《医学影像在内分泌专业的应用综述》

影像医学是借助医学影像设备对人体或人体某部分进行检查的一门科学，如放射学科、心血管病学科、神经系统学科等。目前常用的影像医学技术有X线成像检查[ 包括X 线片(Radiography)、心血管摄影(Cardiacangiography)、血管摄影(Angiogra)等]、CT 成像检查[包括普通 和螺旋CT]、核磁共振成像、超声成像、内视镜(Endoscopy)、单一光子发射电脑断层扫描(SPECT/CT)、正子发射电脑断层扫描(PET/CT)、热影像技术(Thermography)、光声成像技术(Photoacousticimaging)、显微镜(Microscope)、萤光血管显影术esceinangiography)]等。近年来影像医学发展非常迅速，影像医学设备不断更新，检查技术不断完善，特别是科学的融入，使影像医学如虎添翼，增添了活力，丰富了内容。医学影像在内分泌专业也得到广泛的应用。 1 影像学技术在甲状腺疾病诊断中的应用和进展 超声具有简便、经济、高敏感性的优点，是甲状腺疾病较常规的检查方法之一。常规B 超是早期运用于甲状腺疾病的检查方法，其主要用于观察甲状腺组织内有无病变存在，明确病变的数目、大小、分布是否规律、边界是否清楚、形态是否规整、有无包膜、内部回声强弱、有无钙化灶等，彩超主要用于评估甲状腺病变及其周围的血流情况，二者结合

为甲状腺疾病的诊断提供了更多的依据。

CT 是当前用于检查甲状腺良恶性结节的最常用的影像方法之一，并可鉴别其良恶性。常规检查方法包括CT 平扫、增强。特别是近年来逐渐普及的多层螺旋CT 具有密度分辨力高、三维成像及多方位成像等优点，可清晰显示甲状腺良恶性结节的形态、大小、数目、密度、边缘及与正常组织的解剖关系，有无淋巴结转移，尤其对甲状腺病变内的钙化灶及良恶性钙化有很高的敏感性，可为术前评估提供更多信息。结节或肿块边界不清、密度不等及有无淋巴结肿大转移是判断恶性结节和肿块的三个基本点，细颗粒状钙化是诊断甲状腺癌的特征性表现。良恶性结节在常规CT 平扫和增强检查上的表现具有一定的重叠性，例如甲状腺腺瘤内出现出血、囊变、坏死导致结节或肿块边缘不清、密度不等、强化不均匀时，易与甲状腺癌混淆，因此常常需要进一步检查鉴别。超声弹性成像是一种新型超声检查和诊断技术，能够研究常规超声无法探测的结节或肿块及扩散性疾病的成像，弹性成像技术可显示组织硬度的图像，即关于病变的组织特征的信息，因为其成像基础是组织硬度或弹性与病变的组织病理密切相关，所以可根据不同组织间的硬度或弹性差别来鉴别组织的良恶性[1]。

MＲI 具有无辐射、软组织分辨率高及多方位、多方法成像等特点，除了能更好地显示甲状腺病变自身特点外，对

发现结节和肿块有无侵犯邻近组织器官及颈动脉鞘有无肿大淋巴结转移有重要价值，并且适用于无法承受CT 增强成像的病人。良性甲状腺结节多为孤立或多发性圆形或类圆形，形态规整，包膜完整，边界清晰，有团状或斑状钙化，T1WI 多以稍低或等信号为主，增强后均匀强化，包膜可呈环形强化; T2WI 呈混杂高信号; 而甲状腺乳头状癌T1WI多以低信号为主，呈不均匀强化，T2WI 为混杂高信号。MＲI 对甲状腺内＞ 1 cm 的病灶较敏感，而对于≤1 cm 的微小病变则极易误诊或漏诊; 对钙化尤其是微小钙化显示不如CT[2]。

2 影像学技术在垂体疾病诊断中的应用和进展

垂体瘤是常见的鞍区肿瘤, 约占颅内肿瘤的10%。随着各种检查手段的综合应用, 特别是CT 和MRI 的问世, 使垂体瘤的检出率及诊断准确性越来越高。

X 线DR 平片诊断垂体瘤特异性不高, 只有瘤体长到相当大的程度时, 才能引起蝶鞍的形态及骨质改变。其主要表现为蝶鞍的膨隆、扩大及前后径、深径增大, 鞍底的下陷, 鞍背竖起及鞍结节的变尖。除上述形态改变外, 还可有不同程度的骨质变化, 表现为骨质受压、吸收、破坏。DSA 不是常规方法, 它当前只是对鞍区病变疑是血管瘤时进行, 它本身也是一种有创伤性的检查[3]。

