第27卷第1期水產(chǎn)學雜志Vol. 27. No.12014年2月CHINESE JOURNAL OF FISHERIESFeb.2014文章編號:1005-3832(2014)01-0055-05大型海藻發(fā)酵制取乙醇研究淺析于敏’,關(guān)春江2,那杰(1遼寧師范大學生命科學學院,遼寧大連116081;2國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧大連116023)摘要:大型海藻生長速度快、繁殖周期短,不與糧爭地,對其他農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和價格沒有影響,已成為新的生物質(zhì)能源而廣為研究。與傳統(tǒng)的生物質(zhì)能量原料相比,利用大型海藻生物質(zhì)能可以節(jié)約能源消耗,減少氧化碳的排放。世界各國利用大型海藻發(fā)酵制取沼氣、乙醇等生物燃料的硏究取得了較好的成果,為大型海藻生物質(zhì)能的利用提供了理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。利用鼠尾藻發(fā)酵制取乙醇,目前最高產(chǎn)率可達干重的3%目前,將組成復雜的生物質(zhì)高效地降解以及發(fā)酵參數(shù)的控制,是大型海藻發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇過程中的關(guān)鍵技術(shù)。我國大型海藻的栽培和養(yǎng)殖技術(shù)在某些方面處于國際領(lǐng)先水平,是發(fā)展大型海藻生物質(zhì)能的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:大型海藻;乙醇;生物質(zhì)能源中圖分類號:S986.2文獻標志碼:AA Review of Current Research on Production of Ethanol by Sea Weed Fermentationa Jie(1. College ofL ife Science, L iaon ing N orm alU niversity, D alian 116081, China;2. N ational arine E nv ironm en talL onitoring Center, D alian 116023, China)Abstract: A sea w eed as new sources of biom ass energy is characterized by good grow th, short breed ing period no com petitionw ith and for hum an food, and no effecton outputand prices of agricu ltural products. The sea w eed biom ass research has becom e anew direction of biom ass energy research. C om pared w ith the traditional b iom ass energy raw m aterials, the sea w eeds have m anyinclud ing bw energy consum ption, and reduction in carbon diox ide em issions. a good progress on production ofethanol by sea w eed ferm en tation had been m ade in coun tries all over the w orld, w hich prov ides a theory basis and practice bfor the utilization of sea w eed biom ass the ethano l has by far been produced by ferm en tation of sea w eed Sargassum thunberg iiw ith the m ax in al productive rate of 3% in dry w eight a present, the key techno lgy in the process of the production ofethanol isof degradation of com p lex biom ass effic iently and control param eters in the ferm en tation process of the sea w eed. The advan tagesof the sea w eed biom ass energy developm ent in China are derived from the in temational lead ing level of sea w eed cultivation andbreed ing to som e ex tent.Key words: sea w eed; ethano l; biom ass energy中國海洋資源極其豐富,擁有海帶(Lαmiαria得深入探索。