微藻生物能源

1、 （1）熟悉海洋微藻生物柴油研究历史及现状 （2）掌握海洋微藻生物柴油关键技术 （3）了解目前存在的问题和发展方向* 石石 油：油：储量储量15001500亿吨亿吨 可用4040年年 * 天然气：储量天然气：储量11001100亿吨亿吨 可用5050 年 * 煤炭：储量煤炭：储量55005500亿吨亿吨 可用200200年年 全球化石能源储量全球化石能源储量0 0500500100010001500150020002000196019601980198020002000202020202040204020602060Quads（BTU）Quads（BTU）能源消费能源消费能源供给能源供给 20

2、062006年年国内外生物能源的研究背景05101520251980年1985年1990年1995年2000年2003年2005年（亿吨标准煤）能源消费能源供给马尔代夫总统纳希德在水下内阁会议上签署环保倡议书 10001400120016001800200000.5-0.51.0年北半球地表温度变化北半球地表温度变化19981998年年温度距平()2020世纪世纪是过去是过去10001000年中年中最温暖最温暖的的100100年。年。* * 可再生能源可再生能源. .* * 清洁能源清洁能源, ,环境污染相对较少环境污染相对较少. .* * 易于储存和运输易于储存和运输. .* * 分布广泛分

3、布广泛. .太 阳 能 、 生 物 能 源 、 风 能太 阳 能 、 生 物 能 源 、 风 能 新能源可再生能源生物能源我国能源储量及可利用能源资源煤炭：煤炭：9883石油：石油：46天然气：天然气：9铀矿：铀矿：25可再生能源（可再生能源（亿吨标煤年）化石能源储量（化石能源储量（亿吨标煤）太阳能：太阳能：13543生物质能：生物质能：8水能：水能：4.1风能：风能：1.7潮汐能：潮汐能：0.22005年我国能源消费的总量为2222亿T标准煤 1992年5月9日通过了联合国气候变化框架公约；1994年3月21日生效。 1997年12月11日，通过了联合国气候变化框架公约京都议定书；2005年

4、2月16日生效。w在2008年至2012年，需将其人为温室气体排放水平在1990年基础上平均减少5.2%。其中，欧盟为8，美国7，日本6，澳大利亚增长8。w向发展中国家提供新的和额外的资金和技术援助。w帮助发展中国家提高应对气候变化的能力建设。发达国家国内减排成本平均在100美元/吨碳以上发展中国家的平均减排成本只有几美元至几十美元这种巨大的减排成本差异，推动了清洁发展机制（CDM）的发展：气候公约和京都议定书允许发达国家通过境外减排方式履行在气候公约和京都议定书下的义务。 清洁发展机制（清洁发展机制（CDM）系京都议定书第）系京都议定书第12条确立的机条确立的机制，其制，其核心内涵核心内涵是

5、：发达国家通过提供资金和技术的方式，是：发达国家通过提供资金和技术的方式，与发展中国家合作，在发展中国家实施具有温室气体减排效与发展中国家合作，在发展中国家实施具有温室气体减排效果的项目，项目所产生的温室气体减排量用于发达国家履行果的项目，项目所产生的温室气体减排量用于发达国家履行京都议定书的承诺。京都议定书的承诺。 简言之，就是简言之，就是“资金技术资金技术”换取更多的温室气体排放权换取更多的温室气体排放权 在美国宣布减排目标之后不到24小时，中国政府便作出了国务院总理温家宝将出席哥本哈根气候变化大会的声明，与此同时，宣布了到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%至

6、45%的目标。作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。会议还决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，到2020年我国非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右；通过植树造林和加强森林管理，森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。这是我国根据国情采取的自主行动，是我国为全球应对气候变化做出的巨大努力。”中国CO2减排压力 提高生产效率尤其是提高能源效率； 削减化石燃料消费； 寻找替代化石燃料的能源 二氧化碳的收集和储存 早在20世纪70年代美国、日本、西欧等国家就开始了生物质能的前期探索和研究工

7、作，如美国的海洋生物质能源计划（1974）、水生物种计划（1978）；日本的新能源开发计划（阳光计划，1974）、节能技术开发计划（月光计划，1978）、环境保护技术开发计划（1989）、能源与环境领域综合技术开发推进计划（新阳光计划，1993）；印度的乙醇利用计划（1975）、巴西的乙醇能源计划普洛阿尔库尔计划（1976）等。经过多年的研究和开发，很多国家以粮油作物为资源的生物质能开发已实现了规模化生产。 生物乙醇生物乙醇 - 应用很久源于生物的内燃机燃料应用很久源于生物的内燃机燃料, 现在巴西现在巴西和美国已广泛采用和美国已广泛采用,我国也已在几个省份试用我国也已在几个省份试用, 属于环境

