隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源需求增加與傳統(tǒng)能源日漸枯竭之間的矛盾日益加劇，同時，大量化石燃料燃燒帶來的環(huán)境和氣候變化問題已引起世界各國的關(guān)注。為實(shí)現(xiàn)人類和社會的可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源是一條必由之路，其中，生物能源的開發(fā)成為世界各國研究的熱點(diǎn)之一。
生物柴油是一種具有較好發(fā)展前景的生物能源，是優(yōu)質(zhì)的石化柴油代用品。廉價原料油是生物柴油工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵，原料油成本在生物柴油成本構(gòu)成中約占75%。
微藻由于其特有的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)質(zhì)原料來源。與其他生物柴油原料相比，微藻具有生長速度快，油脂含量高，不占用耕地等優(yōu)勢。然而現(xiàn)階段，微藻生物能源仍局限于小規(guī)模的研究階段，其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍受到較大限制，其中最主要的原因是較高的生產(chǎn)成本。
微藻生物柴油的生產(chǎn)主要包括微藻細(xì)胞的培養(yǎng)、微藻的采收、油脂的提取與加工等流程，其中微藻細(xì)胞的采收是較為關(guān)鍵的流程之一，其成本可以占到微藻總生產(chǎn)成本的20%~30%；而常規(guī)的油脂提取方法通常需要將收集的濕藻細(xì)胞烘干，這一過程往往能耗較大，增加了生產(chǎn)成本。
為了解決微藻生物能源生產(chǎn)下游技術(shù)中存在的問題，中國科學(xué)院過程工程研究所研究員劉春朝帶領(lǐng)研究團(tuán)隊，在微藻采收及藻油提取方面取得了一些新進(jìn)展。
磁性納米顆粒因其生物相容性、特殊的磁學(xué)性能,使其在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如核酸和蛋白純化、酶固定化、藥物靶向等。由于磁性材料具有易于分離、分離操作簡單的特點(diǎn)，將磁性分離技術(shù)引入微藻細(xì)胞的采收可能實(shí)現(xiàn)微藻的高效采收，降低該環(huán)節(jié)的成本。
基于此設(shè)想，劉春朝帶領(lǐng)的團(tuán)隊針對微藻細(xì)胞表面功能基團(tuán)的特征及其帶電特性，制備了適合與微藻表面進(jìn)行快速高效吸附的功能化磁性納米顆粒，并將其應(yīng)用于淡水微藻和海洋微藻的采收。
研究表明，采用磁性納米顆粒能夠?qū)π∏蛟?、布朗葡萄藻、微擬球藻進(jìn)行高效的細(xì)胞采收，回收率達(dá)到95%以上，顆粒用量因微藻細(xì)胞的大小及表面特性而有所差異。
該技術(shù)除了具有較高的采收效率外，還具有以下特點(diǎn)：分離過程反應(yīng)時間短，只需要1~4 分鐘；顆粒在培養(yǎng)液中無殘留，微藻采收后的培養(yǎng)液可重復(fù)應(yīng)用于微藻培養(yǎng)。為了進(jìn)一步降低成本并滿足不同的微藻生產(chǎn)目的，該團(tuán)隊研究人員建立了一套行之有效的磁性顆粒回收再生的方法，并得到了實(shí)驗的驗證。
新技術(shù)的出現(xiàn)最終是為了滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。為此，劉春朝的團(tuán)隊設(shè)計了專門用于微藻大規(guī)模磁性采收的磁性分離裝置，并申請了相關(guān)的專利。這種微藻磁性分離技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微藻的快速、高效分離，節(jié)約用水，降低了成本，結(jié)合規(guī)模化的磁性分離裝置，可廣泛的應(yīng)用于大規(guī)模微藻生產(chǎn)中，具有較好的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前景。
富含烴類物質(zhì)的布朗葡萄藻作為一類重要的能源微藻，其產(chǎn)生的烴類物質(zhì)是一類優(yōu)質(zhì)的生物燃料。布朗葡萄藻的烴類物質(zhì)主要積聚在細(xì)胞外部，利用非極性溶劑可以從干燥藻體中將其提??；但是對于布朗葡萄藻濕藻細(xì)胞的藻油提取，由于藻細(xì)胞表面水化膜的屏障作用，使得藻油的回收率較低，從布朗葡萄藻濕藻細(xì)胞中提取藻油仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。
近期，劉春朝帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，利用1,2-二甲氧基乙烷能夠高效的從布朗葡萄藻濕藻細(xì)胞中提取藻油。結(jié)果表明，提取劑與濕藻中水的體積比影響提取效率，當(dāng)1,2-二甲氧基乙烷與濕藻中水的體積比大于6.5：1（v/v）時，藻油的回收率大于96%。
隨后，該團(tuán)隊研究人員建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，研究了藻油回收率和1,2-二甲氧基乙烷與濕藻中水體積比之間的關(guān)系。能量消耗分析表明，這種從布朗葡萄藻濕藻細(xì)胞中提取藻油的方法，能夠有效地降低藻油提取過程的能耗。并且，該方法在不需要經(jīng)過嚴(yán)格干燥脫水處理藻體的情況下，仍然能夠保持較高的藻油回收率，節(jié)省藻油提取過程能耗，具有較好的應(yīng)用前景。
