刘岩个人资料
第一作者：杨黎彬，女，１９９１年生，
硕士研究生，研究方向为微藻污水处理技术及资源化。＃通讯作者。＊国家科技支撑计划项目（
杨黎彬 周雪飞＃ 张亚雷 褚华强
（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，长江水环境教育部重点实验室，上海２０００９２
） 摘要 寻廉价而高效的替代原料是实现生物柴油产业化的关键所在。微藻以含油量高、
生长周期短、环境适应能力强、生物产量高等优点，
有望成为一种极具潜力的生物柴油生产原料。然而，目前尚存在微藻培养低效成本高和微藻回收效率低两大难题。综述了微藻培养与回收过程中的关键技术，并对存在的两大难题及其改进技术进行了详细的探讨。最后，总结并展望了微藻培养、
回收技术未来的发展趋势。 关键词 生物柴油 微藻 培养 回收 废水处理
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ＹＡＮＧ Ｌｉｂｉｎ，ＺＨＯＵ Ｘｕｅｆｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｌｅｉ，ＣＨＵ Ｈｕａｑｉａｎｇ．（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＳｔａｔｅＫｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
ｏｆ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｒｅｕｓｅ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｏｏｋｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｃｈｅａｐ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆｈｉｇｈ ｏｉｌ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｓｈｏｒｔ ｇｒｏｗｔｈ ｐｅｒｉｏｄ，ｓｔｒｏｎｇｅｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｏ ｎｅｗ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ，ｈｉｇｈ ｙｉｅｌｄ，ｅｔｃ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｗｏ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｈｉｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏ
ａｌｇａｅ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｌｏｗ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｏｌｅａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｏｌｅ－ａｇｉｎｏｕｓ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ
ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ；ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ；ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ；ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ；ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 能源与环境是２
１世纪人类社会的两大主题。近年来，传统能源的过度消耗引发了一系列的能源危机和环境污染问题，因此可持续洁净能源的开发已成为各国研究的热点。生物柴油作为一种新型燃料，具有无毒、无害、可生物降解等优点，是替代传统
燃料的最佳选择［１－
２］。然而，昂贵的成本制约了生物柴油的产业化发展［３］
。据统计，生物柴油制备成本
中７５％是原料成本
［４］
，寻廉价而高效的替代原料
是实现生物柴油产业化发展的关键所在。其中，微藻具有含油量高、生长周期短、环境适应能力强、生物产量高等优点，
有望成为一种极具潜力的生物柴油生产原料［５－
７］。目前，利用微藻制备生物柴油并实
现ＣＯ２的固定与减排，已受到科学家们越来越多地关注，相应的研究也得到了广泛开展
［８］
。
然而，
在实现微藻产油产业化的过程中，存在着微藻廉价大规模培养和高效低成本回收两大难
题［
９］
。本研究综述了利用微藻产油的国内外研究现状，并对微藻培养与回收过程中的瓶颈问题及关键
技术进行了深入讨论。１ 微藻作为产油原料的特点
