considered to be an alternative energy source without the drawbacks of the first- and second-generation biofuels. Depending upon the growing conditions, microalgae can produce biocompounds that are easily converted into biofuels. The biofuels from microalgae are an alternative that can keep the development of human activity in harmony with the environment. This study aimed to present the main biofuels that can be derived from microalgae.     

基于文献计量的微藻收获技术研究分析

微藻是能以自养模式固定二氧化碳,生成生物能源的原料,对可持续发展具有重要意义。微藻也能以异养模式生长,用于废水处理和积累高附加值物质。目前,微藻收获的成本占总成本的20%~30%。微藻收获技术已经成为研究热点。本文从文献计量的角度分析了各国微藻收获的研究进展以及我国的研究现状,并展望了微藻收获技术发展趋势,为进一步研究提供参考。