微流體技術生物燃料開發與應用

導語：微流體技術生物燃料開發與應用一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為了加快生物燃料產業的發展速度，提高生物燃料的產量和質量，微流體技術被引入到了生物燃料領域。文章聚焦于微流體技術在生物燃料領域的應用，重點介紹了微流體技術及裝置在生物柴油和生物乙醇生產中的應用，討論了影響生物燃料微流體反應器性能的相關因素，最后，提出了微流體技術在生物燃料領域的應用過程中所面臨的問題并展望了其應用前景。

關鍵詞：微流體技術；生物燃料；生物柴油；生物乙醇；微流體反應器

隨著經濟的迅速增長，傳統化石燃料日益枯竭，溫室效應逐漸加劇，生物燃料的重要性日益凸顯。作為液體生物燃料，生物柴油和生物乙醇具有原料來源廣泛、清潔可再生、生產規模不斷擴大等特點，在一定程度上能夠滿足目前緊迫的能源需求[1]。然而，兩者生產過程中的一些消極因素限制了它們的進一步發展，如土地面積需求過大、生產成本過高、產品產率過低以及產品質量欠佳等[2]。這些消極因素的存在阻礙了生物燃料的規?；M程，為了盡早實現生物燃料的規?；蜕虡I化，納米技術、基因工程技術和微流體技術等不斷被引入到生物燃料的研究和生產之中。其中，微流體技術在改善生物柴油和生物乙醇的產量和質量方面效果顯著。微流體技術是基于微流控芯片在微觀尺度下控制、操作和檢測復雜流體的技術，它能在較小的試劑體積和較短的反應時間等條件下進行工作。微流控芯片的尺寸僅為十幾平方厘米甚至幾平方厘米，且其上通常會內置有檢測、分析及樣品制備等諸如生物或化學實驗室的各種功能，因此，其又被稱為芯片實驗室。作為一門新興技術，其被廣泛應用于化學、醫藥、生命科學等多個領域，由于其小型化、高精度、短周期和低能耗等獨特的優點，其在生物燃料領域也表現出了巨大的潛力。微流體技術不僅能快速進行微藻等產油微生物的高通量篩選和培養條件的優化，還能通過增大生物柴油酯交換過程兩相界面的接觸面積而改善其轉化率，另外，在生物燃料的生產過程中，將這種技術與相應的功能原件集成后，除了能夠在線分析和監測產品質量，還能完成生產環境的實時控制從而提高產品質量。

1微流體的特性

要想深入了解微流體技術在生物燃料領域的應用，首先需要了解微觀尺度下的流體特性。微流體是一種借助亞毫米至亞微米微通道產生的流體，這種微尺度下的流體學行為與宏觀尺度下的流體學行為差異很大。在流體力學中，流體流動特性通常采用雷諾數（ReynoldsNumber，Re）進行表征。一般情況下，當Re<2000時，流體表現為層流狀態；當Re>4000時，流體則表現為湍流狀態。層流流動時，不同流體系統的流體粒子彼此平行地分層流動，互不干擾與混雜；而湍流流動時，各流體系統的流體粒子間強烈的混合與摻雜，不僅有沿著主流方向的運動，還有垂直于主流方向的運動，兩者的流動特征如圖1所示。另外，佩克萊數（PecletNumber，Pe）也是反映流體流動狀態的參數，其可以表征對流和擴散的相對大小，反映了流體返混的程度，Pe越大，表示返混程度越小，Pe越小，則表示返混程度越大。由于微流體通道的空間有限（直徑為5~250μm），流速較低（1~1000μL/min），導致微流體的Re非常小（1~100），而Pe比較大（>103），微流體表現為層流特征而非湍流，其中的流體粒子彼此平行地分層流動，互不干擾可再生能源RenewableEnergyResources與混雜，兩個或多個流體系統中的粒子除了擴散之外不能混合，這意味著其中粒子的速度和位置是可以預測到的[3]。在微觀水平上，表面張力和毛細管力在流體中的作用非常突出，這對生物柴油合成過程中脂質提取和酯交換非常有利。同時，由于尺度的減小，微流體的比表面積變得很大，當兩種不混溶的液體（油和甲醇)同軸混合時，兩相界面之間的物料傳遞增強，這不僅有利于正向反應（脂肪酸甲酯的形成），還能提高底物轉化率[4]。此外，由于微流體比表面積的增大，脂質提取時的收率也明顯提高[5]。