CT 大腺瘤多呈圆形、椭圆形实性肿块, 其CT 值与脑组

织相似, 有包膜, 边缘光滑、锐利, 密度多较均匀, 由于坏死、囊变、出血等致密度不均, 增强后除坏死、囊变、出血及钙化外, 整个肿瘤均有强化, 速度慢于正常垂体组织, 但持续时间长。CT 诊断微腺瘤必须薄层扫描, 一般平扫很难发现, 主要依靠增强快速或动态扫描, 一般认为垂体次级毛细血管床的移位, 即“丛征”是诊断微腺瘤的重要征象

[4]。

MRI 大腺瘤在T1 加权像上多为中低信号, T2 加权像上呈不同程度的高信号。有的肿瘤向上生长穿破鞍隔进入鞍上池时, 局部形成窄颈, 瘤体可呈明显葫芦形, 有人将之称为“腰征”, 并认为是鉴别于鞍上脑膜瘤的要点之一。MRI 在显示瘤体及其侵袭性方面有优越性, 能辨明瘤体与视神经、视交叉及视束的解剖关系; 矢状位可显示大脑前动脉、视交叉移位及肿瘤是否向后方生长; 冠状位可显示视交叉上移和肿瘤侵袭侧方海绵窦使之变形的征象。

CT 和MRI 为显示垂体瘤较好的方法, 可清楚显示病变及邻近组织关系, CT 诊断微腺瘤主要依靠增强及动态扫描，显示病灶及垂体柄次级毛细血管床受压移位。MRI 检查不但具有无创性、软组织的对比度好、无骨质伪影及多维观察优点, 还能为外科手术提供依据, 术前都要做MRI 检查。因此, CT 检查可作为健康体检的筛选方法。我们对于垂体瘤的诊断, 除了形态学改变及内分泌检查外,MRI 行Gd- DTPA 增强

扫描不失为一好方法, 其对比度和敏感性均高于MRI 平扫和CT 增强扫描。

3 影像学技术在肾上腺疾病诊断中的应用和进展

肾上腺肿瘤的诊断主要依靠影像学检查、内分泌实验检查等。影像学检查发现肿瘤并准确定位是手术成功的关键，最常见的影像学检查方法是CT和磁共振。

常规CT平扫主要是通过观察肾上腺肿瘤的形态及测量不同肿瘤的密度来鉴别肿瘤的性质，CT检查对于脂肪含量较少的肿瘤，难于恶性肿瘤的鉴别，且无法诊断功能性肿瘤或无功能性肿瘤。增强CT检查是通过注射造影剂后计算机增强对比剂廓率等指标来鉴别肿瘤的性质，但存在一定风险，不适用于过敏体质人群［５］。

MRI检查具有较高的软组织分辨力及多参数、多方位、多序列成像等特点，CT检查对于体积较大、与周围结构分界不清的肾上腺肿瘤定位诊断困难时， MRI可利用多方位扫描的优点，与来源于肝、肾的肿瘤相鉴别，MRI对于肾上腺肿瘤良恶性鉴别诊断的准确性与CT相当，且无辐射。MRI化学位移同相位、反相位成像利用肿瘤信号强度指数计算等量化分析肿瘤成分，MRI动态增强通过造影剂的廓清率来鉴别肾上腺肿瘤的性质，但MRI检查时间长，价格较高，一般不做为常规检查。

超声造影技术是近年来超声医学的新技术，客服了传统

能量和彩色多普勒超声的局限性，提高了传统超声对血流的探测能力，可以显示肿瘤组织内的滋养血管结构，并能动态观察病灶的增强过程，有效反映其血流动力学变化，同时由于造影剂在低机械指数状态下可以长时间保持稳定，使操作医师可以在一定时间内实时观察造影剂进入和消退的完整过程，容易捕捉到造影过程中稍纵即逝的动态变化特征，能更好的显示肾上腺肿瘤的血流灌注情况，同时安全方便、注射量少于CT/MIR造影剂，为临床肾上腺肿瘤定性诊断提供了新的影响学检查方法［５］。

