第五章-微藻生物能源ppt课件

1、第五章 微藻生物能源,1. 背景介绍 2. 产业化关键技术 3. 微藻生物炼制 4. 我们的工作,微藻生物能源-低碳经济的突破口,微藻生物能源-全球的热点,有些学者把藻类分为11个门，有些分为8个门；门是植物分类中的一个级别,藻类植物的分类,微藻（icroalgae）是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富且光合利用度高的微型自养植物。地球上微藻种类繁多，但目前被人类发现并利用的种类不多，特别是海洋微藻，目前开发的更是微乎其微,什么是微藻,微藻在地球演化中扮演着重要角色,微藻（海洋单细胞藻类）是地球上最早的生物物种，已经在地球上生存了35亿年之久，能在水中进行光合作用释放出氧气，在自然界物质和能量

2、循环中发挥了极其重要的作用，因此微藻的出现为地球上其他生物的出现奠定了物质和气候基础,为什么是微藻,光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用所吸收的光能的比值,光合作用效率高,植物：1,藻：3.5,1、反应物浓度更高 2、产物浓度更低,1L空气中含有约5.910-4 g CO2,1L水中含有约1.7gCO2,1L空气中含有约0.3g O2,近3000倍,1L水中含有约0.008gO2,1/40,微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高,3、光照几率更多,微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高,折射,衍射,水,散射,由于水对光具有折射、衍射、散射等效

3、应，使得微藻所有表面都有可能受光照，然而陆生植物只有向光面才有可能受光照,等量,1 g干物质,树叶 比表面积:10-3 m2,微藻 比表面积:1.3103 m2,相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3106倍，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用,4、比表面积更大,微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高,微藻光合色素含量占其干重的2.5%分布于整个细胞，整个细胞就是一个光合反应器，有利于光合产物的合成与转运,植物光合色素含量占其干重约0.05%,分布于树叶、树干等组织中细胞的特定部位，不有利于光合产物的合成与转运,50倍,微藻光合天线,植物光合天线,几十倍,植物的捕光天线是类囊体

4、膜内的叶绿素,而藻类的捕光天线色素主要集中于紧连在类囊体膜外的藻胆蛋白内。天线系统的功能是将所吸收的光能高效地传递到与之相联系的光反应中心,5、更高含量的光合作用单位,微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高,微藻固定二氧化碳及产油途径,微藻具有独特的CO2浓缩机制,CCM（CO2-Concentration mechanism）：即为CO2 浓缩机制。当藻类细胞由高浓度CO2 培养转入低浓度CO2，细胞可不断地从外部环境中把无机碳或CO2运输到体内，使体内的CO2 浓度高于外界环境，以有利于光合作用碳循环第一个关键酶Rubisco羧化反应，从而能提高光合速率。,微藻光合作用温度更恒定的

5、,水环境有利于微藻的光合作用,海洋是地球固定CO2的主要场所,海洋面积：3.61亿平方千米 占地球表面：71,陆地面积：1.49亿平方千米 占地球表面：29,CO2,O2,固定全球60%以上的CO2,固定全球40%的CO2,森林固定CO2 变成煤炭； 海洋微藻固定CO2变成石油,在已知能固定CO2的微生物中微藻能力最强,微藻,核酮糖-1，5-二磷酸,6CO2,3-磷酸甘油酸,甘油醛- 3-磷酸,甘油,脂肪酸,产甲烷菌,四氢叶酸（THF,2CO2,CHO-THF,CH3-CO-X,乙酰-CoA,脂肪酸,草酰乙酸,2CO2,异柠檬酸,柠檬酸,乙酰-CoA,脂肪酸,泥生绿菌,绿色硫细菌,羟基丙酰-C