大型海藻生物質(zhì)能主要是利用大型海jφ onica Aresch)、亨氏馬尾藻(Sσ sargassum藻發(fā)酵產(chǎn)生乙醇、甲烷等氣體燃料,是一種碳中性hens lowianum. A gard)、鼠尾藻( Sargassum thun-的清潔能源。利用大型海藻進行固碳是一種重要的bergii)、孔石莼(Uπ a pertusa)、刺松藻( Codium frag-海洋生物碳匯途徑。乙醇燃燒徹底、CO2排放較低ile)、小石花菜( ivaricate gelidium thallus)、龍須菜燃燒性能較好,被譽為21世紀的“綠色能源”。世界( Gracilaria lemaneiformis)和蜈蚣藻( Grateloupia fil-各國也都加快了生物燃料的研發(fā)與推廣應用的步icing)等大型海藻資源。我國的生物質(zhì)能開發(fā)政策伐。從理論上推測,利用我國1%的海域培養(yǎng)大型海為¨不與人爭糧,不與糧爭地”。所以利用大型海藻藻就可以產(chǎn)生1.3億t乙醇,可以代替現(xiàn)有20%的進行生物質(zhì)能是一個符合我國國情的發(fā)展方向,值石油需求,減少5.5%的二氧化碳排放1。中國煤化工收稿日期:2013-7-10基金項目:國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室開放基金課題( GCMAC1107)CNMHG作者簡介:于敏(1989-),女,碩土研究生水產(chǎn)學雜志第27卷表2大型海藻作為生物質(zhì)能源的環(huán)境和社會優(yōu)勢1大型海藻與傳統(tǒng)生物質(zhì)能量原料Ta.2 Environmental and social advantages of sea weed的比較productionfor biofuels優(yōu)勢玉米、谷物等可食用的農(nóng)作物是生物乙醇和生溫室氣體大型海藻的培養(yǎng)在海洋中完成,不使用土地物柴油來源的第一代生物質(zhì)原料,但是,會引起糧不增加溫室氣體排放食價格上漲,產(chǎn)品的成本高,還與食用糧食競爭土生物多樣性對底生物多性的影個圍明的,但是地。第二代生物質(zhì)能的原料為不可食用的農(nóng)作物或雜化,生物多樣性有所提高農(nóng)副產(chǎn)物,如青草、玉米秸稈等。大型海藻作為新食物價格大型海藻作為生物質(zhì)能原料的價格低于其作代生物質(zhì)能原料在生物燃料的可持續(xù)生產(chǎn)上具有為食物的價格,生物質(zhì)能的利用不影響其作為食物供應的價格很好的前景。我國的海岸線長,分布著大量暖溫淡水資源大型海藻生長繁殖階段不需要淡水,制取生物帶、亞熱帶、熱帶以及少數(shù)冷溫帶及極少數(shù)北極的燃料時需要適度的淡水大型海藻,資源十分豐富。大型海藻不僅單產(chǎn)高,而且不與農(nóng)業(yè)爭地和爭水,不影響生物多樣性和農(nóng)2大型海藻生物質(zhì)能的相關(guān)研究作物價格。利用大型海藻進行生物質(zhì)能利用,可以2.1大型海藻發(fā)酵生產(chǎn)沼氣節(jié)約能源的消耗、減少二氧化碳的排放;海帶、馬尾不同藻類發(fā)酵產(chǎn)甲烷的潛力不同,其中巨藻含藻等大型海藻生產(chǎn)力高,可大量吸收CNP等生源有豐富的甲烷成分但其自然資源量有限而人工養(yǎng)要素,在海洋生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和減緩富營養(yǎng)化方殖依然是一個難題,如何持續(xù)不斷地提供原材料是面具有重要的作用;發(fā)酵后的海藻還可以作為飼巨藻生物質(zhì)能源開發(fā)中亟待解決的問題。海藻發(fā)酵料。日本瀨戶水產(chǎn)研究所的一項試驗報告表明,將產(chǎn)甲烷是多種微生物聯(lián)合作用的結(jié)果。 Nielsen和海藻發(fā)酵后作飼料添加劑可以提高魚類和貝類對 Heike對江離( gracilaria lemaneiformis)、石莼線病毒的抵抗力這將為海藻碳匯的利用,開辟一條形硬毛藻( Chaetomorpha linum)和海帶進行了厭氧新的市場道路。大型海藻與玉米、甘蔗等傳統(tǒng)的生發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的實驗,發(fā)現(xiàn)這幾種海藻中,海帶最物質(zhì)能原料相比,具有生長快低CO排放和繁殖適合進行厭氧發(fā)酵,如果對原料進行浸漬預處理周期短等優(yōu)點。 