［1］ 陈岳峰，丛淑珍，王煜，等． 超声弹性成像鉴别诊断实性甲状腺良、恶性小结节［J］． 中国医学影像技术，2012，28 ( 12 ) :2149-2151．

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［3］杨东奎, 郑雷等。垂体瘤的影像学诊断及评优［J］．医械临床，2008，,2（1）89

［４］Davis PC. MR imaging of pituitary adenoma:CT, clinical,and

8:107- 112. surgicalcorrelation[J].AJNR, 1987,

［５］刘洪超. 肾上腺腺瘤与非腺瘤的鉴别:平扫和5min短时动态增强CT联合方案[J]. 国际医学放射学杂. 2009(02) ［６］范瑾等，超声及超声造影诊断肾上腺肿瘤的临床价值研究

第二篇：前沿综述

微藻产油综述

福建师范大学生命科学学院 生物技术专业

108032008082 罗骥 指导教师：李敏

【摘 要】 微藻含油脂量高，生长速度快，并且其养殖不占用耕地，还能有效地捕获二氧化碳,有助于减少温室气体排放和改善气候变化，是制备生物柴油的最佳原料。目前，阻碍微藻生物柴油成为商业化燃油的主要瓶颈是成本高。传统的油脂提取和酯交换制备生物柴油工艺复杂，产物纯度低和产生大量废水都是导致高成本的重要因素。本文将主要介绍利用微藻制备生物柴油的研究技术，并展望如何经济环保地制备高纯度微藻生物柴油的发展方向。

【关键词】 微藻；生物柴油；非均相催化剂；超临界

Abstract Microalgae have high oil content and grow rapidly. Unlike other oil crops, microalgae will not compete with food crops for arable land. Cultivation of microalgae can also effectively sequester CO2 which in turn reduces greenhouse gas emissions and global warming effects, therefore it is a great source of feedstock for biodiesel. Significant hurdle has to be overcome however before commercialization of algae biodiesel is its high operational cost. Process complicity in traditional lipid extraction and transesterification to biodiesel, low in product purity and result in large amount of waste water are some of the causes to high cost. Therefore how to economically and environmental friendly produce high quality biodiesel from microalgae is our main research focus.

Keywords microalgae; biodiesel; heterogeneous catalyst; supercritical

1 引言

近年来，随着全球经济的快速增长，石油和煤炭等化石能源的消耗大幅度上升，化石能源短缺危机已迫在眉睫，对生物质能等可再生能源的关注渐成热点。生物柴油主要以玉米、大豆等农作物为主要生产原料，是摆脱对传统石化能源依赖、减少温室气体排放的替代能源。生物柴油是典型“绿色能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。与常规柴油相比，生物柴油具有下述无法比拟的性能：

(1) 优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油；由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与柴油相比明显减少。

(2) 较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点达-20℃。

(3) 较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。

(4) 较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。

(5) 良好的燃烧性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。

(6) 可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。

(7) 使用方便。无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。

然而传统生物柴油主要以玉米、大豆等农作物为原料，导致了对农作物的大量需求，而且，大规模改种生物柴油农作物最大的隐患在于“与粮争地”，导致粮食价格上涨。因此，积极寻找新的生物质能原材料，以缓解目前的粮食和能源危机已成为世界各国高度关注的问题。在众多的可提取生物柴油的材料中，微藻具有分布广泛、光合效率高、生长周期短、产量高、油脂含量高、环境适应能力强且不占用耕地等特点[1]。另一方面，微藻的生长能够减少二氧化碳和硫化物等气体的排放。利用微藻生产生物柴油具有广阔的发展前景，微藻生物柴油很可能成为未来最重要的可再生能源之一。

表1 几种生物柴油原料比较

2 微藻生物柴油

19xx年，美国能源部可再生能源国家实验室开始养殖微藻生产生物燃料项目Aquatic Species Program(ASP)的研究，研究内容从微藻筛选、微藻生化机理分析、工程微藻制备到中试。该项目持续到19xx年，在实验室研究的基础上，研究人员在美国加利福尼亚州、夏威夷州、新墨西哥州等地进行了中试放大。中试装置运行了一年，可获得高达0.05 kg/(m2d)的工程微藻，微藻含油量达到40~60％。1978~19xx年累计投入科研经费2505万美元[2]。由于油价上涨，20xx年底美国能源部又将这个中断了11年之久的项目重新启动。