微藻是一类体积小、结构简单、生长繁殖迅速的单细胞藻类，具有太阳能利用效率高、环境适应能力强等特点。微藻中所含有的活性成分具有重要的经济价值，故它在医药、化工、饲料、保健品及环保等方
面有着广泛的应用［１０－
１１］。由表１可以看出，相对于
传统油料作物，
微藻的产油量最高［１２］
。可见，微藻在取代传统油料作物方面有着广阔的前景，是制备生物柴油的较佳原料。
图１显示了以微藻为原料生产生物柴油过程中
的各个技术环节：（１）优良藻株的选育；（２）微藻的低成本大规模培养；（３）高效低成本的微藻回收；（４）微藻生物油脂的提取及后续综合利用。２ 微藻生物柴油的国内外研究现状
２．１ 国 外
１９７８年，美国启动了ＡＳＰ计划，
即利用微藻生·
２８· 环境污染与防治 第３
５卷 第９期 ２０１３年９月
表１ 各种油料作物的产油量比较
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｏｉｌ ｃｒｏｐ
ｓ作物产油量
／（Ｌ·ｈｍ－２·ａ
－１）生产５
４５６亿Ｌ（平均一年的需求量）生物柴油所需的土地
面积／１０７ ｈｍ
２大豆１８６．００ ２ ９３３芥子２４５．２５ ２ ２２５葵花子３９５．２５ １ ３８０麻风树７８２．７５ ６９７油棕２ ４６０．６３ ２２２微藻
３ ８７５．００～１５ ０００．００
３６～１４
１
图１ 以微藻为原料生产生物柴油的主要技术环节
Ｆｉｇ．１ Ｋｅｙ
ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｅｇｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｐ
ｒｏｄｕｃｔｉｏｎ产生物柴油
［１３］
。至１９９６年为止，
研究人员采集、分离得到３ ０００株微藻，并从中筛选出３００多株极具潜力的产油藻种。其中，成功培育出的富油小环藻在实验室条件下含油量可达６０％（质量分数，下同）以上（是自然状态下常规微藻含油量的３～１２倍），在户外生产条件下其含油量则可达到４０％以
上［１４］
。２００６年，
美国绿能源科技公司和亚利桑那公众服务公司建立了可利用１ ０４０ＭＷ电厂烟道中废气的商业化微藻培养系统，成功利用烟道气
中的ＣＯ２培育微藻，
并将其转化为生物柴油［１５］
。２００７年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头，美国十几家实验室和上百位科学家组成的联盟共同宣布了“微型曼哈顿计划”，该计划旨在２０１０年实
现微藻制备生物柴油的工业化，并在各项技术全面进展的前提下，要求将产油成本在２０１５年降至
０．５３～０．７９美元／Ｌ［１
６］
。２．２ 我 国
随着微藻生物柴油在国际上的兴起，我国的一些科研院所及企业机构也开始关注此方面的研究。有研究者通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其含油量是细胞干质量的
５５％，
是自养藻细胞的４倍［１７－
１８］。近年来，随着基因工程技术的发展，
通过基因工程技术改善微藻的产率及含油量，已成为生物柴油原料研究中的一大
热点［
１９］
。中国科学院植物研究所发现反义抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化（ＰＥＰＣ）酶活性可显著提高藻细胞的脂类含量，
并通过基因工程技术开发出了高产的富油藻种［２０］
。目前，山东省的中国海洋大
学、中国科学院海洋研究所、青岛科技大学、中国科学院青岛能源与过程研究所等众多科研院所都在从事微藻培育的相关研究，
成功发现、筛选、培育出了数十种富油藻种，
并开始尝试运用基因工程技术来改造藻种［
２１］
。３ 微藻培养技术
３．１ 微藻培养方式
目前，微藻培养方式主要分为开放培养系统（以跑道式培养池为代表，可在跑道中实现微藻的回收和培养液的补给）和封闭培养系统（以管状光生物反
应器为代表）两种［２２－
２３］（见图２）。２１世纪以来，
国内外学者已对跑道式培养池和管状光生物反应器的各
自组成及其动态运行进行了详细研究，并对两者的
各项生产指标及优缺点［
２４］
进行了比较，笔者就此进行了总结，结果见表２。
３．２ 实现高效低成本微藻培养的关键问题及改良
技术
低成本的微藻培养是实现微藻生物柴油产业化发展的关键，也是目前亟待解决的难题。目前，微藻培养的成本过高（占微藻产油总成本的７０％以
上）［２５］
。微藻的培养成本主要包括：（１）培养所消耗的大量淡水资源；（２）为了获得较高的藻细胞生物量，培养过程中需投加氮、磷等大量的无机营养盐；
（３
）培养基中需投加有机物［２６］
。 水资源匮乏也是我国实现大规模微藻培养面临
的又一大难题，因此废水的资源化利用势在必行。研究发现，废水中含有的大量营养元素能满足微藻生长的需要，同时微藻还能起到水质净化的作
·
３８·杨黎彬等 产油微藻培养与回收的关键技术研究进展
图２ 微藻培养系统
Ｆｉｇ．２ Ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｐ
ｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ表２ 开放与封闭微藻培养方式的优缺点比较
Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｏｐｅｎ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ ｍｉｃｒｏａｌｇ
ａｅ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ培养方式优点
缺点
开放培养系统
建设费用低，
运行费用低，容易清洗，技术成熟，易于大规模培养
易污染、难以纯种培养，生产效率低，水蒸发消耗量大，
培养密度低、微藻不易于收获，受外界自然环境影响较
大，ＣＯ２补充困难封闭培养系统
不易染菌、可纯种培养，生产效率高，占地面积小，培养
密度高，
微藻易于收获，水消耗量少，可对运行参数进行控制，
受外界自然环境影响小建设费用高，运行费用高，表面易形成生物膜、清洗困难，需强化传质、传热及透光，技术先进但不成熟
用［２７－
２８］。因此，将微藻培养和废水处理相结合形成耦合系统，一方面可以降低微藻培养成本，另一方面可以实现废水资源化。
早在１
９５７年，ＯＳＷＡＬＤ和ＧＯＴＡＡＳ已经提出了将废水处理与微藻培养耦合的想法［
２９］
。刘学铭等［３０］
利用味精生产废水异养培养小球藻，培养６４
ｈ时测得藻体的干质量可达５．９４ｇ／Ｌ，优于基本培养基培养效果（４．９７ｇ／Ｌ）。有研究者利用啤酒废水代替蒸馏水配置培养基，小球藻的生物量可达到４．９ｇ
／Ｌ，比添加１０ｇ／Ｌ葡萄糖的培养基中小球藻的生物量略高，且对啤酒废水中主要污染物ＣＯＤ、ＴＰ、ＴＮ的最高去除率分别可达７８．４％、８０．２％、
７２．３％。ＷＡＮＧ等［３１］
也曾利用市政污水处理厂不同处理阶段的出水培养小球藻；ＡＹＡＬＡ等［３
２］
则利用厌氧消化的奶牛废水培养小球藻，发现其最高生长率可达４５．３ｍｇ
／（Ｌ·ｄ）。 此外，
如何实现高效的微藻培养，是实现微藻生物柴油产业化发展另一亟待解决的难题。微藻的高效培养是指通过对光生物反应器的优化设计，提高微藻的培养浓度。其中，光生物反应器优化的目标之一是要提高光照表面积与培养液体积之比，进而提高透光率及藻细胞对光能的利用率；另一关键目标是选用合适的循环装置，减小剪切力对藻细胞的伤害，进而提高培养效率。此外，ＣＯ２的溶解及气液传质、
光合放氧时溶氧蓄积与排出等气体转移效率，光源品质与形式的选择同样对光生物反应器中微藻
的高效培养有着极大的影响［
３３－
３５］。 综上所述，
通过对微藻培养系统及技术的研发与改良，可以有效解决微藻培养过程中的低效高成本等难题，
实现高效低成本的微藻规模化培养，进而促进微藻生物柴油的产业化发展。４ 微藻回收技术
微藻个体微小，一般只有３～３０μｍ［３
６］
；微藻细胞表面带负电，
在培养液中容易形成均匀稳定的分散悬浮体系；微藻培养浓度低，一般只有２００～６００
ｍｇ
华裔女歌手
／Ｌ［３７］
，这些特点使其回收特别困难且成本昂贵［３８］
。因此，微藻的回收已成为继高效低成本培养
后制约微藻生物柴油产业化发展的又一难题。研究表明，微藻回收成本占微藻产油总成本的２０％～
３０％［３
中国好声音 阚立文９］
。微藻回收过程不仅花费高，而且还会影响到后续的利用，因此必须合理选择回收技术并对现有回收技术进行改良。
回收技术的选择主要根据微藻自身的特性以
·
４８· 环境污染与防治 第３
５卷 第９期 ２０１３年９月
图３ 微藻回收的基本工艺流程
Ｆｉｇ．３ Ｂａｓｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ
及其后续利用途径［４０－４１］。将微藻从悬浮液中分离出来是非常关键的［４２－４３］，目前的微藻回收技术主要分为预处理和富集分离两大部分，基本的工艺流程见图３。
４．１ 藻液预处理
藻液预处理是指利用物理或化学方法使微藻表面性质或悬浮液的化学环境发生变化，从而有利于微藻后续的富集分离。藻液预处理方法主要包括预氧化、化学絮凝和物理絮凝［４４］。
４．１．１ 预氧化
你知道我在等你吗 白百何根据氧化剂的种类不同，预氧化分为臭氧氧化、预氯化以及高锰酸／高铁酸预氧化。预氧化主要通过向藻液中添加氧化剂使微藻细胞表面发生改性，从而有利于微藻的富集分离。在合适剂量的氧化剂作用下，预氧化对微藻起到助凝作用，但过高剂量作用会伤害微藻细胞。
４．１．２ 化学絮凝
根据絮凝剂种类的不同，化学絮凝可分为无机金属盐絮凝（以铝系及铁系化合物为代表）和有机高分子絮凝（以聚丙烯酰胺和壳聚糖为代表）。无机金属盐絮凝、有机高分子絮凝主要通过吸附电中和、网捕沉淀、吸附架桥等作用使得藻细胞失稳聚集。化学絮凝操作简便、费用低，但是某些絮凝剂的添加使得藻液具有一定的毒性，对微藻的后续利用产生一定的限制。目前，壳聚糖作为一种新型无毒絮凝剂，以絮凝效果好、絮凝速度快、无二次污染等优点而拥有着广阔的应用前景［４５］。４．１．３ 物理絮凝
