生物质能源--微藻

1、生物质能源微藻1. 1. 背景介绍背景介绍2. 2. 产业化关键技术产业化关键技术3. 3. 微藻生物炼制微藻生物炼制4. 4. 我们的工作我们的工作藻类植物藻类植物(大型藻和微藻大型藻和微藻)蓝藻门蓝藻门红藻门红藻门隐藻门隐藻门甲藻门甲藻门金藻门金藻门黄藻门黄藻门硅藻门硅藻门褐藻门褐藻门裸藻门裸藻门绿藻门绿藻门轮藻门轮藻门小球藻等小球藻等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。藻类植物的分类藻类植物的分类微藻（微藻（icroalgaeicroalgae）是一类在陆地、海洋分布广泛，营养）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

2、种类繁多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，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。目前开发的更是微乎其微。绿藻红藻硅藻什么是微藻？物种物种已发现数量已发现数量已发现占估计数比例（已发现占估计数比例（%）淡水微藻淡水微藻.10490海洋微藻海洋微藻.71010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，已经在地球上生存了3535亿年之久，能在水中进行光合作亿年之久，能在水中进行光合作用释放出氧气，

3、在用释放出氧气，在中发挥了极其重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要的作用，因此微藻的出现为地球上其他生物的出现。 生物质生物质+O2CO2 +H2O+光光为什么是微藻？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能的比值。植物：藻：微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高1L空气中含有约5.910-4 g CO21L水中含有约1.7gCO21L空气中含有约0.3g O2近近3000倍倍1L水中含有约0.008gO21/40微藻通过光合

4、作用固定CO2的效率比陆生植物更高折射折射衍射衍射水水散射散射 由于水对光具有折射、衍射、散射等效应，使得微藻所由于水对光具有折射、衍射、散射等效应，使得微藻所有表面都有可能受光照，然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而陆生植物只有向光面才有可能受光照。受光照。1 g干干物质物质树叶比表面积: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相同质量的微藻比表面积是树叶的，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。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微藻光合色素含量占

5、其干重的重的2.5%分布于整个细胞分布于整个细胞，整个细胞就是一个光合，整个细胞就是一个光合反应器，有利于光合产物反应器，有利于光合产物的合成与转运的合成与转运。植物光合色素含量占植物光合色素含量占其干重约其干重约0.05%,分布分布于树叶于树叶、树干等组织树干等组织中细胞的特定部位，中细胞的特定部位，不有利于光合产物的不有利于光合产物的合成与转运合成与转运。50倍倍微藻光合天线植物光合天线几十倍几十倍植物的捕光天线是类囊体膜内的叶绿素,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。微藻通过光合作用固定CO2的效率

6、比陆生植物更高 微藻固定二氧化碳及产油途径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，细胞可不断地从细胞可不断地从外部环境中把无机碳或外部环境中把无机碳或CO2运输到体内运输到体内，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微藻光合作用温度更恒定的水环境有利于微藻的光合作用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

7、占地球表面：71%陆地面积：1.49亿平方千米占地球表面：29%CO2O2固定全球60%以上的CO2固定全球40%的CO2森林固定森林固定CO2 变成变成煤炭；煤炭；海洋微藻海洋微藻固定固定CO2变成石油变成石油在已知能固定在已知能固定CO2的微生物中微藻能力最强的微生物中微藻能力最强微藻微藻核酮糖核酮糖-1，5-二磷酸二磷酸6CO23-磷酸甘油酸磷酸甘油酸甘油醛甘油醛- 3-磷酸磷酸甘油甘油脂肪酸脂肪酸产甲烷菌产甲烷菌四氢叶酸（四氢叶酸（THF）2CO2CHO-THFCH3-CO-X乙酰乙酰-CoA脂肪酸脂肪酸草酰乙酸草酰乙酸2CO2异柠檬酸异柠檬酸柠檬酸柠檬酸乙酰乙酰-CoA脂肪酸脂肪酸泥