Naihao ye等8比較發(fā)現(xiàn),石莼的熱能大幅提高沼氣的產(chǎn)量,如江蘺的沼氣產(chǎn)率提高解溫度低于玉米。表1為幾種海藻與農(nóng)業(yè)廢棄物的11%,石莼提高68%,線形硬毛藻提高17%。熱解溫度與活化能的比較。利用大型海藻生產(chǎn)乙醇22大型海藻發(fā)酵生產(chǎn)乙醇比利用陸生植物為原料生產(chǎn)乙醇在環(huán)境和社會方生物質(zhì)進行微生物發(fā)酵可以得到液體燃面也有很大的優(yōu)勢(表2)9料——乙醇。巴西和美國從包含淀粉和蔗糖的生物質(zhì)中生產(chǎn)乙醇已經(jīng)達到了頂尖的科技水平。巴表1海藻與農(nóng)業(yè)廢棄物的降解溫度與活化能的比較西的生物乙醇產(chǎn)品主要以甘蔗為原料,而美國和Tab. I The comparison of degradation temperature and些歐洲國家則主要以玉米、谷物為原料。以大型海activation energy between sea weeds and agricultural by-products藻為生物質(zhì)來源的生物乙醇,不需要土地作為基礎(chǔ),可持續(xù)生產(chǎn)生物燃料。 Khambhat等將做成生名稱降解溫度(C)活化能(KJm)參考文獻物肥料后的長心卡帕藻( Kappaphycus alvarezii)殘玉米秸稈200~408153.0渣進行糖化發(fā)酵,然后再用釀酒酵母發(fā)酵,乙醇的稻殼25~35079.9棉花秸稈480~63040.84l產(chǎn)率為還原糖的80%。這種海藻生產(chǎn)乙醇和生物肥向日葵秸稈300~600[12料可替代以土地為基礎(chǔ)的生物乙醇。馬尾藻的甘露海帶192~372[13石莼1823~316148.78醇含量可達10%~20%,具有很大的應用前景海蒿子172~41420293Wargacki等利用微生物酶解法,通過整合過程直174~551接從褐藻中得中國煤化工立生0.281g海藻酸鈉204~285188.113乙醇,從理論CNMH菜中糖的利用率達80%。2012年丹麥諾維信公司與卬度SEA61期于敏等:大型海藻發(fā)酵制取乙醇硏究淺析ENERGY公司達成研發(fā)協(xié)議,共同開發(fā)基于海藻生發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇中的主要關(guān)鍵技術(shù)。大型海藻中產(chǎn)生物燃料的技術(shù)。該項研究將用酶的生物催化技含有豐富的多糖,紅藻的細胞壁中含有的主要多糖術(shù),使基于海藻的碳水化合物轉(zhuǎn)化成糖,經(jīng)發(fā)酵生有瓊膠(半乳聚糖)、卡拉膠(乳糖膠)、木聚糖及單產(chǎn)乙醇,用于制取燃料、精細化學品、食用蛋白質(zhì)和糖甘露糖等。褐藻中含有褐藻糖膠、褐藻淀粉、褐藻肥料等。日本東京水產(chǎn)振興會計劃利用養(yǎng)殖的馬纖維素。甘露醇是褐藻的共有成分,經(jīng)發(fā)酵可以轉(zhuǎn)尾藻屬藻類,年生產(chǎn)乙醇400萬t為乙醇。甘露醇在褐藻中的含量比較高,如馬尾內(nèi)田基晴在博士論文中采用多菌種混合發(fā)酵藻中甘露醇的含量可達10%~20%,具有很好的應并添加纖維素酶的方法對22種大型海藻進行了發(fā)用前景。所以,將大型海藻中的多糖進行有效地降酵實驗,7d發(fā)酵結(jié)果如表3所示解,是提高乙醇產(chǎn)率的重要技術(shù)方向。目前提高多現(xiàn)階段利用鼠尾藻發(fā)酵生產(chǎn)乙醇,乙醇產(chǎn)率最糖水解效率的方法有酶解、酸解、堿解、髙壓處理高可達鼠尾藻干重的3%。鼠尾藻在我國沿海均有等。吳信等α系統(tǒng)硏究了海帶渣中多糖的水解,發(fā)分布,藻體含氣囊,適于遠海養(yǎng)殖。鼠尾藻不僅可以現(xiàn)單獨使用超高壓技術(shù)和堿處理并不能使海帶渣作為生物質(zhì)能源的原料,而且可以固碳,減緩溫室多糖降解,而超髙壓酸解一酶解聯(lián)合水解為最佳水效應,每公頃養(yǎng)殖的鼠尾藻毎年可吸收碳元素解方案,在最優(yōu)工藝條件下海帶渣多糖的水解率可1245kg,吸收氮元素126kg,換算為吸收CO24556kg,高達85.16%。因此采用多種方式聯(lián)合水解是提高多吸收NO3558kg。由此可見,鼠尾藻是進行富營養(yǎng)化糖水解效率的新途徑。海域環(huán)境修復的理想藻類。鼠尾藻還含有豐富的3.2發(fā)酵過程中參數(shù)的控制褐藻多酚、多糖類等活性物質(zhì),在醫(yī)藥、保健、化工除了將生物質(zhì)高效降解外,發(fā)酵過程中溫度、等行業(yè)中具有廣泛的應用潛力。pH等參數(shù)的控制對提高乙醇產(chǎn)率也很重要。