2微流體技術在生物柴油生產中的應用

2.1微藻脂質生產。微生物油脂是生產生物柴油的有效基質，脅迫條件可有效促進微藻細胞內油脂的合成和積累，利用脅迫條件培養微藻已成為調控微藻油脂積累的主要手段，但通常情況下，營養和培養條件（pH值、光照等）等脅迫條件的優化過程非常復雜和耗時。ShihSC[6]開發了一種數字微流體（DMF）裝置，并利用該裝置研究了光照對C.cryptica脂質含量的影響，研究結果表明：在黃光下，C.cryptica能合成更多的脂質，但是不利于C.cryptica的生長；為了能夠同時促進C.cryptica的生長和脂質積累，ShihSC將C.cryptica分別暴露于藍光15h和黃光9h，結果在藍光下，C.cryptica迅速增殖，大量增殖的C.cryptica在黃光下又合成了更多的中性脂質。除了能對光照條件進行優化，微流體也被用于研究一些物理因素和營養限制對脂質合成的影響[7]。2.2微流體裝置在基于微藻的生物柴油生產中的應用。由于藻類可以在不同的生長條件下快速增殖，且具有極強的固碳能力，因此，在生物柴油的生產過程中，藻類脂質成為了植物油的重要替代品。為了獲得更多的藻類脂質，微藻的純種培養非常關鍵，否則，其他藻類的污染會造成培養基營養素的競爭性流失，最終導致藻類脂質產量和質量的下降[8]。Tetraselmissuecica是一種性能優良的產脂質藻類，但它很容易被Phaeodactylumtric-ornutum污染。SyedSM[9]發明了一種低成本的螺旋微通道微流體裝置，用于從污染物中分離和純化Tetraselmissuecica。該裝置所使用的螺旋微通道包括8個圓形環、1個入口和2個位于微芯片中心的出口，微通道的橫截面為直角梯形，寬度為600μm，內外高度分別為80μm和130μm。工作時，使用注射泵將污染物從入口處注入微通道，并以0.5~2mL/min的速度穩定流動；污染物中不同粒徑的微藻細胞經過一段時間的環形流動后，會分別匯集至各自的流層中，粒徑小的細胞聚集在通道的外半部分，粒徑大的細胞聚集在通道的內半部分；最后在通道分叉處收集培養物。研究結果表明，在最佳流速下（1mL/min），當微藻細胞的濃度為3×106~6×107細胞/mL時，95％的Tetraselmissuecica可被分離出來，并且細胞活力也未受到影響。該研究證實了微流體技術可以從污染物中分離出所需的菌株，從而確保更高的微藻脂質生產能力。在基于藻類脂質的生物柴油生產工藝中，微藻的培養、收集、脫水、油脂提取和酯交換都是重要且復雜的工作，其中，收集和脫水部分的成本相對較高，雖然離心、絮凝等傳統方法能夠完成這部分工作，但設備成本和產品回收率限制了它們的應用。為了解決這個問題，H覬nsvallBK[10]開發了一種基于三葉蟲結構的微流控芯片，該芯片的尺寸為30mm×60mm，芯片內主通道的尺寸為10mm×30mm，分離單元區域位于主通道的中間，面積為10mm×10mm。該區域包含分布在九行中的113個三葉蟲分離單元，每個分離單元中的葉片之間的間隙為5μm，其工作原理類似于分子篩，當待濃縮液體流經工作區域時，大部分液體和較小顆粒經單元葉片間的5μm間隙流入單元內部并沿孔向下，在底層的出口處收集；大于5μm的顆粒則在單元之間流動，最終于芯片末端的出口處被收集。此裝置可用于濃縮Chaetocerossp.，Rhodomonasbaltica和Thalassiosiraweissflogii。該芯片能根據細胞大小對藻類微生物進行分類整理，對符合要求的藻類進行收集，并將尺寸較小的藻類再循環到反應器中。該芯片不但能夠高效準確地收集目標藻類，還減少了對離心機等昂貴儀器的需求，在生物柴油的生產中表現出了很大的潛力。