8、生绿菌泥生绿菌 绿色硫细菌绿色硫细菌 羟基丙酰羟基丙酰-CoA2CO2甲基丙二酰甲基丙二酰-CoA苹果酰苹果酰-CoA乙酰乙酰-CoA脂肪酸脂肪酸微藻固定微藻固定CO2能力是其他微生物的能力是其他微生物的3倍以上倍以上。微藻通过光合作用生产生物质能源具有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更高的原子经济性产品产品乙醇乙醇乳酸乳酸丁二酸丁二酸生物柴油生物柴油CO2/mol产品产品排放排放1 mol0 mol吸收吸收1 mol吸收吸收mol微生物微生物酵母酵母 乳酸菌乳酸菌 琥珀酸琥珀酸放线杆菌放线杆菌 微藻微藻产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的产相同量的产品，微藻较其他微生

9、物固定更多的CO2微藻是理想的燃料藻粉藻粉热值热值相同质量相同质量煤炭煤炭微藻生物质热解所得热值高，平均高达微藻生物质热解所得热值高，平均高达33MJ/kg33MJ/kg，而且微，而且微藻燃烧后没有藻燃烧后没有SOSO2 2等有害气体，使用后排出等有害气体，使用后排出COCO2 2可以被微藻可以被微藻本身所固定，不会增加本身所固定，不会增加COCO2 2的净排放。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。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

10、料乌克兰乌克兰我国我国纯蛋白大豆纯蛋白大豆高质纯牛奶高质纯牛奶三聚氰胺牛奶三聚氰胺牛奶混合饲料混合饲料乌克兰种牛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。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，具有微藻光自养生长过程与其他生物质相比，具有5大优点：大优点：l 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。l 油脂面积产率高，单位面积的产油率是

11、其他油料作物的20400倍。l 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）l 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/吨螺旋藻）及及P源成本（0.3万元/吨螺旋藻）l 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 )20( Ohio Coal Research Center)氧气氧气(0.57kg)废气废气CO2N、P废水废水阳阳光光生物质生物质(CH1.8N0.17O0.56)(0.73kg)微藻产能微藻产能二氧化碳光合

12、作用转换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我国水泥行业 年排年排CO2亿吨亿吨微藻微藻约年产亿吨藻粉约年产亿吨藻粉相当于亿吨煤炭相当于亿吨煤炭产产6.61013MJ热量热量相当于相当于0.6亿吨生物燃料亿吨生物燃料相当于产值相当于产值4200亿元亿元 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及余热的及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。综合利用，以及微藻生物质燃料联产。CO2排出排出吸收吸收低碳工业低碳工业微藻低碳生物经济微藻生物能源我国味精行业我国味精行业年排放废水约年排放废水约5 5亿吨亿

13、吨微藻低碳工业微藻低碳工业约年产约年产 2000万吨生物柴油万吨生物柴油约年产约年产 6000万吨蛋白饲料万吨蛋白饲料产产1500万吨肉万吨肉 微藻工业、味精废水处理行业和饲料行业联产，实现饲料、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。亿吨。谷氨酸等谷氨酸等排出排出处理处理火电厂火电厂 28.24亿吨（亿吨（40.1%）微藻微藻约年产约年产10亿吨生物质亿吨生物质相当于相当于3亿吨生物燃料亿吨生物燃料相当于产值相当于产

14、值2万亿元万亿元2010年我国总年我国总CO2排放量排放量70亿吨，位居世界第一。微藻培养与重污染行业联产，亿吨，位居世界第一。微藻培养与重污染行业联产，实现实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。CO2排排出出吸收吸收低碳工业低碳工业 石油加工业石油加工业11.07亿吨（亿吨（15.7%）黑色金属冶炼工业黑色金属冶炼工业 5.805.80亿吨（亿吨（7.3%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2X10

