面向半干旱地区可持续生物燃料生产的微藻光生物反应器优化与脂质提取策略研究

《Results in Engineering》：Evaluation of Tetraselmis, Nannochloropsis, and Pseudo-Nitzschia Strains in a Photobioreactor for Biomass and Lipid Yields Toward Biodiesel Production

本研究针对约旦等半干旱地区对可再生能源的迫切需求，设计并评估了一种低成本定制光生物反应器（PBR）。研究人员筛选了三种微藻株（Tetraselmis sp., Nannochloropsis sp., Pseudo-Nitzschia sp.），优化了培养基和CO2富集策略（0.6 L/min，60分钟/天），并采用单步脂质提取法。结果表明，Tetraselmis sp. 适应性最强，生物量增长提升42%，脂质含量达干重21.5%，其脂肪酸组成适合生产生物柴油。该研究为资源有限地区提供了一种可行的可持续生物燃料生产模式。

　　

在全球能源需求持续增长和气候变化挑战日益严峻的背景下，寻找可持续、清洁的化石燃料替代品已成为当务之急。微藻，这些微小的光合生物，因其生长迅速、不与人争粮、不与粮争地，并能高效固定二氧化碳（CO₂）生产油脂，而被视为第三代生物燃料的理想原料。然而，微藻生物燃料的商业化之路仍面临重重障碍，其中最关键的问题包括：高昂的培养成本、对特定环境条件（如温度、光照、营养）的依赖，以及脂质提取过程的能耗和复杂性。特别是在像约旦这样的半干旱地区，水资源短缺和特殊的气候条件使得微藻的大规模培养更具挑战性。因此，开发一种能够适应当地环境、成本低廉且高效的微藻培养与油脂转化技术，对于推动区域能源独立和碳减排具有重要意义。

为了回答这些问题，由Mohammad Hamdan、Ramez Othman、Eman Abdelhafez、Maher AL Magasleh和Aiman Al Alawin组成的研究团队在《Results in Engineering》上发表了一项研究，他们设计并评估了一种定制化的光生物反应器系统，旨在为约旦的半干旱气候提供一种可持续的生物燃料生产方案。该研究不仅关注反应器本身的设计，更系统地整合了藻株筛选、营养源利用、CO₂富集和脂质提取等多个环节，旨在打造一个完整且可扩展的工艺链条。

研究人员为开展此项研究，主要应用了几项关键技术方法。首先，他们设计并建造了一个定制的气升式光生物反应器（PBR），由透明丙烯酸管构成，内置荧光灯和LED灯带提供光照，并利用气升作用实现培养液混合。其次，他们从地中海海水中分离出三种本地微藻株：假微型海链藻（Pseudo-Nitzschia sp., P-N sp.）、微拟球藻（Nannochloropsis sp., N. sp.）和四片藻（Tetraselmis sp., T. sp.），在受控条件下进行培养和筛选。第三，他们评估了不同的培养基，包括合成的Bold 3N培养基和两种浓度（5.7 g/L和11.4 g/L）的本地污水污泥培养基。第四，他们系统优化了CO₂富集策略，以0.6升/分钟（LPM）的流速，测试了不同的每日通气时间（0、15、30、60、120分钟）对藻类生长的影响。最后，他们比较了两种脂质提取方法：传统的索氏提取法（Soxhlet）和一种快速单步提取法，后者无需预先干燥藻体，直接从藻液中进行提取。

菌株筛选与生长性能

研究人员首先在相同条件下（温度13–17°C，pH 7.1–9.1，光照强度800–1080 Lux，光暗周期18:6小时）培养了三种微藻株。通过每日测量培养液在680纳米波长下的光密度（OD₆₈₀）来监测生长情况。结果表明，四片藻（T. sp.）表现出最佳的适应性和生长性能，其最大生长速率达到0.371克/升/天（g L^-1 Day^-1），并且在培养后期（约第10天后）进入快速生长期。相比之下，微拟球藻（N. sp.）的滞后期最长（约18天），生长缓慢；假微型海链藻（P-N sp.）的生长则波动较大。这一结果明确了四片藻作为后续研究首选菌株的优势，其强大的生理适应性尤其适合约旦多变的环境。

培养基评估

选定四片藻后，研究人员比较了其在Bold 3N合成培养基和两种污水污泥培养基中的生长情况。有趣的是，在培养初期，使用污泥培养基的藻液光密度读数异常高（5.7 g/L和11.4 g/L污泥培养基的初始读数分别为1.131 g/L和1.726 g/L），但随后在3天内急剧下降至0.394 g/L和0.475 g/L。研究人员分析认为，这可能是污泥中的悬浮固体和有色物质在初期干扰了光密度测量，造成了生物量虚高的假象。经过校正后，Bold 3N培养基显示出更稳定可靠的培养效果，因此被确定为主要培养基。

CO₂富集优化

为了提升微藻的生长效率和碳固定能力，研究人员向光生物反应器中通入纯CO₂。实验发现，以0.6 LPM的流速每天通气60分钟，能使四片藻的生物量增长显著提升42%。这归因于增加了水中溶解的无机碳，为光合作用提供了更充足的原料。然而，过量的CO₂（如每天通气120分钟）会导致培养基酸化，pH值过低反而抑制藻类生长。这表明存在一个最优的CO₂供应窗口，平衡碳源补充和培养环境稳定性至关重要。

脂质提取与脂肪酸组成

培养结束后，研究人员从四片藻生物质中提取油脂。单步提取法仅需约50分钟（其中分离油相约20分钟，蒸发溶剂约30分钟），而传统的索氏提取法则需要6小时，且单步法避免了耗时的藻体干燥过程。分析显示，四片藻的脂质含量占其干重的21.5%。通过气相色谱（GC）对提取的油脂进行甲酯化（FAME）分析，其脂肪酸组成非常适合生产生物柴油，包括24.3%的棕榈酸（C16:0）、26.3%的硬脂酸（C18:0）、30.0%的油酸（C18:1）和36.0%的亚油酸（C18:2）。

本研究得出结论，在约旦的半干旱条件下，四片藻（Tetraselmis sp.）是生产生物柴油最具潜力的微藻菌株。其优势在于生长稳健、对环境波动耐受性强。研究成功优化了培养工艺，特别是确定了每日以0.6 LPM流速通入CO₂ 60分钟的最佳富集策略，能显著促进生长。同时，快速单步脂质提取法被证明是高效且节省成本的关键步骤。尽管污水污泥作为营养源显示出初步潜力，但其稳定性和潜在毒性仍需进一步评估。与已有的光生物反应器系统相比，本研究提出的方案在成本控制、环境适应性和工艺集成方面展现出独特优势，特别适合在资源有限的半干旱地区推广应用。该研究不仅为利用微藻生产可持续生物燃料提供了具体的技术路径，也为应对气候变化、实现区域能源多元化贡献了有价值的工程实践案例。未来的研究方向可以集中在连续培养模式的探索、营养胁迫诱导更高脂质积累、以及全面的技术经济分析和生命周期评估上，以进一步推动该技术走向大规模应用。