雖然由于芯片生產成本過高，其規模化應用受到了限制，但是隨著制造技術的提高和廉價材料的應用，它的潛力必將得到應有的發揮。2.3微流體裝置在酯交換中的應用。酯交換反應是生物柴油生產過程中的重要步驟，它決定著生物柴油的質量。在該反應中，脂肪酸在催化劑（酸、堿或酶）的作用下與甲醇反應，形成脂肪酸甲酯和甘油。由于油/脂質和甲醇的不混溶性，使得整個反應進程非常緩慢，另外，為了促進反應的正向進行，通常需要額外增加甲醇用量。BeebeDJ[4]開發了一種具有大比表面積的微滴微流體裝置，該裝置能夠通過增大反應界面而加快反應的進行，使用大豆油和甲醇在該裝置中進行酯交換反應，當甲醇同軸通過大豆油池時，前者被后者包圍并降低甲醇與油的比例（3∶1），當溫度為23℃時，酯交換反應在9min內完成，大豆油的轉化率為80％；當甲醇與油的比例分別為1∶1，1∶2和1∶3時，大豆油的轉化率分別為100％，99.5％和98.6％。上述研究表明，微流體裝置增加了試劑之間的接觸面積，促進了酯交換反應，同時降低了能耗和成本。2.4用于生物柴油生產的微流體裝置。傳統的生物柴油生產過程中，酯交換反應主要是在攪拌釜中進行，反應屬于間歇式反應，反應過程須要解決兩相反應的難題，反應時間較長，后續還要進行廢水處理。為了解決這些問題以及進一步提高生物柴油的產率，不同通道形狀（Ω形、T形和T-形）的連續式微反應器被開發出來（圖2）[11]。在溫度為50°C，乙醇與油的混合比例為25∶1，通道停留時間為10min，催化劑為1％的NaOH的條件下，T形、Ω形和T-形微反應器的脂肪酸乙酯（FAEE）產率分別為96.7％，95.3％和93.5％。從結果來看，在相同的反應條件下，不同形狀的微通道內部，流體流動狀態略有不同，通過內部形狀的改變，可以改善兩相界面的接觸，增強分子擴散，提高反應底物的混合效率，從而獲得較高的FAEE產率。這說明在微流體裝置中，微反應器通道的幾何形狀是除了溫度、醇油比、停留時間和催化劑用量外的另一重要參數。SantanaHS[12]通過研究發現，微反應器的酯交換效率與傳統間歇式反應器相似，但達到相同產率所需時間，前者比后者要少的多。此外，為了實時監測FAEE的生產，近紅外光譜（NIR）技術被集成在了連續式微反應器中，由于該技術價格低廉、樣品需求量少、對產品無毒害且高效快速，使得FAEE的生產成本得以降低，生物柴油的質量得以提高[13]。然而，受限于微流體裝置的尺寸和其內較低的流速，微流體裝置的商業開發還未完全達到市場規模。不過，BilloRE[14]報道了生產流量為2.47L/min，年產能為120萬L的完整微反應器生物柴油廠的規模參數，它含有14000個由聚乙烯制成的微器件單元，每個單元內的微通道尺寸為500μm×500μm（深度×寬度），每50個微器件單元為一個模塊，每8個模塊為一組，共35組，每組有各自的入口和出口?？梢灶A見，隨著運行流速更大的微器件的開發和反應單元的放大，微流體裝置在生物柴油生產過程中的應用必將更加深入和廣泛。2.5用于混合生物柴油質量評估的微流體裝置。由于生物柴油存在熱值略低、高黏度和高成本等缺點，它的單獨使用仍然受到一定限制，但是，生物柴油和石化柴油的混合燃料的應用前景卻非常廣泛，因此，混合燃料的質量評估就顯得非常重要。一般情況下，混合生物柴油的質量狀況可以通過密度、粘度、熱值和十六烷值等多項指標來評估[15]。研發人員將這些指標的檢測和分析技術集成于微流控芯片上，開發出了基于微機電系統（MEMS）的傳感器微流體裝置，用以檢測汽油、柴油、生物柴油、乙醇、丁醇、水和空氣等各種混合物的質量。與類似的傳感器相比，微流體裝置更小且更靈敏，可用于實時監控燃料質量，并通過檢測和控制系統中流速、溫度、pH值和氧氣等參數，有助于生物柴油等生物燃料的生產過程的優化[16]。