目前，常用于藻液预处理的物理絮凝方法主要包括超声波絮凝和电场絮凝。超声波絮凝通过破坏微藻细胞中的微囊泡从而促进其絮凝沉降。ＢＯＳ－ＭＡ等［４６］利用超声波絮凝回收微藻，最高回收率可达到８５％。电场絮凝也是一种新的絮凝采收方法，微藻细胞表面带负电性，它们被周围包覆的液膜平衡后，相邻２个粒子间可能形成电容，在外加电场作用下，平衡被打破，藻细胞聚集并形成大的絮块［４７］。 相对化学絮凝而言，物理絮凝不会污染藻液，是一种绿清洁的方法，但是其絮凝效率较化学法低，而且能耗较高，目前尚未广泛应用［４８］。
４．２ 藻液富集分离
藻液通过预处理形成较大的絮状体之后还需要进行富集与分离，目前常用的微藻分离方法有沉淀法、离心法、过滤法、气浮法等。
沉淀法是将微藻从培养液中分离出来的比较常见的技术之一。沉降法具有操作简单、效果稳定、使用范围广泛等特点，对于密度较大易沉降的絮凝体，首选沉降法进行分离。但沉降法的最大缺点在于占地面积大，所得浓缩液的浓度偏小。
离心法主要是通过离心力的作用使细胞沉降到底部而进行分离，离心法的分离效率较高。ＨＥＡＳ－ＭＡＮ等［４９］对９种微藻进行离心分离，在合适的条件下，微藻最高回收率可达９５％。大部分的藻类都能通过离心方法进行回收，离心也是目前工业上应用最为广泛的微藻分离技术之一。尽管离心法操作
·
５
８
·
杨黎彬等 产油微藻培养与回收的关键技术研究进展
简便、适用范围广、回收效率高，但其运行能耗大、成本高。
过滤法是将悬浮性的藻液通过渗透性介质进行截留。过滤法常用于固液分离，
不仅可以作为絮凝沉降的下游工艺，
也可以直接用于微藻的回收。传统的过滤只适合直径较大的细菌或者是丝状菌，如
空星藻和螺旋藻［５０］
。近年来，随着膜分离技术的发
展，微滤、超滤等技术已逐渐应用于微藻回收领域
［５１］
。过滤法回收微藻不仅效率高，而且还特别适
用于低浓度易碎微藻的回收。但过滤法也仍存在不少缺点，
比如滤膜孔径小导致过滤速度缓慢；膜易被微藻分泌的糖类和蛋白质污染，形成堵塞，造成膜通量的下降，需要连续反冲洗，换膜和抽滤费用高等。
因此，膜过滤仅适用于小规模的微藻回收工程［
５２］
。 气浮法是另外一种较为常见的微藻回收技术。一般在分离前先向悬浮液中加入絮凝剂，使悬浮的微藻产生絮凝；然后从气浮装置底部通过气体分配头放出大量微细气泡，这些小气泡在上浮过程中碰
到絮凝体则吸附其上，从而减小絮凝体的总体密度，使其上浮到液体表面；最后再用刮板将其刮入贮渣器，
从而回收微藻。气浮法的关键在于气泡的产生。目前，生成气泡的方法有机械成泡法和溶气气浮法（ＤＡＦ）。其中，ＤＡＦ的应用最为广泛，ＤＡＦ是以溶
气－释气法产生微泡的方法。ＲＯＤＲＩＧＵＥＳ等［５
３］
研究了采用ＤＡＦ法进行蓝藻采收的影响因素，认为前期的絮凝等预处理对气浮采收的效果有很大影响；在最佳条件下，蓝藻的采收率可达９２％。５ 展 望
在能源枯竭、温室效应等全球环境问题日益严峻的今天，可持续洁净新能源的开发利用有着重要的经济和社会意义。利用微藻产油具有产油率高、不占用耕地等一系列的优点，因此微藻是一种较为理想的生物柴油生产原料，
但在微藻高效低成本规模化培养与回收两方面存在着关键难题亟待解决。综上可见，将微藻培养和废水处理相结合形成耦合系统，
一方面可以降低微藻培养成本，另一方面可以实现废水资源化利用；
通过设计新型高效的光生物反应器，可显著增加微藻生物量和提高微藻培养效率；选择合适的微藻回收方法并加以改良，对微藻的富集分离及后续利用有着重要的意义。以上三方面技术的深入研发可有效解决微藻培养与回收过程中的关键难题，促进微藻高效低成本规模化培养与回收，
进而推进微藻生物柴油的产业化发展，这对最终解决全球能源危机与环境污染问题有着深远的意义。参考文献：
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ｆｕｅｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａｌｇａｅ ａｓ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇ
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９０２．［１５］ 沈丰菊．
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２２．［１６］ ＰＡＴＩＬ Ｐ Ｄ，ＧＵＤＥ Ｖ Ｇ，ＭＡＮＮＡＲＳＷＡＭＹ Ａ，ｅｔ ａｌ．Ｏｐ
ｔｉ－ｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｗｅｔ ａｌｇａｅ ｔｏ ｂｉｏｄｉｅｓｅｌ ｕｎｄｅｒｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，２０１１，１０２（１）：１１８－
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苗凤萍，冯大伟，等．微藻生物柴油技术的研究现状及·
６８· 环境污染与防治 第３
５卷 第９期 ２０１３年９月
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