生物柴油的研究进程与结果论文

生物柴油（Biodiesel）是由油酸、亚油酸等长链饱和或不饱和脂肪酸，同甲醇或乙醇形成的脂肪酸甲酯（fatty acid methyl esters，FAMEs）或脂肪酸乙酯（fatty acid ethyl esters，FAEEs）类化合物。

许多微生物，如酵母、霉菌和藻类等，在一定条件下能将碳水化合物转化为油脂贮存在菌体内，称为微生物油脂。大部分微生物油的脂肪酸组成和一般植物油相近，以C16和C18系脂肪酸，如油酸、棕榈酸、亚油酸和硬脂酸为主，因此微生物油脂可替代植物油脂生产生物柴油，随着工业生物技术的发展，微生物油脂发酵从原料到过程都不断取得新进展，美国国家可再生能源实验室指出：微生物油脂发酵可能是生物柴油产业的重要研究方向。

秸秆是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，可以再生。玉米秸秆约占农作物秸秆的50%，富含纤维素、半纤维素、木质素等，可通过微生物发酵生产脂肪酸、烃类物质及其衍生物即生物柴油。这一技术的突破，将从根本上解决玉米秸秆综合利用问题，对缓解我国目前石油资源紧缺局面，减少废料对环境的污染，实现资源优化和再生具有非常重要的意义。

木霉菌能够产生多种水解酶，促进木质纤维素的降解。如：β-1，4 葡聚糖酶，使纤维素的内糖苷键断裂；木聚糖酶，分解秸秆中与纤维素连接的半纤维素，使得纤维素暴露出来与纤维素酶接触；木质素降解酶类，能有效降解木质素；已有研究发现一些木霉菌菌丝体内的油脂含量较高，因此利用秸秆发酵木霉菌获取油脂具有应用潜力。

木霉利用秸秆生产油脂的主要过程如下：天然产物→纤维素→葡萄糖→丙酮酸→乙酰CoA→脂肪酸合成→通过碳链延长和去饱和生成多不饱和脂肪酸→通过缩合形成微生物油脂（王雪等，2011）。多不饱和脂肪酸的生物合成是以饱和脂肪酸-硬脂酸为底物，经碳链延长和脱饱和两个反应而来，它们分别由相应的膜结合延长酶和脱饱和酶所催化，链延长供体是丙二酸单酰CoA，由乙酰CoA羧化酶催化，该酶是第一个限速酶，由多个亚基组成的复合物，以生物素为辅基。该酶结构中有多个活性位点，如乙酰CoA结合位点、ATP结合位点、生物素结合位点等，因此该酶能被乙酰CoA、ATP和生物素所激活。ADP是该酶ATP的竞争性抑制剂，抗生物素蛋白可作用于生物素而抑制该酶的活性，丙二酸单酰CoA起反馈抑制作用。另外，丙酮酸盐对该酶有轻微激活作用。脱饱和体系由微粒体膜结合的细胞色素b5、NADH、细胞色素b5、还原酶和末端脱饱和酶组成，整个合成途径在油酸和亚油酸处各有一个分支点，从而产生了ω-3，ω-6及ω-9共3个系列的多不饱和脂肪酸。

木霉菌的许多种属已经被用来研究脂类物质的产生，木霉所能产生的脂肪酸种类主要为C16饱和脂肪酸，C18单不饱和脂肪酸和C18多不饱和脂肪酸等。木霉不仅能够利用五碳糖，而且能够利用六碳糖合成微生物油脂。Leobardo（1992），Ballance（1961），Brown（1998），Ruiz（2007）等分别研究了 T.viride，T.harzianum，T.reesei和长枝木霉（T.longibrachiatum）菌丝内的油脂含量，发现木霉菌丝中的油脂含量最高可达32%。1980年Betina和Koman对提取的绿色木霉菌丝内油脂成分进行分析发现，所提取物质的主要成分为三酰甘油，还有一些磷脂（鞘磷脂、磷脂乙醇胺和磷脂酰胆碱），对脂肪酸种类进行分析发现C16和C18占到了总成分的42%和32.5%，与植物油的成分十分相似，因此可替代植物油脂生产生物柴油。

王雪等（2012）通过尼罗红染色对木霉菌株的产油能力进行了初筛，共从52株木霉菌株中筛选出了包括橘绿木霉（T.citrinoviride）ACCC30152，T.harzianumQ2-37，卵孢木霉（T.ovalisporum）ACCC31640，黄绿木霉（T.aureoviride）T1-1，T.harzianumT8-118，T.aureovirideTA，拟康宁木霉（T.pseudokongningi）TP，钩状木霉（T.hamatum）TG，盖姆斯木霉（T.gamsii）TK7A，T.virideACCC30594等11株，在575nm激发光下菌丝内部能够观察到大量发出橘红色荧光的油脂颗粒的木霉菌株。

将上述11 株菌株PDA培养基液体发酵后，采用酸热法提取油脂，其中以棘孢木霉T1-1每升发酵物所能获得的油脂量最多，为1.062g油脂/L发酵液（表16.1）；在以玉米秸秆和麦麸粉为主要成分的固体培养条件下，哈茨木霉Q2-37菌株在30℃条件下发酵8 d，油脂产量可达37.3g油脂/kg干物料。对产生的代谢物成分用气相色谱—质谱联用仪（GC-MS）进行分析，共检测到14种烷烃类物质，其中有9种为C9-C18的链烃，与化石柴油的主要成分相同。