微藻种类繁多，广泛分布于淡水和海水中。全球已经鉴定的微藻大约有40000种，而且其数量还在不断增加[2]。微藻的生长速率远远高于陆生作物，一般微藻在24h内其生物量就可以加倍，在指数生长期的生物量倍增时间一般为3.5h。微藻能用海水培养，能耐受沙漠、干旱地、半干旱地等极端环境，不占用耕地，因此不会对粮食作物的生产构成威胁。与传统的大豆、玉米等生物柴油原料相比，微藻占地面积明显减少。如表 1所示[3]，当微藻含油量为30%时，每年每公顷种植面积能生产58700L油，满足美国50%的交通用油需求仅需要美国耕地的2.5%，而玉米每年每公顷种植面积只能生产172L油，满足美国50%的交通用油需求

却需要美国现有耕地面积的8倍多。

图 1 利用微藻生产生物柴油和产品的综合利用工艺

微藻可利用阳光、盐水、氮、磷和二氧化碳等生产蛋白质，糖类和脂类物质。经过迅速生长阶段后，限制营养物，许多微藻便停止生长和分裂，并利用其全部能量让类脂物变成储存产物，供存活用。细胞中积累相当量的类脂物后，收获微藻，通过抽取工艺，抽取出脂类物，通过酯交换工艺生产生物燃料。其综合工艺流程如图1所示[4]。提取脂类物以后的残余物，富含碳水化合物和蛋白质等物质，可以作为食物和饲料，也可以进行厌氧消化，生产乙醇、甲烷等生物燃料。将藻类培养与电厂资源相结合，利用电厂排放的CO2来培养微藻，制备的燃料供电厂使用，可进一步降低生产成本。

4 提高微藻油脂总产量的方法

提高微藻油脂总产量的根本思路是提高细胞油脂合成途径相关酶的总活力,并通过代谢调控使代谢中间物更多地分流到油脂合成途径[9] ,在生物量和细胞含油率之间寻求平衡乃至从根本上解决生长率和含油率之间的矛盾,以获得最多的油脂产量(油脂产量=含油率×生物量) 。目前主要有两种方法:优化培养法和基因工程法。

4. 1 优化培养法

优化培养是以实验藻种现有的代谢体系为基础,通过创造一种生理压力(如氮源短缺等逆境条件)来调整代谢流适当向油脂合成方向转换[9] ,是从生理生化水平对微藻进行代谢调控来增加油脂总产量。

4. 1. 1 优化培养法增油脂的技术手段

优化培养法增油脂主要通过优化营养供应和培养环境、采用最佳培养方式和培养流程等技术

[11]手段来进行。研究者通过对碳源、氮源、磷源、铁离子、硅等的种类或供应量的优化,摸

索出利于微藻产油的营养条件; 通过对培养液的pH值、光照强度、温度、盐度等环境条件的优化,总结出适于微藻产油的最佳培养环境;通过对分批培养、分批补料培养、半连续培养、连续培养, 静置培养、通气培养,单一藻种培养、多种藻混合培养 ,两步培养法等多种培养方式的摸索,选择适合微藻产油的最佳培养方式。

4. 1. 2 优化培养法的局限性 以现有的藻种为基础进行微藻的优化培养,仅仅是在生长率和含油率之间求得平衡,没有彻底摆脱高生长率和高含油率不可兼得的两难困境,不能从根

本上解决生长率和含油率之间的矛盾,因此对微藻油脂产量的提升能力有限,而且很可能大大增加生产流程的操作复杂度。

4. 2基因工程法

基因工程法增油脂是指通过对微藻油脂合成相关途径关键基因的操作,从分子水平化解高生长率和高含油率之间的矛盾,以构建出能够快速积累油脂的工程微藻藻株。目前,研究者主要通过两个方面的基因操作来提升油脂合成能力[9] : ( 1)超表达与油脂合成直接或间接相关的关键酶; (2)阻断与油脂合成途径竞争中间代谢物的其他途径的关键酶。微藻与其他高等植物的脂肪酸及甘油三酯合成途径基本相同 ,仅在酶的结构组成及细胞定位等方面稍有差异[9]

