化石储量枯竭和温室气体排放的增加，增加了全球对生物燃料和生物材料等可再生能源的兴趣。木质纤维素和微藻生物质等可再生生物材料在生产生物燃料、化学品和材料方面具很大的潜力，同时可降低温室气体排放。微藻能够通过细胞间和细胞内的生化途径将CO2固定为碳水化合物、脂质和蛋白质。这些细胞成分可以通过生化和热化学转化过程被提取并转化为可再生能源、化学品和材料。然而，顽固的细胞壁和缺乏环境友好的高效预处理工艺是使微藻生物精炼商业化的主要障碍。根据离子液体 (ILs)、低共熔溶剂 (DES) 和天然低共熔溶剂 (NDES) 等绿色溶剂的溶剂特性，可以对微藻进行不同的预处理选择性提取生物成分。且需要进一步研究特定的 IL/DES 设计、阳离子-阴离子组织、ILs-生物组分的结构活性理解、环境毒性、生物降解性和碳中和技术部署的可回收性。
基于此，韩国延世大学土木与环境工程学院Sang-Hyoun Kim教授描述了微藻的化学结构、类型和结构刚性，并总结了提取微藻细胞壁成分的预处理方法。将微藻产业与生物精炼厂相结合，促进废弃物管理、可持续性和总收入，为微藻衍生的固体、液体和气体燃料的未来科学研究提供建议。
图文解读
Microalgae biomass and cell wall characteristics
近年来由于对能源、化学品、聚合物、制药、生物肥料和营养保健品的需求增加以及微藻生物质具有大量有价值的细胞成分，微藻生物质引起了人们的极大兴趣。微藻通常是单细胞光合作用生物，但某些复杂的关系导致具有更复杂结构的菌落。它是一个相当多样化的类别，包括硅藻，原核（蓝绿藻）和真核物种。如图1所示，微藻在不同的培养条件下可以积累>60%的蛋白质、碳水化合物和脂质。碳水化合物通常以淀粉或纤维素的形式积累，通常积累在微藻的细胞外基质和铌细胞壁类型中，与城市废水相比，工业废水中积累了41%的碳水化合物（分别为21.5%和24.4%）。且几种淡水微藻，如普通小球藻，已被量化为脂质含量最高，范围高达80-90%。从微藻中可以获得虾青素、叶黄素和类胡萝卜素等各种高附加值色素。此外，微藻生物质是生物燃料的可靠来源，例如生物甲烷，生物乙醇，生物柴油和生物油。微藻在整个生物质生产过程中可以吸收二氧化碳，从而降低二氧化碳排放。
Fig. 1. Microalgal composition and classification
Physical Approach
各种细胞壁成分和生物分子的提取主要取决于细胞裂解和细胞破碎、提取和溶剂分解，以实现目标组分的选择性分级分离。最佳的预处理可增加整体表面积，溶解生物组分，并提高生物精炼行业基质的生物可利用性。如图2所示，珠磨、研磨、脉冲电场、超声波、高压均质、脉冲电场、微波和加热方法已用于细胞壁破碎。此外，细胞破碎方法可以进一步分类为物理，化学，物理化学和酶技术，这些技术可以利用机械或辐照技术来确保生物成分（聚合碳水化合物，脂质和蛋白质）的完全利用。物理预处理策略涉及机械力（例如剪切和撕裂、波浪、电流）和热（热/霜）方法，其导致生物质表面积、尺寸、结晶度指数和聚合度的转变。生物质的物理预处理有几个优点和缺点。例如，珠铣涉及破坏细胞壁的碰撞力，非常耗能，细胞成分的热劣化是由发热引起的。而其优点包括单步操作，利用湿生物质和易于分离。
Fig. 2. Microalgal biomass pretreatment approaches
Challenges and Future Opportunities of IL/ DES assisted microalgal pretreatment
图3为通过有氧和厌氧方式调查和评估生物降解性提出的初步指导方针，并为具有特定特性的 IL的合成提供线索。如今微藻生物技术产业蓬勃发展，目前由于在食品、生物科学、医学和燃料应用中的多种应用而引起了人们的兴趣。然而，高生物量生产率、脂质积累和细胞解构是当今的主要问题。微藻通常由核基因组、线粒体基因组和质体基因组组成，可以对其进行转化，从而实现所需蛋白质的更高积累。DES 可以使用一系列羧酸和氯化胆碱合成，并且 DES 的溶剂化显色特性可以通过许多酸官能团、烷基链取代和组成比来调节。ILs 和 DES，由于蒸汽压可忽略不计且可调，已被作为传统有机溶剂的绿色替代品。然而，环境归宿、水溶性和对海洋生物的环境毒性研究是离子液体大规模应用的主要关注点。因此，对ILs 的特征、阴离子/阳离子的特征、烷基链长度、微生物细胞壁与ILs 相互作用的研究（吸附和解吸），环境评估和数据库创建可以进一步提升商业意义。此外，在烷基链中引入极性基团可以显着降低离子液体的毒性并提高生物降解效率。这表明通过耦合合适的功能来制备特定的 IL 和 DES 将得到环保的化合物。
Fig. 3. （a) Mass EL yields (g EL/ 100 g SCB) from raw and pretreated SCBs. (b) EL production from different lignocellulosic materials.
总结
离子液体（IL）和深层共晶溶剂（DES）在微藻生物质中不同组分的预处理、提取和分离是有很好应用前景的“绿色溶剂”。作者综述了使用常规溶剂、IL、DES 和 NDES 工艺从微藻生物质中提取碳水化合物、脂质、蛋白质和类胡萝卜素的主要关键发现。概述了基于 IL/DES 的微藻生物精炼厂的关键技术进步、局限性和未来机遇。重点讲述了如何合成具有特定用途、低粘度、良好生物相容性的专门用于分离微藻成分的IL/DES，，以促进当前用于生产可再生能源、化学品和材料的生物精炼厂。
