综述：微藻在全球生物燃料生产中的当前贡献：培养技术、生物燃料种类及有前景的工业项目

这篇综述深入探讨了微藻（microalgae）作为可持续生物燃料原料的潜力，系统分析了其培养技术（如开放/封闭系统PBR）、生物燃料种类（ biodiesel/bioethanol/biogas等）及工业化挑战。重点阐述了微藻在碳固定（CO2 sequestration）、废水处理与高价值代谢物（lipid/carbohydrate）积累方面的优势，同时指出能源密集型采收和基因工程优化等未来发展方向。

　　

微藻生物燃料：从实验室到工业化的绿色革命

引言

化石燃料枯竭与碳排放危机催生了微藻生物燃料的崛起。这种光合微生物能以10-50倍于陆地植物的速率固定CO₂，同时产出20-50%干重的脂质——这些特性使其成为替代玉米、甘蔗等传统生物燃料原料的理想选择。联合国可持续发展目标（SDG 7和13）更将微藻技术列为清洁能源的关键路径。

微藻培养的核心要素

温度调控：不同藻种对温度响应迥异。嗜冷藻（如Chlamydomonas nivalis）在15°C下生长最佳，而嗜热藻（如Oscillatoria terebriformis）需50°C以上。温度波动直接影响脂质组成：高温促进非极性脂质积累，而低温增加极性脂质。

pH动态平衡：CO₂通气是调控pH的经济方案。极端pH会破坏细胞壁渗透性——例如Chlorella pyrenoidosa在碱性条件下脂质产量提升，而Nannochloropsis sp.却在酸性环境中表现更佳。

营养策略：经典的Redfield C:N:P比例（106:16:1）被广泛采用。氮限制可诱导脂质积累（如Chlorella sp.脂质达48.65%干重），但过度限制会抑制Rubisco酶活性。废水培养的创新方案能同步处理污染物，如Scenedesmus spp.对高氮废水的高效净化。

光系统优化：400-700nm光合有效辐射（PAR）是关键。蓝光促进Chlorella vulgaris生物量，而红光增加Phaeodactylum tricornutum的多不饱和脂肪酸（PUFA）。光强超过400 μmol·m^-2·s^-1会导致光抑制，但微藻已进化出抗氧化剂防御机制。

生物燃料生产路线图

生物柴油（Biodiesel）：
Botryococcus braunii等富油藻种通过转酯化反应（transesterification）生成脂肪酸甲酯。最新突破显示，纳米颗粒（如Al_{23）添加剂能将Spirulina生物柴油的发动机热效率提升15%，但铜质部件的腐蚀速率达0.39 m/y仍需解决。}

生物乙醇（Bioethanol）：
Chlorella vulgaris的淀粉含量（309 mg/L）使其成为理想原料。暗发酵（dark fermentation）虽能利用内源淀粉，但产率不足2% w/w。基因改造Saccharomyces cerevisiae实现同步糖化发酵是未来方向。

沼气（Biogas）：
微藻厌氧消化（anaerobic digestion）的甲烷产量比玉米高30%。C/N比控制至关重要——低于20会引发氨中毒，高于35则限制细菌生长。Chlorella sp.与Lysinibacillus细菌共培养可实现83.2%的脱氮效率。

生物氢（Biohydrogen）：
Chlamydomonas reinhardtii通过氢酶（hydrogenase）在厌氧条件下产氢。钙藻酸盐微球固定化技术使Synechocystis sp.的产氢稳定性达100次循环，但需持续清除0.1%以下的氧气。

烃类（Hydrocarbons）：
Botryococcus braunii的"挤奶技术"（milking）能非破坏性提取胞外烃类。热解（pyrolysis）全细胞转化虽效率达40.59%，但催化剂选择直接影响产物分布。

工业化瓶颈与突破

马来西亚C4项目（5公顷PBR）证明微藻燃料成本可从2.17/L降至0.5/kg。土耳其INDEPENDENT项目则通过风电驱动实现碳负生产。基因编辑（如CRISPR-Cas9）提升脂质合成通路效率，但生态风险仍需评估。

未来展望

纳米添加剂（如球形SiO₂）使微藻产量激增；蛋壳生物絮凝剂（bioflocculant）实现98.62%采收率。政策层面，巴西生物燃料强制掺混（B7）经验显示，碳税与发动机标准协同改革是推广关键。随着Euglena公司2025年73万kL产能工厂落地，微藻航空燃料（SAF）的商业化即将迎来拐点。