细胞中TAG的全合成途径包含三个主要步骤: (1)乙酰辅酶A 羧化形成丙二酸单酰辅酶A(由ACC催化) ,这通常是脂肪酸合成的限速步骤; (2)酰基链的延长(由FAS催化) ; (3) TAG的形成(由酰基转移酶GPAT、LPAT、DGAT催化) 。与TAG全合成密切相关的其他途径主要是: ( 1)三羧酸转运体系(关键酶为ACL、ME等) ; ( 2)由PEPC把PEP催化为草酰乙酸的途径(关键酶为PEPC)。目前尚无通过基因工程法使微藻大量生产油脂的成功案例,但在其他一些生物中已经进行过很多转基因增油脂的实验且有不少成功案例,这对于微藻的转基因增油脂工作具有重要的借鉴作用。

4. 2. 1 超表达与油脂合成直接或间接相关的关键酶

乙酰辅酶A羧化酶(ACC) :鉴于ACC对脂肪酸合成途径代谢流的重要调控作用, ACC被转入到很多不同物种中超表达以求增加油脂产量。ACC于1990 年首次由Roessler从微藻Cyclotella cryptica中分离出来,并由Dunahay 等成功转入硅藻C. cryptica 和N avicula saprophila中,尽管ACC的表达量增加了2～3倍,但是油脂积累量并无显著增长,这开创了基因工程法促进微藻增油脂的先河。拟南芥编码ACC的基因被转入到油菜中,ACC表达量增加1 ～2 倍,而重组体的脂肪酸含量仅仅增加了6%。E. coli BL21 与ACC编码相关的4 个基因accA、accB、accC、accD 被转入同一株大肠杆菌中超表达,使脂肪酸合成速度上升了6倍,但油脂生产量上升有限。这些结果表明,单单超表达ACC可能不足以提高硅藻中总的脂质合成能力原因可能是: (1)ACC催化的步骤在某些特定物种中并非真正的限速步骤; ( 2)第二个限速步骤,或曰第二个瓶颈,在ACC超表达之后开始显现[9] 。可见, ACC对油脂合成的限制程度在不同微藻中可能差异很大。

酰基辅酶A: 二酯酰甘油酰基转移酶(DGAT) :DGAT催化TAG合成的最后一步反应。拟南芥、酵母及烟草中超表达DGAT皆使TAG含量大幅提升,原因可能是: DGAT的底物二酯酰甘油既可以分配到磷脂合成途径,亦可以分配到TAG合成途径,超表达DGAT可以使更多的二酯酰甘油分配到TAG合成途径中而不是形成磷脂[9]。这些结果似乎显示:DGAT催化的反应是脂质合成中的重要限速步骤。

苹果酸酶(ME) :苹果酸酶ME催化苹果酸转化为丙酮酸并同时将NADP+还原为NADPH,研究发现超表达ME而增多的NADPH供应会被TAG合成途径有效利用并导致油脂产量的上升。

柠檬酸裂合酶(ACL) :柠檬酸裂解酶ACL催化柠檬酸转化为乙酰辅酶A和草酰乙酸,因此代表了脂肪酸合成的乙酰辅酶A库。已经证明,ACL是哺乳动物、含油酵母和真菌中油脂积累的一个关键酶[9]。

4. 2. 2 阻断油脂合成的竞争途径

由PEPC催化的将PEP催化为草酰乙酸的途径: 根据陈锦清的“底物竞争”理论,ACC和PEPC的相对活性影响着脂类合成途径的原料供应量: PEPC会催化磷酸烯醇式丙酮酸( PEP)羧化为草酸乙酸进入氨基酸生物合成途径,因而导致分流到脂肪酸合成方向的PEP减少,脂肪酸合

