利用角鲨烷溶剂实现布朗葡萄藻同步培养与烃类回收的新型挤奶工艺研究

《Journal of Applied Phycology》：Simultaneous culture and hydrocarbon recovery from Botryococcus braunii with squalane as a solvent

本研究针对微藻生物燃料提取过程中能耗高、效率低的问题，开发了一种以角鲨烷为溶剂的新型挤奶工艺。研究人员通过溶剂比较实验和两相培养体系，证实角鲨烷在0.5%氯化钠改性培养基中可实现45.1%的烃类回收率，同时保持光合活性（Fv/Fm），总烃产量提升19.5%。该工艺创新性地利用氢化产物作为溶剂，避免了蒸馏分离环节，为微藻能源的可持续开发提供了新策略。

　　

在能源转型与碳中和的全球背景下，微藻生物燃料因其不占用耕地、生长快速等优势备受关注。然而传统脂质提取工艺需要经过培养、收获、浓缩、干燥、细胞破碎、溶剂提取和溶剂分离等多道工序，其中干燥和细胞破碎环节能耗极高，严重制约了其产业化发展。以布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）为代表的产烃微藻，其烃类物质主要储存在细胞外基质（ECM）中，为开发非破坏性的"挤奶"（milking）技术提供了独特优势——即在不损伤细胞的前提下反复提取目标产物。但该技术长期面临两大瓶颈：有机溶剂对藻细胞的光合毒性，以及提取产物与溶剂沸点相近导致的分离能耗问题。

为解决这一难题，东京大学研究团队在《Journal of Applied Phycology》发表创新性研究，提出以角鲨烷（squalane）——布朗葡萄藻天然产物角鲨烯的氢化衍生物作为提取溶剂。该设计蕴含巧妙的循环经济思维：当微藻烃类作为生物燃料使用时，本就需经过氢化和催化裂解处理，而角鲨烷作为溶剂可直接参与后续工艺，省去分离步骤。研究人员通过溶剂比较实验和两相培养实验系统验证了这一设想。

关键技术方法包括：1）使用三种培养基（Chu13、0.3%和0.5%氯化钠改性培养基）进行藻株培养；2）通过气相色谱定量分析烃类回收率；3）采用脉冲调制荧光仪测定光合活性（F_v/F_m）；4）构建溶剂-培养液两相体系实现同步提取与培养；5）基于离子色谱监测硝酸盐消耗动力学。

溶剂提取测试结果

比较正己烷、正癸烷和角鲨烷三种溶剂的提取效果发现，溶剂生物相容性与碳链长度呈正相关，而提取效率呈负相关。在0.5%氯化钠培养基中，角鲨烷在24小时内实现60.2%的烃类回收率，且F_v/F_m仅下降10.0%，显著优于正己烷（回收率92.6%但导致光合活性完全丧失）。盐度增加通过抑制多糖层生成显著提升了溶剂与ECM的接触效率。

两相培养测试结果

持续23天的两相培养表明，角鲨烷溶剂层成功回收233.5±51.3mg烃类物质，相当于总产量的45.1%，且F_v/F_m与对照组无显著差异。特别值得注意的是，实验组总烃产量（524.2±27.7mg）较对照组提升19.5%，叶绿素浓度增长26.8%，说明角鲨烷可能通过增强气体交换促进了藻类生长。硝酸盐消耗动力学显示两组无显著差异，证明提取过程未影响营养代谢。

讨论与展望

研究揭示了挤奶工艺中生长-生产平衡的新规律：虽然角鲨烷优异生物相容性支持长期运行，但细胞持续增殖会导致ECM体积扩张，反而降低净回收率。团队提出未来可通过调控TOR（Target of Rapamycin）蛋白激酶通路优化这一平衡。针对角鲨烷成本高的挑战，作者构思了更可持续的解决方案——使用布朗葡萄藻主产物botryococcene的氢化形式botryococcane作为循环溶剂。

该研究首次实现了微藻烃类提取与光合活性的协同优化，创下了45.1%回收率下零细胞损伤的新纪录。其核心突破在于将下游工艺需求反向整合至上游提取环节，通过"以产治产"的策略消解了分离能耗瓶颈。尽管溶剂成本与规模化应用仍需完善，但这项研究为微藻生物燃料的低碳化生产提供了范式创新的重要路径。