6、oA,2CO2,甲基丙二酰-CoA,苹果酰-CoA,乙酰-CoA,脂肪酸,微藻固定CO2能力是其他微生物的3倍以上,微藻通过光合作用生产生物质能源具有 更高的原子经济性,产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的CO2,微藻是理想的燃料,藻粉,热值,相同质量,煤炭,微藻生物质热解所得热值高，平均高达33MJ/kg，而且微藻燃烧后没有SO2等有害气体，使用后排出CO2可以被微藻本身所固定，不会增加CO2的净排放,微藻含有丰富的蛋白、色素、维生素、多糖等生物活性物质，可直接用作饵料、饲料及其添加剂,微藻是理想的饲料、饵料及其添加剂,微藻是理想的高蛋白饲料,乌克兰,我国,纯蛋白大豆,高质纯牛奶,三聚

7、氰胺牛奶,混合饲料,乌克兰种牛,造成我国目前牛奶质量不高的主要原因是饲料，微藻蛋白质含量为，因此是良好的蛋白替代饲料,出路：高蛋白微藻饲料替代,为什么选择微藻,微藻光自养生长过程与其他生物质相比，具有5大优点： 光合固碳效率高，同样条件下，藻类光合生产率最高可达到50g/m2/d，相当于森林固碳能力的1050倍。 油脂面积产率高，单位面积的产油率是其他油料作物的20400倍。 光合固定CO2，不仅有助于CO2减排，且可大幅降低微藻生长所需碳源成本（1万元/吨螺旋藻） 利用废水中的N、P等营养元素，不仅有助于缓解水体富营养化程度降低废水处理成本，且可大幅降低微藻生长所需N源成本（0.30.4万元

8、/吨螺旋藻）及P源成本（0.3万元/吨螺旋藻） 不与农作物争地(可用滩涂、盐碱地、荒漠等) 、争水(可用生活污水、海水和盐碱水等,21,Ohio Coal Research Center,氧气,0.57kg,废气CO2,N、P废水,阳光,生物质(CH1.8N0.17O0.56,0.73kg,微藻产能,二氧化碳光合作用转换,1kg,微藻低碳生物经济微藻生物能源,我国水泥行业 年排CO2亿吨,微藻 约年产亿吨藻粉 相当于亿吨煤炭 产6.61013MJ热量 相当于0.6亿吨生物燃料 相当于产值4200亿元,微藻培养和我国水泥、火力发电等重污染行业联产，实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联

9、产,CO2,排出,吸收,低碳工业,微藻低碳生物经济微藻生物能源,我国味精行业 年排放废水约5亿吨,微藻低碳工业 约年产 2000万吨生物柴油 约年产 6000万吨蛋白饲料 产1500万吨肉,微藻工业、味精废水处理行业和饲料行业联产，实现饲料、 副食、生物柴油多联产，达到废弃物资源化，基本上消除了水污染，每年可净减排废水约5亿吨,谷氨酸等,排出,处理,火电厂 28.24亿吨（40.1,微藻 约年产10亿吨生物质 相当于3亿吨生物燃料 相当于产值2万亿元,2010年我国总CO2排放量70亿吨，位居世界第一。微藻培养与重污染行业联产，实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产,CO2,排出,

10、吸收,低碳工业,石油加工业 11.07亿吨（15.7,黑色金属冶炼工业 5.80亿吨（7.3,微藻与火电厂等重污染工业联产低碳生物经济,微藻生产生物柴油的优势,微藻,棉,5X107公顷,1X109公顷,3X109公顷,4X109公顷,1.1X1010公顷,2X1010公顷,棕榈,大豆,油菜,麻疯树,微藻,棉花,5X107公顷,2X1010公顷,用地,20倍,Peer M S , et al.Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production.BioenergyResearch,2008,

11、1:2043,不同植物生产全球生物柴油所需用地面积,美国： -“水生生物种计划”（1978-1996），07年重新启动。 -“微型曼哈顿计划”（2006-2010） -“太阳神计划”（2006） -“JP-8喷气燃料替代品计划”（2008） -“微藻生物燃料技术路线图”（2009,日本： -“地球研究更新计划技术”耗资25亿美元 -2010年 微藻将CO2转化成燃料乙醇,英国： -“藻类生物燃料计划”耗资2600万英镑 -2020年 实现利用藻类生产运输燃料,微藻生物柴油已经成为当今世界的研究热点,2007年10月荷兰AlgaeLink公司成功开发出新型微藻光生物反应器系统,世界各国研究现状,