成量降低;故抑制PEPC活性有助于使进入脂肪酸合成途径的丙酮酸(由PEP脱羧产生)增多,为脂肪酸合成提供更多原料。有三个物种通过PEPC基因沉默试验使油脂含量得以不同程度的提升: (1)甘蓝型油菜:含油量提升6. 4% ～18% ; ( 2 ) 大豆: 油脂含量显著提高; (3)聚球藻:初步结果显示PEPC参与脂肪酸积累的调控, 减弱的PEPC 活力与脂质含量的升高相关。 β2氧化途径:β2氧化是真核细胞中脂肪酸降解的主要代谢途径,它会消耗细胞内的脂肪酸,而脂肪酸是TAG合成的前体,因此,通过阻断这条途径有可能提高TAG的产量。Cao 等研究结果表明部分阻断β2氧化能促进假丝酵母的二羧酸(一种短链脂肪酸)生产,然而完全阻断转运系统则会对细胞的能量供应有害。

此外,鉴于转基因增油脂“第二瓶颈”的出现,一些研究者提议超表达一个以上TAG合成途径的关键基因来提高油脂产量。然而,这种策略的可行性鲜有文献报道,可能是由于多基因操作有困难[9] 。

采用基因工程手段,培育出遗传稳定、生长迅速的微藻产油株系,以此为基础构建起较为简单的培养流程并因而降低生产成本,这是促使微藻生物柴油迅速工业化生产的最关键问题。虽然通过基因工程法促使微藻大量生产油脂尚未成功,但是油料作物如大豆、油 菜中的成功案例使我们看到了希望。

微藻的培养系统

微藻能源利用的最大瓶颈为微藻原料的获得。高密度、高效率、低成本、易放大的培养系统是微藻能源领域的研究重点任务之一。微藻生长受到非生物因素(包括:营养、O2浓度、CO2浓度、光照、温度、pH、盐分、培养液中的有毒成分等) 、生物因素(包括:真菌、细菌、病毒、及其他生物等的污染)以及操作因素(包括:搅拌产生的剪切力、收获方式等)的影响。因此,微藻培养系统的设计,需要充分考虑微藻的生长条件、气候条件(光照、温度、湿度等) 、资源情况(土地、水等) 、投资成本、运行成本等各种因素。目前藻类培养主要包括自养和异养。微藻的自养培养系统可分为利用开放式户外池塘和封闭式光生物反应器2种。培养方式的比较如表2所示[7] 。开放式户外池塘可以分为跑道式、圆池式和斜坡式等。封闭式光生物反应器包括柱式、管式、板式及一些其它特殊类型。循环跑道式户外池塘是当前微藻商业化养殖最主要的培养系统。微藻异养培养,可采用传统的发酵装置进行,不需要光照,生长速度快,可缩短培养周期。同时生产技术和发酵知识基础成熟,流程控制程度高,培养过程不受环境条件影响,可降低采收成本 。缪晓玲等利用酶解淀粉制备葡萄糖水溶液配制培养液,异养培养出了高脂肪含量( 55% )的小球藻。但李元广等[6]认为:异养培养微藻生产获取能源不仅不能固定CO2 ,反而会排放出CO2 ; 需要外加有机碳源,培养成本高;失去了自养培养的优点,难以和产油微生物竞争。

表2 两种微藻培养系统的特点

培养器类型

开放式池塘 优点 建设费用低

运行费用低

容易清洗

技术成熟 缺点 占地面积大 易污染,难以纯种培养 生产效率低 易于放大水蒸发严重

生物质密度低,收获工作量大

受外界自然环境影响较大

CO2补充困难

建设费用高,运行费用高

表面易形成生物膜,清洗困难

需强化传质、传热及透光

技术先进,但不成熟 封闭式光生物反应器 密闭培养,可纯种培养 不易染菌 生产效率高 占地面积小

生物质密度高,易于收获

水消耗较少

可对参数进行控制,受外界影

响小

开放式池塘 封闭式光生物反应器

6 微藻的采收

由于现有微藻培养技术的限制,正常生产中的藻浓度相对较低(约为0. 1～1. 0g/L) ,因此给微藻的采收带来了较大难度,采收成本居高不下,使微藻采收成为生产过程中的一个限制因素。鉴于微藻密度较低,用常规的动力离心、过滤及自然沉淀法不能有效地收集藻体,已有人运用化学絮凝法、过滤法、微气泡絮凝悬浮法进行收集微藻的尝试, Brennan等及王蒙等对各种采收方法做了详细介绍并简单比较了各方法的优势和局限性。