8、友属于环境友好的燃料组分。好的燃料组分。 一般以一般以10%的比例掺入汽油的比例掺入汽油, 因乙醇发热量较低因乙醇发热量较低, 大约大约 1 吨乙醇可节约吨乙醇可节约 0.9 吨汽油。吨汽油。 通常以玉米、甜高粱等粮食作物为原料经发酵过程生产。通常以玉米、甜高粱等粮食作物为原料经发酵过程生产。当汽油价位低时难与竞争，需政府补贴。当汽油价位低时难与竞争，需政府补贴。 正在开发中的利用玉米秸秆的纤维素、半纤维素加酸或正在开发中的利用玉米秸秆的纤维素、半纤维素加酸或酶水解转化成葡萄糖然后发酵的工艺可免与粮食争原料，酶水解转化成葡萄糖然后发酵的工艺可免与粮食争原料，但成本偏高。但成本偏高。 生物柴油是

9、清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。 1 已在欧洲和美国等地使用多年，属于源于生物已在欧洲和美国等地使用多年，属于源于生物的环保型清洁燃料。的环保型清洁燃料。 2 原料为油菜籽油、大豆油、葵花籽油、棕榈油原料为油菜籽油、大豆油、葵花籽油、棕榈油以及厨房回收油，将其与甲醇进行酯交换反应，以及厨房回收油，将其与甲醇进行酯交换反应，得到脂肪酸甲酯（得到脂肪酸甲酯（FAME）即生物柴油，并副产甘）即生物柴油，并副产甘油。油。 3 通常掺入柴油通常掺入柴油 中的比例中的比例

10、10%-20%，性能变化不大，性能变化不大，如如 100% 代替，则存在寒冷地区或季节流动性能不良和代替，则存在寒冷地区或季节流动性能不良和对橡胶材料侵蚀问题。对橡胶材料侵蚀问题。 4 原料中含不饱和脂肪酸多时，所制得的原料中含不饱和脂肪酸多时，所制得的FAME 氧化稳氧化稳定性差。定性差。 5 生物柴油润滑性能好生物柴油润滑性能好 6 生物柴油成本视原料价格而有差异，一般比石油柴油生物柴油成本视原料价格而有差异，一般比石油柴油高（除非原油价位高时），有些国家对城市公交客车使高（除非原油价位高时），有些国家对城市公交客车使用给予补贴。用给予补贴。 1 从生物来源和清洁燃料的角度，生物柴油和乙醇

11、汽油从生物来源和清洁燃料的角度，生物柴油和乙醇汽油是很好的代用燃料。是很好的代用燃料。 2 原料的来源与各国国情密切相关，要具体分析。原料的来源与各国国情密切相关，要具体分析。 3 乙醇的生产原料可扩大到多种含纤维素物料，比较容易乙醇的生产原料可扩大到多种含纤维素物料，比较容易得到。得到。FAME 原料仅限于油料作物，数量有限。原料仅限于油料作物，数量有限。 4 专家估计在欧盟替代专家估计在欧盟替代 5% 汽油，需占用汽油，需占用 5% 耕地，替代耕地，替代 5% 柴油，需占用柴油，需占用 15% 耕地；而在美国上述占用比例分别耕地；而在美国上述占用比例分别为为 8% 和和 13% 。 5 美

12、国目标是将生物源的替代运输燃料所占比例从目前的美国目标是将生物源的替代运输燃料所占比例从目前的不足不足 5% 提高到提高到2020年的年的 10% 和和2030年的年的 20% 。 生物质能规模化生产逐渐引发了粮食、耕地和水资源危机，以及土壤结构和植被生物多样性破坏等生态问题。联合国近期公布的分析报告指出，生物质能的开发对粮食涨价的贡献达到了75。由于上述原因，2008年，美国与欧盟相继修正甚至中止了利用农作物开发生物质能的项目。美国、欧盟、澳大利亚、日本、印度等国政府和企业都投入了大量资金来进行海洋生物质能的开发，力图改变当前以粮食作物为主要原料的局面，试图提出一种全新的解决思路。 生物柴油

13、已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源，但制约其大规模发展的关键问题是原料严重不足。 近年来，人们普遍认为微藻光自养生长过程合成的油脂是一种极有希望的制备生物柴油的大宗原料。微藻光自养生长过程可合成大量油脂，与其他生物质相比，具有5大优点： l 光合作用效率高、含油量高、微藻生物柴油的面积产率非常高l 可固定大量的CO2，这不仅对于CO2减排问题的解决具有重要的潜在价值，且可使微藻生长所需碳源成本（1万元/吨螺旋藻）降为0l 可利用废水中的N、P等营养，不仅可降低水体富营养化，且可使微藻生长所需N源成本（0.30.4万元/吨螺旋藻）、P源成本（0.3万元/吨螺旋藻）降为0l 不与农作物