每種3提高乙醇產(chǎn)率的技術(shù)關(guān)鍵發(fā)酵微生物在一定的發(fā)酵條件時都有一段適宜的發(fā)酵溫度范圍,發(fā)酵微生物的種類不同,所含有的3.1提高多糖的水解效率酶不同,酶的作用溫度也不同。有些發(fā)酵微生物,如將組成復雜的生物質(zhì)高效地降解是大型海藻釀酒酵母,對于溫度的變化十分的敏感,尤其是高表3不同種類的大型海藻發(fā)酵的結(jié)果Tab. 3 The fermentation of different species of sea weeds分類藻類名稱初始pH7d后pH乳酸生成量(g/100mL)乙醇生成量(g/00mL)紅藻門線形杉藻 Chondracanthus tenellus江蘺 Gracilaria vermiculophylla4.0+(0.31)+(0.23)長枝沙菜 Hypnea charoide6.4+(0.22)+(0.16)擬雞毛菜 Pterocladia capillacea(0.12)+(0.08)狹枝盾果藻 Prionitis angusta3.8+(0.17)叉開盾果藻 Prionitis divaricata+(0.41)石花菜 Gelidium linoides+(0.12)彎曲江蘺 Gracilaria incurvata4.0(0.25)+(0.12)褐藻門樹狀團扇藻 Padina arborescens+(0.08)林氏馬尾藻 Sargassum ringgoldianum5.0±(0.01)+(0.04)紡錘形鹿尾菜 Hizikia fusiformis5.4±(0.01)+(0.24)鐵釘菜 Ishige okamurae4.9±(0.01)+(0.10)厚緣藻 Dilophus okamurae0.04)羽葉藻 Eisenia bicyclis4.2+(0.03)裙帶菜 Undaria pinnatifida(整體,商品)+(0.38裙帶菜 Undaria pinnatifida(整體).9+(0.18)+(0.07)裙帶菜 Undaria pinnatifida(梗)3.5+(0.25)海帶 Laminaria japonica綠藻門石莼 Ulva sp.(橫濱產(chǎn)地1)中國煤化工0155.6石莼 Ulva sp.(橫濱產(chǎn)地2)CNMH G(O.41)維管植物大葉藻 Zostera marina+(1.14)+(0.26)水產(chǎn)學雜志第27卷溫,當溫度超過50%℃時,不適合釀酒酵母細胞的生參考文獻長,抑制了酶的反應活性。所以找到適宜的發(fā)酵溫度范圍,對提高發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率至關(guān)重要。pH對發(fā)酵[1]任小波吳園濤向文洲,等海洋生物質(zhì)能研究進展及其液中各種酶的活性影響很大,pH過高或過低都影發(fā)展戰(zhàn)略思考[J地球科學進展,2009,24(4):403-409響酶和微生物的活性而抑制發(fā)酵,除了以上提到的[2 Naira Quintana, Frank Van der Kooy, Miranda D, et al. Re-影響因素外,發(fā)酵時間也影響最終產(chǎn)物的生成,如newable energy from Cyanobacteria: energy production op-timization by metabolic pathway engineering[J]. Appl Mi-果發(fā)酵時間太短,微生物還沒有大量進入發(fā)酵期,robiol biotech.01.91(3):471-490營養(yǎng)物質(zhì)沒有被充分利用。而如果發(fā)酵時間過長,[3] Chisti. Biodiesel from microalgae. Biotechnol adv,2007,則會產(chǎn)生一些發(fā)酵副產(chǎn)物,而且酶的活性也會下25(3):294-306.降,最終導致發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率下降。[4 Chisti Y. Biodiesel from microalgae beats bioethanol [J]3.3發(fā)酵副產(chǎn)物對乙醇產(chǎn)率的抑制Trends Biotechnol. 2008. 26(3): 126-131發(fā)酵產(chǎn)物對于發(fā)酵微生物會產(chǎn)生產(chǎn)物抑制機5 Griffiths M J and Harrison S T L. Lipid productivity as a制,如利用釀酒酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時,當乙醇的濃key characteristic for choosing algal species for biodiesel度達到5%以后,開始抑制釀酒酵母細胞的生長。