[发明专利]一种从自养到异养两步培养小球藻生产生物柴油的方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生生物能源领域，特别涉及一种从自养到异养两步培养小球藻生产生物柴油的新工艺。具体说来就是首先让小球藻细胞在光照条件下利用二氧化碳自养生长；经浓缩后，向体系中添加有机碳源(葡萄糖)供微藻异养生长，同时使油脂在微藻体内大量积累，从而为大规模制备生物柴油提供充足、廉价的原料。

背景技术

生物柴油指的是动、植物或微生物油脂经酯化反应后得到的长链脂肪酸烷基单酯。由于具有清洁、可再生、对环境友好的特性，生物柴油已日益受到欧美及亚洲一些能耗大国的重视并获得了长足的发展。目前，欧美一些国家所生产的“第一代”生物柴油主要以大豆、油菜、棕榈等经济作物为主要原料。这种以传统农业为基础的生物能源生产方式不仅产量低而且与粮食作物争夺耕地、淡水、肥料等资源，不能满足生物柴油产业对原料油持续增长的需求。因此，为了缓解生物能源产业对农业造成的压力，在文献“Peer MS，Skye RT，Evan S，et al.2008.Second Generation Biofuels：High-Efficiency Microalgae for BiodieselProduction.Bioenergy Research 1(1)：20-43.”中报导，当前国际上一些大型能源公司及生产企业开始把精力转向利用非食用原料——微藻，开发“第二代”生物燃料。

微藻是一种能进行光合作用的微生物。它可以吸收空气中大量的CO₂，并合成脂肪，通过收集加工可提炼成生物柴油供汽车、火车作为动力燃料，进一步加工还可作为航空燃料，供飞机使用。由于微藻生物燃料优势明显(一是它能在咸水、污水中生长，不与农田及淡水相争；二是生产潜力惊人，繁殖速度比高等植物快40倍)，它在应对全球气候变暖和满足对非污染燃料的渴求方面都有着很大的潜力。但是，迄今为止，利用微藻生产生物柴油仍然存在许多迄待解决的问题，还无法满足商业化的要求。

目前，微藻的大规模培养主要有两条途径——自养培养和异养发酵，二者应用于生物柴油的制备各有优劣。自养培养可以固定温室气体二氧化碳并释放出氧气，对环境友好，但是由于微藻细胞间的互相遮蔽效应，光能的利用往往受到极大的限制。细胞浓度越高，这种遮蔽效应体现得越明显，严重影响细胞的生长和脂肪合成，这使在光生物反应装置中实现含油微藻的高密度培养变得十分困难。对于异养培养而言，细胞的生长主要依赖细胞对有机碳源的吸收，由于它不受光的限制，因此我们可以通过流加有机碳来实现高密度发酵和脂肪的高效合成。吴庆余课题组以一株既能自养又能异养生长的淡水绿藻Chlorella protothecoides为材料，率先开展了利用异养微藻来生产生物柴油的研究(参看文献：“Miao XL，Wu QY.2006.Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil.Bioresour Technol 97：841-846.”、“Xu H，Miao XL.，Wu QY.2006.Highquality biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides byheterotrophic growth in fermenters.J Biotechnol 126：499-507.”、“LiXF，Xu H，Wu QY，2007.Large-scale biodiesel production from microalgaChlorella protothecoids through heterotrophic cultivation in bioreactors.Biotechnology and Bioengineering.98(4)：764-771.”、“Xiong W，Li XF，Xiang JY，et al.2008 High Density Fermentation of Microalga ChlorellaProtothecoides in Bioreactor for Microbio-Diesel Production.78：29-36”)。目前，通过建立合理的补料流加策略，异养小球藻的培养密度可达100g.L^-1，油脂含量超过50％。尽管异养培养具有生长速率快、培养周期短、培养过程易控制等优点，但利用异养微藻生产生物柴油的主要问题在于该方法依赖有机碳源(如葡萄糖、淀粉等)为原料，增加了生产成本。