12、微藻生物能源研究历史及现状,二战期间和二战之后, 德国和美国就开始研究利用微藻油脂作为食品和燃料的代用品; 五十年代中期, 对绿藻和硅藻在胁迫条件下中性脂肪的积累进行了广泛的研究; 的七十年代, 由于能源危机和阿拉伯国家实行石油禁运, 美国能源部支持了一项微藻-燃料研究、开发项目”微藻废水处理-生物质-甲烷气生产”; 1978年-1996年：美国ASP计划（耗资2500万美元） 2006年下半年：因油价上涨等因素，微藻能源掀起研究热潮 2009年：美国组织大量专家提出藻类生物燃料技术路线图 2009年：中国科技部微藻能源探索性立项 2010年：973立项,现状：大多在实验室研究、少数开始进行初

13、步的中试研究 （无实验数据报道），尚无规模化的微藻能源制备系统方面的报道,2007-2009年NATURE、SCIENCE上发表5篇微藻能源的评论,2001-2010年微藻能源学术论文统计,2010年 1-5月,埃克森美孚启动微藻生物燃料,国内主要的研究单位,微藻航空生物燃料,生物柴油 (Bio-diesel) 航空生物燃料 (Bio-jet fuel) (Bio-kerosene,据美国NREL的数据估算，利用油藻生产生物柴油替代全美运输燃料仅需少量荒地（约6000万亩）。 2007年，美国启动了微型曼哈顿计划，预计到2010年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标,青岛所与波音公司联

14、合研发微藻航空生物燃料,据英国独立报2010年6月10日报道，空中客车公司“新一代钻石DA42” 飞机，用100%微藻生物燃料作为驱动燃料，在6月8日开幕的柏林国际航空航天展览会上完成首飞。 首次证明了微藻生物燃料完全可以独立为飞机的飞行提供燃料（碳氢化合物1/8、氮氧化合物60%、硫氧化物1/60）。 加速了微藻能源产业化开发进程,Powered by 100 percent algae biofuel,微藻生物燃料已成功应用于航空,第五章 微藻生物能源,1. 背景介绍 2. 产业化关键技术 3. 微藻生物炼制 4.我们的工作,微藻生物能源技术路线图,微藻生物能源技术路线图,关键技术1：优质

15、种质资源的选育,1、优良藻种的标准和遗传基础？生长快、适应性强、油脂含量高、高效固 定CO2、适合处理污水、易采收 ，如何考虑遗传稳定性？ 2、诱变育种或基因工程改造的基础？自然种、纯系？基因工程菌性能要求,日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目，耗资近3 亿美元，分离出1 万多株微藻。 1978年到1996年美国能源部开展了“水生物种计划”（The Aquatic Species Program)，在20年的时间内从3000株藻种中选出了大约300株的高效产生物柴油藻种,微藻种类丰富，广泛分布于淡水和海水中，全球已经鉴定的微藻大约有60,000种!而且其数量还在不断

16、增加,美国加州大学伯克利分校Niyogi教授实验室以此筛选出模式生物莱茵衣藻和拟南芥的大量突变株， 并建成了这两种模式生物的全球性突变种质资源中心（Niyogi et al., 1997; Siripong et al., 2002; Nakajima et al., 2004,Mussgnug等利用RNA沉默技术下调莱茵衣藻中捕光色素蛋白复合体蛋白的表达量，构建的工程微藻在液体培养中，对光损害的抵御力增强，并增加了光的穿透能力(Mussgnug et al., 2007,Li等将不合成淀粉的莱茵衣藻突变株中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶缺失后， 油脂含量提高10倍 （Li et al., 2010

17、,真核微藻基因工程的瓶颈,工程微藻研究的热点,关键技术2：规模化培养,1、自养培养的物质和能量转化及环境调控规律，微藻产/储油机理？对高密度培养条件的响应，物理、化学胁迫 2、培养条件对微藻生长和繁殖特性的影响及其变化规律？反应器、跑道池、大池；自养、异养及兼养,微藻生长与油脂积累受到非生物因素（包括光照、温度、营养、溶氧浓度、二氧化碳浓度、pH、盐度、培养液中的有毒成分）、生物因素（包括细菌、真菌、病毒及其他微生物的污染）以及操作因素（包括搅拌产生的摩擦力、稀释率、收获方式）等的影响（Soletto et al., 2008; Mata et al., 2010; Packer, 2009,

