浅析微生物生产生物柴油的优势

熊雨

（浙江大学宁波理工学院，浙江宁波 315000）

随着经济的快速发展，能源短缺和环境恶化等问题日益加重。石油属不可再生资源，终有一日会消失殆尽，开发环境友好型可再生新能源替代传统石化能源已成为许多科学家共同奋斗的目标。

生物柴油作为一种绿色、环保、可再生能源，具有十六烷值较高、闪点较高、低温启动等优点，被国内外研究人员广泛深入研究。目前，植物油或餐饮废弃油脂作为主要生产生物柴油的原料在国内外研究应用。然而，植物油的处理成本高，餐饮废弃柴油脂来源不稳定，运输困难，这都制约着生物柴油的产业化进程。相对传统生物柴油生产方法，微生物生产生物柴油的优势在于廉价环保再生、易于大规模连续化生产等。因此，利用微生物油脂制备生物柴油具有良好的发展前景和广阔的应用价值。

1 生物柴油生产现状

目前，欧洲和北美主要以植物油为原料生产生物柴油，美国以大豆油为主要生产生物柴油的原料，而欧洲则以菜籽油为主要原料[1]。在生物柴油的研究上，我国起步较晚，但随着我国不断发展的科学技术，生物柴油已被广泛应用，如海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司等已开发出拥有自主知识产权的技术，这些公司生物柴油的年生产能力均超万吨。生物柴油生产技术也在不断创新，使用廉价环保的方法生产生物柴油具有重要意义与价值。

2 微生物法合成油脂及发展介绍

2.1 微生物油脂及产油微生物

微生物油脂，又称单细胞油脂（Single Cell Oil，SCO），是由许多产油微生物在一定条件下将碳水化合物转化而成并贮存在菌体内的油脂。

产油微生物分布广泛、种类繁多，包括藻类、霉菌、酵母、细菌。其中常用的是酵母菌和霉菌。浅白色隐球酵母（Cryptococcusalbidus）、茁芽丝孢酵母（Trichospiron pullulans）、胶粘红酵母（Rhodotorula giutinis）等是常见用来生产生物柴油的酵母菌，土霉菌（Aspergillus terreus）、紫瘫麦角菌（Claviceps purpurea）、深黄被孢霉（Mortierella isabellina）等是常见的产油霉菌。

2.2 微生物法合成油脂

微生物油脂的合成是一个生化过程，即从乙酰-CoA羧化酶催化羧化反应开始，经过多次链的延长，或再经过去饱和作用等得到微生物油脂。若微生物要在体内积累油脂，除了氮源匿乏之外，还需要两个必备条件[2]：一是充足的乙酰-CoA，作为脂肪酸合成的前体；二是充足的NADPH，在脂肪酸链延长中发挥重要的还原作用。

微生物油脂的合成一般分为菌体的大量富集、油脂的合成两个阶段[3]。菌体大量富集期间，菌体利用培养基中的营养物质进行正常生理代谢和细胞分裂繁殖，同时也合成油脂，但主要以体质脂的形式参与细胞膜和其他细胞器的合成。油脂的合成一般包括5个主要过程，分别为乙酰辅酶A的生成、脂肪酰辅酶A的生成、脂肪酸碳链的延长和脱饱和、二酰甘油酯（DGA）的生成及三酰甘油酯（TAG）的生成。柠檬酸裂解酶（ACL）和苹果酸酶（ME）这两个关键酶在油脂的合成代谢调控中起着重要作用。在细胞溶胶中，ACL催化柠檬酸裂解反应，得到乙酰-CoA和草酰乙酸，草酰乙酸在苹果酸脱氢酶作用下被还原成苹果酸后，由ME氧化脱羧得到丙酮，并释放NADPH，继而这两种物质完成TAG合成调控的循环。

2.3 发展介绍

现如今，生物柴油的制备经历了三代。2010年，我国生物柴油总产量为50万吨，预计2020年我国生物柴油产能将达到900万吨左右[4]。利用微生物生产的生物柴油作为第三代的产物，是原料来源范围的开拓。

第一、二次世界大战期间，人们就开始了对微生物油脂的研究，德国科学家在那时为解决食用油匮乏问题，利用能生产油脂的内孢霉属（Endomyces）和单细胞藻类镰刀属（Fusarium）的某些菌种，而后因经济等因素中止了。随着现代生物技术的发展，微生物产油效率逐渐提高，此外，微生物油脂还可以作为可塑剂、润滑油、香料和农药等的出发原料。目前，微生物柴油的制备方法有直接混合法、酯交换法、微乳液法、热裂解法、超临界甲醇法等。未来微生物油脂主要研究方向可能为：降低微生物培养成本；探索及筛选产油率高的菌种；开发推广功能性油脂在医药、食品等方面的应用[5]。

3 微生物法优势分析

3.1 原料优势

由于中国人口密集，粮食供应有限，使用食用油来作为生产生物柴油原料不现实。目前，餐饮废油（如地沟油、泔水油等）是我国生物柴油的原料，该原料价格低廉，但是收集的餐饮废油来源不同，没有固定的来源，废油中含杂质量高，较难保证生产所得的生物柴油质量。现如今大量鼓励种植含油脂丰富的农作物，如棉花籽、大豆、油菜籽等，种植光皮树、沙棘等。从原料角度分析，微生物生长周期短、环境适应力强，因此原料供给充足。

3.2 成本优势

麻风树的果实成熟时间不一，种子有毒，处理时存在的风险导致原料处理成本上升；因需求量上升导致大豆油、地沟油等市场价格不断升高；餐饮油等杂质含量高，处理需投入更高成本，而产油微生物繁殖快、油脂含量高、处理成本相对较低。利用微生物生产的生物柴油同其他植物油脂相比，其产物主要成分的不饱和程度更高，品质也更高[6]。除此之外，利用微生物生产生物柴油的产品附加值高。这是因为大部分产油微生物不仅能生成油脂，还会积累ARA、DHA和EPA等高附加值副产品，提高了产品利润[7]。

3.3 生产优势

温度、湿度等外界条件对微生物影响不大，因此，从生产规模方面考虑，生物柴油能大规模地在一些生物反应器中生产。无需考虑采收富含油脂的植物等问题，其所需劳动力少，可规模化管理，且可以通过改变培养基组成、培养条件等因素控制微生物积累油脂量。

3.4 资源及环境保护优势

微生物生产不占用耕地与淡水资源，比如部分藻类适合水中生长；可以充分利用自然界中的光能，比如海藻和蓝细菌。与酸碱催化法相比，不会产生废水及其他不利反应，因此有效地保护了环境。

4 结语

为保护城市环境和节约能源资源，进一步实施可持续发展战略，发展微生物柴油具有重要意义。随着科研工作者对优质高产菌株及廉价碳源等的研究，微生物生产生物柴油也将得到广泛应用。