14、争地(可用滩涂、盐碱地、荒漠、海面等)、争水(可用海水、盐碱水和荒漠地区地下水等)：如利用封闭式光生物反应器培养微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的。l 微藻个体小、木质素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻来生产液体燃料所需的后处理条件相对较低生产生物柴油的资源比较生产生物柴油的资源比较资源资源油产量油产量 (L/ha)所需耕地面积所需耕地面积 (M ha)a占美国现有耕占美国现有耕地面积的比例地面积的比例（%）玉米玉米1721540846大豆大豆446594326油菜油菜1190223122麻风树麻风树189214077椰子椰子26899954油棕榈油棕榈59504524微藻微藻b13

15、6,90021.1微藻微藻c58,7004.52.5a 满足美国交通燃油需求量的满足美国交通燃油需求量的50%b 油含量达到细胞干重的油含量达到细胞干重的70%c 油含量达到细胞干重的油含量达到细胞干重的30%Back(1)生长速度快，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可能提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。(2)适应能力强，不争地，不争水：一些微藻具有盐碱适应能力，可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养；利用封闭式光生物反应器培养微藻，生产相同量的生物质，其耗水量仅为农作物的1。(3)大量积累脂质，因而可高效生产生物燃油：一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的5

16、0-90，有望成为最有前景的生物燃油来源。(4)具有减排效应，可以直接处理工业废气：微藻可以通过光合作用利用废气(CO2、NO2)和废水，不仅能缓解温室气体的排放，而且可以通过利用废水废气降低生产成本，一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制直接吸收CO2并转化为碳酸氢(盐)，具有显著减排效应，有望进行商业化减排。(5)可高值化综合利用：微藻含有丰富的生物活性物质，在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用，相对降低微藻产油的成本。可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料和饵料等。海洋微藻生物质能开发具有的特点和优势 CO2减排已成为亟待解决的全球性问题，随着

17、2012年的接近，中国企业CO2减排压力越来越大，CDM市场非常巨大。微藻的光自养生长过程可固定大量CO2，这对于CO2减排问题的解决具有重要的潜在应用价值。微藻培养成本高（2万元/螺旋藻、5万元/小球藻），仅从CO2减排角度利用微藻光自养培养来固定CO2的成本太高。已有微藻生物技术产业规模很小（全球微藻粉的产量约2万吨/年），即使全部利用CO2作为碳源，其消耗量也很少（每年不超过4万吨CO2，但排放62亿吨/47.6亿吨），且利用微藻吸收CO2技术目前尚不成熟。生物柴油的市场需求量极大（中国1亿吨/年），因此微藻生物柴油产业的发展给CO2减排压力的缓解带来了新希望。二、微藻生物柴油研究进展（

18、研究的背景、独特优势、与CO2减排的耦合）19781996年，美国能源部资助“AquaticSpeciesProgramBiodieselfromAlgae”项目，在能源微藻藻种筛选方面做了大量工作并在户外敞开池大规模培养方面做了一定的尝试。美国可再生能源实验室于1998年向DOE提交了一份长达328页的工作总结报告“ALookBackattheU.S.DepartmentofEnergysAquaticSpeciesProgram-BiodieselfromAlgae”（被誉为“藻类圣经”）。19902000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目。该项目利用微

19、藻来固定CO2,并着力开发密闭式光生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的CO2来生产生物能源。10年间共投资约25亿美元，筛选出多株耐受高CO2浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立了光生物反应器的技术平台。20062008年，石油价格一度大幅上扬，美国、欧洲等发达国家的政府和企业在该微藻生物柴油产业化技术方面纷纷投入大量资金进行中试开发，在国际上掀起了一股势不可挡的热潮。过去所开展的微藻光自养培养研究，大多关心具有营养及生物活性的物质，很少关注藻细胞内的油脂，仅有少量研究涉及藻细胞内的多不饱和脂肪酸。过去大多从事微藻生物技术研究的人近年来及时转向从事微藻生物柴油方面的研究工作

20、。这些人大多从事生物学研究及敞开式培养，仅有少数课题组是从生化工程角度开展微藻培养及光生物反应器方面的研究。从生物柴油角度开展能源微藻藻种筛选及光自养培养技术研究，仅是近年来的事，目前大多处于实验室阶段。在国际上最早从事微藻生物柴油研究工作的是清华大学吴庆余教授课题组，主要是通过异养培养小球藻获得生物柴油。异养培养微藻生产生物柴油存在二大不足：一是成本高且难以和产油微生物竞争，二是失去了光自养培养微藻生产生物柴油的优点（如不仅不能固定CO2反而会排放出CO2）。 微藻的种类有几万种。目前世界上已实现工业化生产的微藻主要有目前世界上已实现工业化生产的微藻主要有螺旋藻、小球藻、杜氏藻、雨生螺旋藻、

