?能源推動了人類的進化，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構中比重過大，導致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廢棄物，減輕環(huán)境壓力；還可替代化石燃料，緩解能源危機；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)動機啟動性能和潤滑性能；較高的經(jīng)濟性、可降解性和安全性能。自20世紀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)、多糖等有機物。其中脂質(zhì)可通過酯交換反應轉(zhuǎn)化為生物柴油。
在20世紀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68%！
作為一種單細胞藻類的微擬球藻，除了脂質(zhì)含量高外，還具有環(huán)境適應能力強、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。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。水體中溶解性無機碳的主要存在形式有 HCO3-、CO32-、CO2、H2CO3等。為了應對復雜的水體碳環(huán)境，微擬球藻具備了獨特的CO2濃縮機制（CO2 concentrating mechanism，CCM）。
真核微藻、藍藻、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 。該機制主要通過無機碳的轉(zhuǎn)運， 改變細胞光合作用對無機碳的親和力， 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是造成溫室效應的罪魁禍首之一。2015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。
首先在開放塘中大規(guī)模培養(yǎng)微藻。在微藻細胞內(nèi)，光合作用合成的糖類物質(zhì)經(jīng)過一系列的代謝反應轉(zhuǎn)化為油脂。
當藻細胞密度達到最大時，根據(jù)微藻的特性，可選用離心法、超濾法、氣浮法、絮凝法等方法進行收集。收集后的微藻需要進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械壓榨法、有機溶劑法、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，通過對原料干燥和預酯化可減少脂肪酸對酯交換反應帶來的不利影響。
酯交換反應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。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)境下進行酯交換反應，最終合成脂肪酸單脂，即生物柴油。
據(jù)估計，每公頃養(yǎng)殖面積上藻類年產(chǎn)油量可達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。
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。