3微流體技術在生物乙醇生產中的應用

除生物柴油外，生物乙醇是另一種清潔型替代燃料，它主要是通過微生物發酵糖（來自甘蔗、甜菜、甜高粱、糖蜜和水果等）、淀粉（來自玉米、木薯、馬鈴薯和塊根作物等）或纖維素（來自木材、農業殘余物、紙漿和造紙廠的廢液等）等有機原料轉化而成[17]。然而，基于可食用原料的生物乙醇工藝面臨著一些挑戰，如糧食威脅、戊糖利用率低、微生物對乙醇不耐受等[18]。為了克服這些問題，有研究人員嘗試利用遺傳和代謝工程開發能夠利用纖維素和木糖原料，具有乙醇濃度高耐受性的新菌株。此外，微藻等第三代原料的開發和使用，也使生物乙醇的研究有了階段性進展。為了進一步降低生物乙醇的生產成本，使之具有更高的競爭力，就必須篩選出性能更加優良的菌株。AbaldeCelaS[19]開發了一種新型的微流體液滴法來檢測Synechocystissp.PCC6803的乙醇產率。在此項研究中，微流體液滴包含酶測定系統，該系統可以將乙醇轉化為熒光產物，然后通過熒光強度檢測乙醇含量。另外，作為一種獨特的方法，微流體液滴有助于識別基因工程藍藻，以區分乙醇工程菌株和野生型菌株。在另一項研究中，利用微流體液滴技術，可以通過醇氧化酶和辣根過氧化物酶測定Zymomonasmobilis發酵過程中的乙醇濃度。在分子氧存在的情況下，乙醇可通過醇氧化酶轉化為乙醛和過氧化氫，過氧化氫反過來與色原反應，通過辣根過氧化物酶形成染料和水。與常規使用重鉻酸鉀法測定乙醇的方法不同，該方法顯示出了更高的靈敏度和重現性（相對誤差<5％），且試劑消耗量也較少[20]。

4生物燃料微流體反應器

微流體技術是一種快速發展的技術，它能夠檢測和操縱微米級通道內的液體流動，而微米級通道內的流體具有層流、表面效應、短擴散和小體積等特征，因此，該技術可以預測流體的流體行為、促進界面傳輸和反應、實現流量的精準控制[21]。由于微流體技術的獨特優點，將微流體生物反應器用于生物燃料生產是一種很有前景的方法。微流體系統生物反應器與細胞和微生物的物理尺寸相當，是研究燃料生成的細胞行為和微環境的理想選擇[22]。與傳統的生物燃料生產系統相比，微流體生物反應器可高度集成、其內微環境（氧、溫度、pH值等）易于控制、微生物初始種子濃度和樣品需求量都非常低、工作周期短，處理效率高、使用成本也更低[23]。在微流體反應器設計過程中，主要考慮制造方法、功能元件和設計參數。微生物反應器的制備方法可以采用光刻、軟光刻、熱壓花和注塑成型等，其中，注塑成型是大規模生產微流體生物反應器的最佳選擇；對于高度集成的微流體生物反應器來說，它需要多種功能元件，主要包括流體元件（閥門，泵，混合器和噴射器等）、傳感器（溫度、pH值和O2等）、加熱元件、氣體交換裝置和模擬元件等；此外，一些參數的選擇對微流體反應器的影響非常大，如反應器材料的生物相容性、反應器的耐壓程度、允許的溶劑類型以及微通道的尺度等。根據目的和工作方式的不同，研發人員發明了多種不同類型的微流體生物反應器，如微流體膜生物反應器、毫升級攪拌釜生物反應器、填充床生物反應器和光生物反應器等[24]。此外，還有多種新型高效的微流體生物反應器在研制之中，它們的出現能夠給生物燃料的研究帶來很大幫助，隨著反應器制造技術的提升和生產成本的降低，如同上述的生物柴油一樣，基于微流體反應器的各種產品也必將走進我們的生活。

5結論和前景

作為化石燃料的替代能源，生物燃料的產量和質量是決定其能否產業化的關鍵因素，而微流體技術可以顯著改善生物燃料的產量和質量，其具有許多顯著的特點和優勢：①微通道尺度微小，內部流體呈層流狀態，可實現流體行為的人為預測；②微通道比表面積較大，體系內傳質傳熱性能優良，比宏觀體系具有更高的轉化效率；③微流體技術消耗的試劑較少，能大大降低試劑成本，減少廢液排出；④微流體芯片可高度集成多種功能化元件，實現實驗室功能的微型化，減少占地面積；⑤微流體技術能在線分析和監測生物燃料等產品的質量，可以實現操作環境的精準控制；⑥設計好的微流體芯片，易于批量化生產，具有大規模應用的潛力。盡管有如此多的優點，微流體技術仍然面臨許多挑戰，例如，如何開發更高通量的微型復雜界面、如何設計和優化微通道的內部結構、如何實現微流體裝置上的微生物的固定化、如何降低開發成本、如何實現基于微流體技術的生物燃料的更大規模的生產等。不過，可以想象，能夠把整個實驗室濃縮集成在一塊小小的芯片上的微流體技術，在全球科研人員的不懈努力下，隨著芯片加工技術的成熟、開發成本的降低、更多功能化元件的集成和自動化程度的提高，不久的將來必將在產油微生物篩選、生物柴油酯交換、生物燃料質量控制和過程優化等方面帶來更大貢獻。

作者:劉登 劉均洪 單位:1.山東理工職業學院 2.青島科技大學