production[ J ]. J Appl Physiol, 2009, 21(5 ) 493-507[6 Mata T M, Martins A A, Caetano N S. Microalgae fo些發(fā)酵副產(chǎn)物如甘油、甲醇、CO2等,不僅抑制發(fā)酵biodiesel production and other applications: a review [J微生物,而且會降低乙醇的產(chǎn)量。甘油是乙醇生產(chǎn)Renew Sustain Energ Rev, 2010, 14(1): 217-232.過程的主要副產(chǎn)物,它的生成會消耗4%~10%的總[7]張平遠海藻發(fā)酵飼料可提高魚貝抵抗力J世界農(nóng)業(yè),碳源。所以,降低發(fā)酵副產(chǎn)物的產(chǎn)量也是提高乙醇2007(8)產(chǎn)率的關(guān)鍵之[8 Ye N, Li D, Chen L, et al. Comparative studies of the py-34其它方法lytic and kinetic characteristics of maize straw and the還可以通過基因工程技術(shù),在基因水平上對藻seaweed Ulva pertusa[ J] PLOS ONE, 2010, 5(9):e12641類的基因做修飾來提高海藻發(fā)酵時產(chǎn)生生物燃料[9 Adam D Hughes, Maeve S Kelly, Kenneth D Black, et al.的產(chǎn)率。另有研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌發(fā)酵后的海帶Biogas from macroalgae: is it time to revisit the ideaBiotechnology for Biofuels, 2012, 5(1): 86富含豐富的y-氨基酪酸,可以減緩酒精積累帶來[10 Sharma a and raoT R. Kinetics of pyrolysis of rice husk的毒害作用。[J. Bioresource Technology, 1999, 67(1): 53-59展望[11 Xiu S, Li Z, Liristics ofbiomassat flash heatingrate[J). Fuel, 2006, 85(5 ) 664-670我國擁有得天獨厚的海洋資源,要充分合理地12] Zabaniotou A a, KantarelisE K, Theodoropoulos D C開發(fā)利用,造福子孫后代。隨著化石燃料的逐漸枯Sunflower shells utilization for energetic purposes in an竭,相信在不久的將來生物質(zhì)能來源的燃料或其它tegrated approach of energy crops: Laboratory study py-形式的燃料可能會取代化石燃料在當今社會中的rolysis and kinetics[J ]. Bioresource Technology, 2008, 99地位。目前需要解決的技術(shù)難題為提高大型海藻中[131iDM. Chen L M,yix.eal. Pyrolytic characteristic多糖的水解率,以滿足提高乙醇產(chǎn)量的需求。鼠尾and kinetics of two brown algae and sodium alginate[ J藻等大型海藻是海底樹林,對于維持海洋生態(tài)環(huán)境Bioresource technology, 2010, 101(18): 7131-7136的平衡具有重大的意義,大量收割對海洋生態(tài)系統(tǒng)14]LiDM, Chen L m, Zhaoj s,etal. Evaluation of the py也有影響,所以提高鼠尾藻等大型海藻的人工育苗rolytic and kinetic characteristics of Enteromorpha prolif-技術(shù),使其大量進行遠海養(yǎng)殖對于大型海藻的生物era as a source of renewable bio-fuel from the yellow sea質(zhì)能發(fā)展極其重要。