人类对能源的利用点燃了璀璨的人类文明，也决定着人类未来走向。
目前，人类所利用的能源大部分仍然来自化石燃料。2017年《BP世界能源统计年鉴》显示，全球煤炭、石油、天然气储存量分别为1.14万亿吨、1.71万亿桶和187万亿立方米，分别仅能维持153年、50.6年和52.5年的全球生产需要。同时，化石能源过度消耗导致二氧化碳（CO2）等排放过多，引发了包括全球变暖在内的一系列环境问题。
生物柴油升级换代
寻找可再生且对环境友好的新型能源迫在眉睫。其中，作为生物质能一员的生物柴油，不仅可以消纳各种有机废弃物，减轻环境压力，还可替代化石燃料，缓解能源危机。并且，由于生物质资源分布广泛，生物柴油的开发几乎不受地理和气候的影响，因而备受青睐。
生物柴油是指生物油脂与醇通过酯交换反应生成的一种生物燃料。与石化柴油相比，它具有优良的环保性能和再生性能、较好的燃烧性能、良好的低温发动机启动性能和润滑性能，以及较高的经济性、可降解性和安全性。自20世纪70年代以来，生物柴油的发展已经经过三代更迭。
第一代生物柴油的原材料主要来自油菜、大豆、向日葵等可食用性的油类作物。这类原材料生产成本高昂，生产周期冗长，油脂产率偏低，对环境要求较为苛刻，因此不适合规模化生产。第二代生物柴油的原材料主要来自麻疯树、烟草种子等非粮油类植物，以及地沟油、动物脂肪等，解决了原材料与人争粮的问题，但仍存在诸多发展制约。第三代生物柴油以微藻作为生产原料。微藻具有光合效率高、生长速率快、占地面积小、油脂含量高等优点，成为第三代生物柴油当之无愧的优质原料。
微藻：取之不尽的能量球
微藻，即微体藻类，大小从几微米到几百微米不等，能高效生产脂类、蛋白质、多糖等有机物——其中，脂质可通过酯交换反应转化为生物柴油。
在20世纪70年代，美国能源部以发展可持续能源为目的，对微藻开展了大规模搜集、筛选和鉴定工作，最终获得了300多种产油微藻——即脂质占细胞干重比例超过20%的微藻。其中，微拟球藻的脂质比例高达68%。
微拟球藻作为一种单细胞藻类，除了脂质含量高外，还具有环境适应能力强、个体小、繁殖速度快等优点，跻身生产生物柴油的优良藻种行列。
微拟球藻为何能具有这么高的脂质比例呢？答案在于它独特的固碳能力。光合作用是自然界生物固碳的基础。地球上每分钟通过光合作用大约可以将300万吨CO2和110万吨水转化为200万吨有机物质，同时释放出210万吨氧气。
与陆生高等植物不同，微拟球藻生长在海水中，由于水体中溶解性无机碳存在多种形式，为应对复杂的水体碳环境，微拟球藻具备了独特的CO2浓缩机制——其含有的CCM在环境CO2小于大气CO2浓度时，就会启动。该机制主要通过无机碳的转运,改变细胞光合作用对无机碳的亲和力,从而提高固碳效率。因此，微拟球藻强大的固碳能力不但可以生产更多的生物柴油，还可能用于减少大气中的CO2。
最常用的微藻生物柴油生产工艺主要由3个步骤组成：微藻生物质的生产、油脂的提取、酯交换反应。
首先，在开放塘中大规模培养微藻。在微藻细胞内，光合作用合成的糖类物质经过一系列代谢反应转化为油脂。当藻细胞密度达到最大时，可选用离心法、超滤法、气浮法、絮凝法等方法进行收集。收集后的微藻需进一步提取其中的油脂，过程繁琐，目前最常用的油脂提取方法有机械压榨法、有机溶剂法、加速溶剂提取法等。提取出来的藻油成分复杂，主要由游离脂肪酸、三酰甘油酯、磷脂、糖脂和硫脂组成。最后，利用短链醇和藻类油脂在催化剂、高温环境下进行酯交换反应，会合成脂肪酸单脂——生物柴油。
据估计，每公顷养殖面积上，藻类年产油量可达1.5万至8万升。相比之下，玉米、大豆的年产油量分别只有120升和440升。
不过，目前微藻生物柴油的生产成本依然较高，这是限制其商业化生产的瓶颈。除继续开发产油性能优良的藻种以外，需要实现微藻生产的综合利用。例如，从微藻中获得DHA、类胡萝卜素、活性多糖等高附加值产品，将废弃的藻渣作为水产业的饵料等。
根据历年《BP世界能源统计年鉴》，作为化石能源替代品的生物柴油已成为国际上发展最快、应用最广的可再生能源。在这场能源革命中，微拟球藻扮演着渺小却又伟大的角色。
（本文来源：经济日报 作者：颜飞）
（作者单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所。本文授权转载自“科学大院”微信公众号：kexuedayuan，略有删改，特此鸣谢。）
（责任编辑：单晓冰）
手机看中经
经济日报微信
中经网微信
