淺析微生物生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)勢

熊雨

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境惡化等問題日益加重。石油屬不可再生資源，終有一日會消失殆盡，開發(fā)環(huán)境友好型可再生新能源替代傳統(tǒng)石化能源已成為許多科學(xué)家共同奮斗的目標(biāo)。

生物柴油作為一種綠色、環(huán)保、可再生能源，具有十六烷值較高、閃點較高、低溫啟動等優(yōu)點，被國內(nèi)外研究人員廣泛深入研究。目前，植物油或餐飲廢棄油脂作為主要生產(chǎn)生物柴油的原料在國內(nèi)外研究應(yīng)用。然而，植物油的處理成本高，餐飲廢棄柴油脂來源不穩(wěn)定，運輸困難，這都制約著生物柴油的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。相對傳統(tǒng)生物柴油生產(chǎn)方法，微生物生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)勢在于廉價環(huán)保再生、易于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)等。因此，利用微生物油脂制備生物柴油具有良好的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用價值。

1 生物柴油生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，歐洲和北美主要以植物油為原料生產(chǎn)生物柴油，美國以大豆油為主要生產(chǎn)生物柴油的原料，而歐洲則以菜籽油為主要原料[1]。在生物柴油的研究上，我國起步較晚，但隨著我國不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，生物柴油已被廣泛應(yīng)用，如海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司等已開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，這些公司生物柴油的年生產(chǎn)能力均超萬噸。生物柴油生產(chǎn)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，使用廉價環(huán)保的方法生產(chǎn)生物柴油具有重要意義與價值。

2 微生物法合成油脂及發(fā)展介紹

2.1 微生物油脂及產(chǎn)油微生物

微生物油脂，又稱單細(xì)胞油脂（Single Cell Oil，SCO），是由許多產(chǎn)油微生物在一定條件下將碳水化合物轉(zhuǎn)化而成并貯存在菌體內(nèi)的油脂。

產(chǎn)油微生物分布廣泛、種類繁多，包括藻類、霉菌、酵母、細(xì)菌。其中常用的是酵母菌和霉菌。淺白色隱球酵母（Cryptococcusalbidus）、茁芽絲孢酵母（Trichospiron pullulans）、膠粘紅酵母（Rhodotorula giutinis）等是常見用來生產(chǎn)生物柴油的酵母菌，土霉菌（Aspergillus terreus）、紫癱麥角菌（Claviceps purpurea）、深黃被孢霉（Mortierella isabellina）等是常見的產(chǎn)油霉菌。

2.2 微生物法合成油脂

微生物油脂的合成是一個生化過程，即從乙酰-CoA羧化酶催化羧化反應(yīng)開始，經(jīng)過多次鏈的延長，或再經(jīng)過去飽和作用等得到微生物油脂。若微生物要在體內(nèi)積累油脂，除了氮源匿乏之外，還需要兩個必備條件[2]：一是充足的乙酰-CoA，作為脂肪酸合成的前體；二是充足的NADPH，在脂肪酸鏈延長中發(fā)揮重要的還原作用。

微生物油脂的合成一般分為菌體的大量富集、油脂的合成兩個階段[3]。菌體大量富集期間，菌體利用培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行正常生理代謝和細(xì)胞分裂繁殖，同時也合成油脂，但主要以體質(zhì)脂的形式參與細(xì)胞膜和其他細(xì)胞器的合成。油脂的合成一般包括5個主要過程，分別為乙酰輔酶A的生成、脂肪酰輔酶A的生成、脂肪酸碳鏈的延長和脫飽和、二酰甘油酯（DGA）的生成及三酰甘油酯（TAG）的生成。檸檬酸裂解酶（ACL）和蘋果酸酶（ME）這兩個關(guān)鍵酶在油脂的合成代謝調(diào)控中起著重要作用。在細(xì)胞溶膠中，ACL催化檸檬酸裂解反應(yīng)，得到乙酰-CoA和草酰乙酸，草酰乙酸在蘋果酸脫氫酶作用下被還原成蘋果酸后，由ME氧化脫羧得到丙酮，并釋放NADPH，繼而這兩種物質(zhì)完成TAG合成調(diào)控的循環(huán)。