我國在大型海藻栽培和養(yǎng)殖的of China[J]. Chemical Engineering Research and desig某些方面達到國際領(lǐng)先水平,積累了一批具有高產(chǎn)10,88(5-6):647-652能前景的藻種資源,儲備了有關(guān)技術(shù)和人才,成為[15] Nielsen h B and Heiske S. anaerobic digestion ofcH中國煤化工hibition我國發(fā)展大型海藻生物質(zhì)能的基礎(chǔ),也是我國發(fā)2011,64(8)展大型海藻生物質(zhì)能的優(yōu)勢1723-1CNMHG1期于敏等:大型海藻發(fā)酵制取乙醇硏究淺析59·[l6]丁蘭平,黃冰心,謝艷齊中國大型海藻研究現(xiàn)狀及存[22]趙冬至,馬志華,關(guān)春江,等中國典型海域赤潮災害發(fā)在的問題[J生物多樣性,2011196):798-804生規(guī)律[M]海洋出版社,北京,2010:30217] Khambhat Y, Mody K, Gandhi Mr,etal. Kappaphycus[23]陳姍姍,潘詩翰,董蓉.褐藻燃料乙醇研究進展及其應alvarezii as a source of bioethanol [J].Bioresour Technol用前景[J]中國釀造,2011(4:11-152012,103(1):180-18[24]吳信,王志朋,付曉婷,等.利用海帶渣制備燃料乙醇關(guān)鍵[18 Wargacki A J, Leonard E, Win M N, et al. An engineered技術(shù)的研究[Z].[2012-12-11中國科技論文在線,htpmicrobial platform for direct biofuel production from brownvww paper.edu. cn/releasepaper/content/201212-196macroalgae[ J]. Science, 2012, 335(6066 ): 308-3[25 Randor Radakovits, Robert E Jinkerson, A l Darzins, et al[19]邵秀永.焦爐煤氣的回收與利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]Genetic engineering of algae for enhanced biofuel produc-河北化工,201235(2):14-15tion[ J]. Eukaryotic Cell, 2010, 9(4): 486-501[20]滕利平,關(guān)春江林風翱日本對大型海藻發(fā)酵制取乙[26] Chaj y, Jeong jJ, Yang H j,etal. Effect of fermented sea醇的研究[J現(xiàn)代漁業(yè)信息,2009,24(9):23-24.tangle on the alcohol dehydrogenase and acetaldehyde de-[21 Motoharu UCHIDA. Studies on lactic acid fermentation ofhydrogenase in Saccharomyces cerevisiae[ J.J. Microbiolseaweed [J]. Bulletin of Fisheries Research Agency, 2005biotechnol,2011,21(8):791-79514:21-85《中國漁業(yè)質(zhì)量與標準》征訂啟事《中國漁業(yè)質(zhì)量與標準》是由農(nóng)業(yè)部主管、中國水產(chǎn)科學研究院主辦的學術(shù)刊物本刊宗旨是:刊載我國漁業(yè)領(lǐng)域質(zhì)量安全和標準等方面的政策法規(guī)、技術(shù)資訊及研究成果,搭建漁業(yè)質(zhì)量與標準工作溝通交流的平臺,提高漁業(yè)質(zhì)量和標準水平,促進漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展。主要收錄水產(chǎn)品質(zhì)量安全研究和標準硏究等方面的具有創(chuàng)新性和學術(shù)價值的硏究論文、綜述等。內(nèi)設(shè)欄目包括質(zhì)量安全監(jiān)管、標準硏究、風險評估、檢驗與檢測、質(zhì)量認證、環(huán)境質(zhì)量、生產(chǎn)過程質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量、病害與漁藥等。本刊現(xiàn)為雙月刊,大16開,每逢雙月出版,自辦發(fā)行,每期定價18元,全年價108元,加郵費全年定價共計120元。凡需訂閱本刊者,可直接與編輯部聯(lián)系征訂。本刊地址:北京豐臺區(qū)永定路南青塔150號《中國漁業(yè)質(zhì)量與標準》編輯部郵編:100141電話:010-68690728聯(lián)系人:孟娣熱忱歡迎廣大讀者征訂本刊,并向關(guān)心、關(guān)注本刊發(fā)長的廣大作者、讀者致以衷心的感謝!《中國漁業(yè)質(zhì)量與標準》編輯部中國煤化工CNMHG