目前,已经研究的技术仍未很好地解决采收成本过高的难题。笔者认为,微藻采收面临的难题主要是由低水平的微藻培养技术造成的,即病根在于不能进行微藻的大规模高密度培养;只有解决了大规模生产中微藻的高密度培养问题,才能从根本上解决微藻采收成本过高的难题。

3 生物柴油的生产

微藻经培养，采收，提取得到的油脂为甘油三酯。甘油三酯黏度较大，不能直接用作柴油，须将其转化为较低粘度的燃料，目前生产生物柴油的最主要的方法为酯交换法。采用酯交换法可以使油脂的分子量降至原来的三分之一，粘度降至八分之一，该方法生产出来的生物柴油的黏度与石化柴油非常接近，十六烷值达到50，可以直接用来作为燃料。

在油脂酯交换反应中，甘油三酯与低碳醇(一般用甲醇)在强酸或强碱作用下酯交换得到脂肪酸烷基酯(即生物柴油)和甘油，反应式如图2所示。按化学计量法计算，以甲醇为例，1mol甘油三酯需3mol甲醇进行酯交换，由于酯交换反应是一个可逆反应，加入过量的醇有助于反应的继续进行。而由于醇油不相溶性，反应只在界面处发生，速率很慢，所以要加入催化剂加速反应进行。根据催化剂的不同，酯交换法可分为液体碱催化法、液体酸催化法、非均

相催化法、酶催化法和超临界法。

图2 油脂转化为生物柴油的反应式

3.1 液体碱催化法

在制备生物柴油的酯交换反应中，活性最高、应用最多的是液体碱催化剂。这一类催化剂主要有氢氧化钠、氢氧化钾、甲醇钠等。在较小醇油比、较低温度条件下，反应能够在数分钟或几十分钟内接近并到达终点，最终收率一般能达到9 0 ％以上。其反应机理如图3所示[5]。

图3 碱催化酯交换反应机理 图4 酸催化酯交换反应机理

用均相碱催化通常只需在低温下就可获得较高产率，但它对原料中游离脂肪酸和水含量却要求较高，通常要求油料脂肪酸含量小于0.5%，水分小于0.06%。这是因为在反应过程中，游离脂肪酸会与碱发生皂化反应，同时它也能减弱催化剂活性，结果会使甘油相和酯相变得难以分离，从而使后处理过程变得繁杂，并且促使生成的脂肪酸酯(生物柴油)水解，导致生物柴油的转化率的降低。然而，几乎所有油料通常都含有较高的游离脂肪酸和水分，为此工业上一般要对原料进行脱水、脱酸处理，或预酯化处理，然后分别以酸和碱催化剂分两步完成反应，显然工艺复杂性增加了成本和能量消耗，并产生大量废水，催化剂不可回收。

3.2 液体酸催化法

液体酸催化剂就目前而言主要有硫酸、苯磺酸、磷酸和离子液体等。在酸催化条件下，不需要限制原料油中游离脂肪酸含量，并且原料油不需要经过预处理这一步骤，从而大大地节省原料油。其反应机理如图4所示[5]。

液体酸催化法适用于游离脂肪酸和水分含量高的油脂制备生物柴油， 产率高。但反应温度和压力较高，醇用量大，反应速度慢，一般要几到几十个小时才能完成，且产物分离困难，产生大量废水，催化剂腐蚀性强，对设备和发动机的金属部件损害较大，反应设备要求高，因此工业上一般不用酸催化法。

3.3 非均相催化法

液体碱催化法和液体酸催化法对催化剂分离回收困难，且不可避免地产生大量废水，非均相催化法能够很好地解决这些问题，并且催化剂还可以重复利用，因此非均相催化酯交换过程逐渐受到人们的关注。非均相催化法主要分为非均相酸催化和非均相碱催化。

非均相酸是一种给出质子和接受电子对的固体，即具有Bronsted酸活性中心和Lewis酸活性中心。这种催化剂具有在反应条件下不易失活、对油脂的质量要求不高、能催化酸值和含水量较高的油脂的优点，已被广泛应用于生物柴油的制备。非均相酸催化剂大致可分为固体超强酸、金属盐催化剂和树脂型固体酸等。非均相酸催化酯化反应机理如图5所示[6]。