表16.1 液体培养条件下木霉菌的产油能力测定结果*

*实验结果为三个重复取平均值加减标准差，排列顺序为按照油脂提取量从高到低排列。

木霉的油脂多包含在较坚韧的细胞壁中，有一部分甚至与蛋白质或糖类结合，难以分离，因此提油前应对干燥菌体进行预处理，一般采取烘干磨碎的方法，然后利用酸热法提取油脂。该方法主要是利用盐酸对细胞壁中糖及蛋白质等成分的作用，使原来结构紧密的细胞壁变得疏松，再经沸水浴及速冻处理，使细胞壁进一步被破坏，有机溶剂可有效地浸提出细胞中的油脂，提取效果与SCF-CO2法相近（李植峰等，2001）。

陈凯等（2009）研究发现，木霉不仅可以产生能够生产生物柴油的油脂类物质，还可以产生与化石石油结构相类似的烃类物质。对以麸皮为主要基质的培养基上的绿色木霉LTR-2菌丝内的脂类物质进行提取和气相色谱分析，共检测到了57种成分，所提取化学物质中9～18个碳原子的链烷、环烷或芳烃的含量占总量的24.28%，而化石柴油中的烃类成分主要为C9-C18的链烃、脂环烃、芳香烃等。通过对比分析可以发现，木霉油脂的成分与化石柴油相近，可以用于代替化石柴油作为能源物质。

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世界各国尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术。欧洲已成为全球生化柴油的主要生产地。美国、意大利、法国已相继建成生物柴油生产装置数十座。 欧盟生物柴油80%的原料为双低菜籽油（低硫甙、低芥酸），美国、巴西主要是大豆，我国主要是以木本油料、废弃油脂和微藻油脂为原料。目前，国家已在四川、贵州、海南启动小油桐生物柴油产业化示范项目，在内蒙古支持了微藻固碳生物能源示范项目。近年来，受原油价格、环保压力的影响，生物柴油产业受到广泛重视。2011年世界生物柴油总产量约2050万吨，其中欧盟占51%，南美地区（巴西为主）占24%，亚洲13%，中北美为11%，其他地区1%。其中，德国目前已拥有8个生物柴油的工厂，德国拥有300多个生物柴油加油站，并且制定了生物柴油的标准，对生物柴油不予征税。2006年生物柴油产量达100万吨。法国、意大利等欧洲国家都建立生物柴油的企业。法国雪铁龙集团进行了生物柴油的试验，通过10万公里的燃烧试验，证明生物柴油是可以用于普通柴油发动机的。其使用的标准是在普通石油柴油中添加5%的生物柴油。可以预见生物柴油作为一种重要的清洁燃料将在大型汽车行驶中发挥重要作用。 美国是最早研究生物柴油的国家。总生产能力1300，000吨。对生物柴油的税率为0%。美国在黄石公园进行的60万公里的行车实验，没有任何结焦现象，空气污染物排放降低了80%以上。而且使用生物柴油还吸引了附近300公里外的棕熊来到公园。美国B20是采用20%生物柴油的柴油，尾气污染物排放可降低50%以上。1992年美国能源署及环保署都提出生物柴油作为清洁燃料，美国总统克林顿1999年专门签署了开发生物质能的法令，其中生物柴油被列为重点发展的清洁能源之一，国家对生物柴油不收税。日本1995年开始研究用饭店剩余的煎炸油生产生物柴油，在1999年建立了259 升/ 天用煎炸油为原料生产生物柴油的工业化实验装置，可降低原料成本。美研制多功能纳米粒子 制绿色柴油更便宜环保美国能源部下属的艾姆斯实验室的科研人员研制出了一种纳米粒子，能在制造绿色柴油的过程中，身兼二职，且原料为日常生活中常见的铁，这能降低制造绿色柴油的成本并让得到的燃料更环保。最新的制造绿色柴油的方法从已有的制造生物柴油的过程衍生而来，生物柴油通过让脂肪、油和乙醇发生反应而生成；而绿色柴油则由脂肪酸和油的氢化作用生成，其化学组成与普通柴油非常类似。与生物柴油相比，绿色柴油更稳定，能量密度也更高。一般来说，当使用富含游离脂肪酸的原料比如微型藻类油制造生物柴油时，必须首先将会破坏催化效果的脂肪酸分离出来，随后再进行催化反应生成燃料。而我们设计出的多功能纳米粒子则对此过程进行了改进，能将多个反应过程合而为一，让制造过程更迅速，而且得到的是更加环保的绿色柴油而非生物柴油。此前，包括思鲁宁在内的艾姆斯研究团队首次成功地在反应过程中用到了具有双重功能的介孔结构的纳米粒子。这些有序的多孔粒子包含有能捕获游离脂肪酸的胺群以及在脂肪酸变成绿色柴油的过程中充当催化剂的镍纳米粒子。镍是科学研究领域的“香饽饽”，因为其价格仅为传统脂肪酸氢化过程中使用的贵金属(比如铂和钯)的2000分之一左右。