2.3 發(fā)展介紹

現(xiàn)如今，生物柴油的制備經(jīng)歷了三代。2010年，我國生物柴油總產(chǎn)量為50萬噸，預(yù)計2020年我國生物柴油產(chǎn)能將達(dá)到900萬噸左右[4]。利用微生物生產(chǎn)的生物柴油作為第三代的產(chǎn)物，是原料來源范圍的開拓。

第一、二次世界大戰(zhàn)期間，人們就開始了對微生物油脂的研究，德國科學(xué)家在那時為解決食用油匱乏問題，利用能生產(chǎn)油脂的內(nèi)孢霉屬（Endomyces）和單細(xì)胞藻類鐮刀屬（Fusarium）的某些菌種，而后因經(jīng)濟(jì)等因素中止了。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，微生物產(chǎn)油效率逐漸提高，此外，微生物油脂還可以作為可塑劑、潤滑油、香料和農(nóng)藥等的出發(fā)原料。目前，微生物柴油的制備方法有直接混合法、酯交換法、微乳液法、熱裂解法、超臨界甲醇法等。未來微生物油脂主要研究方向可能為：降低微生物培養(yǎng)成本；探索及篩選產(chǎn)油率高的菌種；開發(fā)推廣功能性油脂在醫(yī)藥、食品等方面的應(yīng)用[5]。

3 微生物法優(yōu)勢分析

3.1 原料優(yōu)勢

由于中國人口密集，糧食供應(yīng)有限，使用食用油來作為生產(chǎn)生物柴油原料不現(xiàn)實。目前，餐飲廢油（如地溝油、泔水油等）是我國生物柴油的原料，該原料價格低廉，但是收集的餐飲廢油來源不同，沒有固定的來源，廢油中含雜質(zhì)量高，較難保證生產(chǎn)所得的生物柴油質(zhì)量。現(xiàn)如今大量鼓勵種植含油脂豐富的農(nóng)作物，如棉花籽、大豆、油菜籽等，種植光皮樹、沙棘等。從原料角度分析，微生物生長周期短、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，因此原料供給充足。

3.2 成本優(yōu)勢

麻風(fēng)樹的果實成熟時間不一，種子有毒，處理時存在的風(fēng)險導(dǎo)致原料處理成本上升；因需求量上升導(dǎo)致大豆油、地溝油等市場價格不斷升高；餐飲油等雜質(zhì)含量高，處理需投入更高成本，而產(chǎn)油微生物繁殖快、油脂含量高、處理成本相對較低。利用微生物生產(chǎn)的生物柴油同其他植物油脂相比，其產(chǎn)物主要成分的不飽和程度更高，品質(zhì)也更高[6]。除此之外，利用微生物生產(chǎn)生物柴油的產(chǎn)品附加值高。這是因為大部分產(chǎn)油微生物不僅能生成油脂，還會積累ARA、DHA和EPA等高附加值副產(chǎn)品，提高了產(chǎn)品利潤[7]。

3.3 生產(chǎn)優(yōu)勢

溫度、濕度等外界條件對微生物影響不大，因此，從生產(chǎn)規(guī)模方面考慮，生物柴油能大規(guī)模地在一些生物反應(yīng)器中生產(chǎn)。無需考慮采收富含油脂的植物等問題，其所需勞動力少，可規(guī)模化管理，且可以通過改變培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件等因素控制微生物積累油脂量。

3.4 資源及環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢

微生物生產(chǎn)不占用耕地與淡水資源，比如部分藻類適合水中生長；可以充分利用自然界中的光能，比如海藻和藍(lán)細(xì)菌。與酸堿催化法相比，不會產(chǎn)生廢水及其他不利反應(yīng)，因此有效地保護(hù)了環(huán)境。

4 結(jié)語

為保護(hù)城市環(huán)境和節(jié)約能源資源，進(jìn)一步實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展微生物柴油具有重要意義。隨著科研工作者對優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)菌株及廉價碳源等的研究，微生物生產(chǎn)生物柴油也將得到廣泛應(yīng)用。