图5 非均相酸催化酯化反应机理

非均相碱是指能向反应物给予电子的固体。作为催化剂其活性中心应具有极强的供电子能力。非均相碱催化生产生物柴油的具有反应活性高、反应条件温和、选择性好、易于和产物分离、能重复使用以及对设备腐蚀性小等优点，因而近几年来固体碱用于生物柴油清洁生产的研究越来越受到众多研究者的重视。目前非均相碱催化剂主要有碱土金属氧化物、负载型

固体碱和由分子筛负载均相碱制成的固体碱等。

非均相催化剂具有易分离、可重复利用、对设备无腐蚀、对环境无污染等优点，是未来研究生物柴油制备的重要方向。目前研制的非均相酸催化剂可同时催化酯化和酯交换反应，对原料要求不高；但催化剂制备工艺复杂、酯交换反应要求温度较高、反应时间较长。与非均相酸相比，非均相碱催化剂制备工艺相对简单，酯交换反应条件相对温和，但对原料油要求苛刻，易吸收原料油中的H2O和CO2中毒，反应后活性组分易流失，催化剂重复使用性能较差。开发制备成本低、可简便回收再生、高效的生物柴油非均相催化剂是亟待解决的关键问题。

3.4 酶催化法

生物酶催化酯交换是指油脂和低碳醇在脂肪酶催化作用下进行酯交换反应，制备生物柴油。生物酶催化制备生物柴油具有对原料中脂肪酸和水含量要求低，工艺简单，反应条件温和，选择性高，醇用量少，副产物少，生成的甘油容易回收且无需进行废液处理等优点，可以解决液体酸或碱催化生产生物柴油存在的催化剂难以分离，所需能量大等问题。但缺点是反应体系中甲醇容易导致脂肪酶失活而失去催化能力，同时酶的价格偏高，反应时间长。因此，提高脂肪酶活性和防止酶失活是该法能否实现工业化生产的关键。通过吸附、交联、包埋等方法来固定化脂肪酸，固定化酶可以在反应结束后从体系中分离回收，重新催化新的反应。将产生脂肪酶的全细胞作为生物催化剂，可以实现酶的长期使用，降低工艺成本。

3.5 超临界法

当温度和压力超过临界点时，气态和液态将无法区分，此时物质处于一种不同于气体和液体的超临界状态。超临界流体密度接近于液体，黏度接近于气体，而导热率和扩散系数介于气体和液体之间。由于其黏度低，密度高，且扩散能力强，所以能够并导致提取和反应同时进行。

传统生物柴油制备方法中，由于甲醇和油脂不相溶，反应体系呈两相，酯交换反应只能在两相界面上进行，传质受到限制，因此反应速率低。但在超临界状态下，甲醇和油脂为均相，反应速率大大提高，反应在几分钟之内即可完成。另外由于反应中不使用催化剂，因而使后续工艺较简单，反应产物纯度高，不排放废液，与传统方法相比可望降低成本。

另外，充分提取和利用微藻的所有副产品，又将提高微藻燃油生产装置的经济生存能力。这些潜在的生物制品包括：特效有机物，如食品级β胡萝素、药品、色素；多种通用化合物，如多聚糖、碳水化合物、表面活化剂；发酵产品，如生物气体；高价值的油脂(除了大部分油脂生产生物燃油之外)。微藻生物燃油生产获得的能源收入还可以通过其他生产收入渠道来补充，进一步提高其经济性。这些生产收入渠道包括：提取微藻高价值的油脂和蛋白质用于动物饲料；应用微藻处理农业和市政废水，提取废水中的营养物质而获得的潜在价值；通过替代石油，减少温室气体排放的价值，在沿海滩涂电厂附近建设海洋高油微藻大型反应器，利用电厂排放的CO2解决大规模培

养所需的碳源问题等减少成本。

4 结束语

随着化石能源的枯竭，无论在未来的经济建设或社会发展等方面，生物燃料都将发挥更大的作用。生物柴油是一种非常优良的新型可再生能源，通过微藻生产生物柴油在技术上说是可行的，并且它是实现生物燃料完全替代石化燃料的最佳途径，而能否实现其工业化取决于其制造成本。为了降低成本并且提高微藻生物柴油的性能和质量，可以从优良藻种的获取、产油培养条件的优化、微藻培养技术和策略的改良、生物柴油生产方法的改进和系统化等几个

方面进行深入的研究。

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