18、能源微藻光合固碳与油脂积累的协同提高途径的基础研究,光合固碳与油脂积累图,微藻高密度培养与环境因子胁迫产油,核酮糖-1，5-二磷酸,CO2+H2O,3-磷酸甘油酸,1，3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸,二羟丙酮磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乙酰-CoA,丙二酸单酰-CoA,乙酰-CoA,乙酰-ACP,丙二酸单酰ACP,乙酰合酶,乙酰乙酰-ACP,D-羟丁酰-ACP,反式-羟丁酰-ACP,丁酰-ACP,软脂酰-ACP,软脂酸,代谢工程手段提高微藻油脂含量,油脂代谢途径调控， 提高藻油脂含量,研究光合作用， 提高藻生物量,光生

19、物反应器微藻培养的核心技术,微藻研发过程中存在较多的技术难点，其中缺乏高效、节能、技术成熟的光生物反应器作为研究基础，其极大的限制了微藻能源的研发和规模化发展。 这主要是由于微藻光生物反应器设计，涉及较多学科的交叉，目前的研究没有从深层次系统地理解和掌握其设计的基本科学原理和规律，因此难以形成解决关键问题的核心技术,什么反应器适合微藻培养,光反应器存在结构设计不合理，光照分布不均匀，光能利用率低，光合效率不高，CO2利用率不高等问题，这阻碍了藻细胞密度的提高，进而提高了微藻生物能源的生产成本，为生物柴油的规模化生产带来了困难,光生物反应器设计核心问题光源,细胞浓度(g/L,光照距离（cm,A

20、Light Distribution Model for an Internally Radiating Photobioreactor,光衰减图,关键技术3：采收和综合利用,1、面向规模化的低成本高效率采收？藻体细胞的理化性质影响， 低成本，高效采收方法. 2、微藻资源的综合利用？藻体多元特性，能源化利用，高值化利用. 3、面向规模化应用的系统集成？物质、能量衡算，经济效益, 社会效益，环境效益， 全生命周期分析,微藻生长特性对采收的影响,微藻细胞表面积对絮凝采收的影响,微藻油的提取是降低成本的关键,油脂提取传统方法 (Bligh and Dyers method,高能耗,CO2+H2O,微

21、藻生物质,油,微藻油脂提取方法的高能耗，大大降低了其实用性。微藻油脂提取过程的能耗占整个微藻油脂生产过程的3050,第五章 微藻生物能源,1. 背景介绍 2. 产业化关键技术 3. 微藻生物炼制 4. 我们的工作,高成本是目前微藻生物柴油商业化的主要障碍,降低生产成本是实现微藻生物柴油工业化的关键,成本20000元人民币/吨,售价8000元人民币/吨,微藻生物柴油,柴油,微藻固定CO2成本高,将我国每年排放的大量废水和废气的处理与微藻培养相结合，实现废弃物资源化，同时降低微藻培养的成本,N、P、K等,CO2,数据来源于中国期刊网,降低微藻生物柴油商业化成本的出路 废弃物资源化利用,废水,废气,

22、微藻能高效利用光能、CO2、废水资源和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质,CO 2,藻,藻 体,色 素,维生素,酶,多聚物,油 脂,Benemann et al.1987; Cohen,1999; Skulberg,2000 Pulz et al.2001,微藻生物能源副产高附加值产品,微藻生物炼制技术降低微藻生物柴油商业化成本的出路,有机相,提取,提取,水相,多次循环抽提,色素,油脂,生物柴油,蛋白质 多糖 维生素 核酸,叶绿素 类胡萝卜素 虾青素,能源 食品 医药 农药 化工 饲料,EPA,DHA,PUFAs,人尽其才，物尽其用,物尽其用，吃干榨尽,建立了微藻