21、小球藻、杜氏藻、雨生红球藻和寇氏隐甲藻（异养生产红球藻和寇氏隐甲藻（异养生产DHA）等五种）等五种（饵料微藻未商品化）。（饵料微藻未商品化）。微藻生物技术产品主要包括：微藻藻粉、微藻生物技术产品主要包括：微藻藻粉、-胡萝卜素、胡萝卜素、虾青素、虾青素、 DHA等。等。（一）（一） 已实现产业化的微藻及其产品简介已实现产业化的微藻及其产品简介螺旋藻小球藻杜氏盐藻雨生红球藻微藻藻粉的微藻藻粉的生产流程生产流程： 控制培养条件控制培养条件藻种培养液藻种培养液 逐级放大逐级放大 培养系统培养系统 采收采收 干燥干燥 成品成品 大规模生产中一般采用大规模生产中一般采用半连续流加培养半连续流加培养，定期向

22、培养液中，定期向培养液中补加消耗较大的营养盐，收获后培养液再循环使用补加消耗较大的营养盐，收获后培养液再循环使用 （1）微藻光自养培养 以光作为能量还原以光作为能量还原CO2同化为碳水化合物，而获得生物量。同化为碳水化合物，而获得生物量。光合成反应如下：光合成反应如下： CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太阳能太阳能 CH2ONP + O2 目前国内外微藻的目前国内外微藻的大规模培养大规模培养均属均属光自养培养光自养培养。 （三）（三） 微藻光自养培养与光生物反应器微藻光自养培养与光生物反应器l 微藻光自养生长的影响因子 光照 溶解氧 温度 培养液pH 营养盐必须要用光照必

23、须要用光照。对于外部光源的反应器，要求反应器的比表面积很大。对于外部光源的反应器，要求反应器的比表面积很大，培养液的深度要相对小，否则藻体就得不到充足的光能。为了充分，培养液的深度要相对小，否则藻体就得不到充足的光能。为了充分利用自然光，反应器必须放在户外，而户外的光照条件受地域和气候利用自然光，反应器必须放在户外，而户外的光照条件受地域和气候的影响，难以控制。的影响，难以控制。从从混合混合角度来看，在藻类培养过程中的混合角度来看，在藻类培养过程中的混合,除了具有促进气液传递、除了具有促进气液传递、液固传递、防止细胞沉降作用外，还必须使藻细胞在液固传递、防止细胞沉降作用外，还必须使藻细胞在光照

24、方向上能充光照方向上能充分混合分混合，否则藻细胞受光就不均匀，否则藻细胞受光就不均匀。光不仅有光周期、光质和光强的不同，光不仅有光周期、光质和光强的不同，还有明显的时、空（纬度、水体深度）非线性变化还有明显的时、空（纬度、水体深度）非线性变化。 微藻的光自养培养所用装置，从广义来说均可称为微藻的光自养培养所用装置，从广义来说均可称为光生物反应器光生物反应器，但通常人们所说的光生物反应器是，但通常人们所说的光生物反应器是指指封闭式光生物反应器（封闭式光生物反应器（Enclcosed Enclcosed photobioreactorphotobioreactor） 光生物反应器有两大类：一类是光

25、生物反应器有两大类：一类是敞开式光生物反敞开式光生物反应器应器，另一类是，另一类是封闭式光生物反应器封闭式光生物反应器。 国外进行能源微藻藻种筛选工作的单位主国外进行能源微藻藻种筛选工作的单位主要是要是美国可再生能源实验室、新西兰的美国可再生能源实验室、新西兰的Massey University 和德国的和德国的University of Tbingen，加拿大、日本和英国的一些大，加拿大、日本和英国的一些大学在藻种筛选和培养方面做了一些工作学在藻种筛选和培养方面做了一些工作。筛选出的高油含量微藻主要包括筛选出的高油含量微藻主要包括绿藻门、绿藻门、硅藻门、蓝藻门、金藻门硅藻门、蓝藻门、金藻门的一些种类。的一些种类。对于以获得生物柴油为目标的微藻培养而言，光自养培养积累的脂肪比异养培养要多。从脂肪含量来看，光自养培养时的最高值为67%，异养培养时的最高值为69.1%。从培养规模上看，光自养培养的最大规模为110L GWP（Green Wall Panel），异养培养的最大规模为11000L反应器。目前，微藻的商业化培养规模仍然较小，而且多以开放式大池培养为主，其培养效率低、容易受污染和天气的影响。微藻生物柴油产业的发展亟需一种高效率、低成本、易放大的微藻培养系统-光生物反应器。 利用