23、的油脂、蛋白、多糖分析方法 建立了藻体的微藻油脂组成分析方法 对不同的油脂提取方法进行了研究评价,微藻的综合利用能源化、高值化,利用微藻代谢产物生产医药和农药中间体、食品添加剂、日用化学品原 料和精细有机化工原料等精细与日用化学品，其市场潜力可达4000亿美元,微藻某些代谢产物可用来生产医药与农用化学品,微藻原油,微藻糖,生物转化,尿素 乙醛酸,D-海因酶,D-N-氨甲酰酶,某些微藻具有合成生物基高分子材料的能力,我国塑料包装产量已超过1200万吨，但每年包装的废物利用率仅约20%。换句话说，有将近80%的塑料需要被处理、焚烧，对环境造成严重的污染,同时引起资源日益匮乏，微藻生物基材料具备生物

24、降解和可再生等特性,塑料,无纺布,聚酯纤维,包装材料,生物可降 解材料 （PLA,PBS,PHA,地膜,第五章 微藻生物能源,1. 背景介绍 2. 产业化关键技术 3. 微藻生物炼制 4. 我们的工作,藻种的分离纯化,考察,取样,分离,纯化,培养,藻种,1、藻种的筛选与保藏,计算机辅助高产藻种筛选,计算机辅助筛选模型,通过计算机辅助优选的藻种，生物量提高了2倍,优良藻种的筛选与培养,微藻保藏方法的建立,固体平板低温保种 保种时间为2年,液体低温保种 保种时间为1年,液体常温保种 保种时间为3个月,建立了3种保种方法,2. 建立面向微藻生物柴油生产藻种综合品质评价方法（整合了17种指标,藻种品质

25、评价指标非常复杂,借助数学的眼睛认识微藻,模糊综合评价方法,三株微藻的微藻模糊综合评价结果表,在美国的能源部2010年提出的 “Algae-to-Biofuel Production Pathways”基础上，制定了产生物柴油微藻藻种评价指标并根据微藻生物柴油开发的各个环节的要求，将评价指标分为三组：产生物柴油微藻的生理、生化指标；产生物柴油微藻的培养工艺指标；产生物柴油微藻的后处理指标,3、微藻培养条件的优化,化学条件优化,CO2和KNO3的三维空间响应曲面图,CO2和KNO3的二维等高线图,优化前藻光密度（生物量）为0.238，优化后藻光密度（生物量）为2.139，生物量提高近10倍,3、

26、微藻培养条件的优化,温度和光照的三维空间响应曲面图,温度和光照的二维等高线图,优化前培养周期25天，优化后培养周期缩短为10天，培养周期缩短60,物理条件优化,废水资源化利用,COD降80%以上,生物量增加近20倍,培养前,培养后,培养后,4、通气速率对微藻生长和油脂积累的影响,Effects of different ventilation rates on Chlorella vulgar biomass,Effects of different ventilation rates on Chlorella vulgar lipid content,外置光源鼓泡式式光生物反应器,气升内导管

27、式光生物反应,内置光源鼓泡式光生物反应,增加光合作用效率的方法： 截短光合系统的天线叶绿素等可以使光合效率提高3倍 适合的培养环境（例如管式反应器中氧胁迫的解除） 增加混合、合理的光暗循环（气体流速、气体分布器的结构与布置调整） 反应器的结构改造、反应器的放置角度调整,5、新型高效光合反应器的设计开发,气体分布器的改良和通气条件的优化,对于微藻规模化制备，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈 本课题组，对金属盐、高分子聚合物、电场和超声絮凝进行了系统的研究,金属盐采收效果图,聚丙烯酰胺、壳聚糖,6、藻体收集技术,1、液氮破碎效果最好，细胞破碎率达100%；破碎时间短，操作简单，是可以工业化的一种方法。 2、酶破碎效果较好，细胞破碎率达90%以上；操作简单，是一种潜在工业化方法,7、不同细胞破碎方法的比较,核酮糖-1，5-二磷酸,CO2+H2O,3-磷酸甘油酸,1，3-二磷酸甘油酸,甘油醛-3-磷酸,关键因子,温度,光照,pH,CO2,关键酶,核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