15、10公顷棕榈棕榈大豆大豆油菜油菜 麻疯树麻疯树微藻微藻棉花棉花5X107公顷2X1010公顷用地20倍倍Peer M S , et al.Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production.BioenergyResearch,2008,1:2043不同植物生产全球生不同植物生产全球生物柴油所需用地面积物柴油所需用地面积 l美国：美国： - -“水生生物种计划水生生物种计划”（1978-1996），），07年重新启动。年重新启动。 - -“微型曼哈顿计划微型曼哈顿计划”（2006-2010

16、） - -“太阳神计划太阳神计划”（2006） - -“JP-8喷气燃料替代品计划喷气燃料替代品计划”（2008） - -“微藻生物燃料技术路线图微藻生物燃料技术路线图”（2009）l日本：日本： - -“地球研究更新计划技术地球研究更新计划技术”耗资耗资2525亿亿美元美元 - -20102010年年 微藻将微藻将COCO2 2转化成燃料乙醇转化成燃料乙醇l英国：英国： - -“藻类生物燃料计划藻类生物燃料计划”耗资耗资26002600万英镑万英镑 -2020-2020年年 实现利用藻类生产运输燃料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微藻生物柴油已经成为当今世界的研

17、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新型微藻光生物反应器系统 重点项目代表公司商业案例欧欧盟盟l“藻类生物燃料计划藻类生物燃料计划”耗耗资资50005000万美元万美元l 20202020年年 实现利用藻类实现利用藻类生产运输燃料生产运输燃料l英国藻类生物燃料公共资英国藻类生物燃料公共资助项目（助项目（26002600万英镑）万英镑）荷兰荷兰AlgaeLinkAlgaeLink公司公司新西兰新西兰AquaflowAquaflow生物经生物经济公司济公司AlgaeLinkAlgaeLink公司公司：工业化藻类培养：工业化藻类培养设备和藻油加工技术的跨

18、国公司设备和藻油加工技术的跨国公司日日本本l“地球研究更新计划技术地球研究更新计划技术”耗资耗资3 3亿美元亿美元l20102010年年 - -微藻将微藻将COCO2 2转化成转化成燃料乙醇燃料乙醇DICDIC集团集团开发出利用微藻将开发出利用微藻将COCO2 2转换成燃料转换成燃料乙醇的新技术乙醇的新技术中中国国l“微藻生物柴油成套技术微藻生物柴油成套技术”l“COCO2 2- -油藻油藻- -生物柴油关键生物柴油关键技术研究技术研究”l“微藻二氧化碳减排技术微藻二氧化碳减排技术研发及示范研发及示范”。兆凯生物工程研发兆凯生物工程研发中国石化等中国石化等新奥绿色能源公司新奥绿色能源公司080

19、8年新奥公司微藻固定年新奥公司微藻固定CO2CO2生物柴生物柴油年中试成功，油年中试成功，利用管道式及平板利用管道式及平板式光生物反应器从事能源微藻培养式光生物反应器从事能源微藻培养的中试、能源微藻分子生物学改造的中试、能源微藻分子生物学改造等等世界各国研究现状世界各国研究现状微藻生物能源研究历史及现状微藻生物能源研究历史及现状p二战期间和二战之后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;p五十年代中期五十年代中期, 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对绿藻和硅藻在胁迫条件下中性脂肪的

20、积累进行了广泛的研究;p的七十年代的七十年代, 由于能源危机和阿拉伯国家实行石油禁运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美国能源部支持了一项微藻-燃料研究、燃料研究、开发项目开发项目”微藻废水处理微藻废水处理-生物质生物质-甲烷气生产甲烷气生产”;p1978年年-1996年：美国年：美国ASP计划（耗资计划（耗资2500万美元）万美元）p2006年下半年：因油价上涨等因素，微藻能源掀起研究热潮年下半年：因油价上涨等因素，微藻能源掀起研究热潮p2009年：美国组织大量专家提出藻类生物燃料技术路线图年：美国组织大量专家提出藻类生物燃料技术路线图p2009年：年：中国科技

21、部微藻能源探索性立项中国科技部微藻能源探索性立项p20102010年：年：973973立项立项 现状：大多在实验室研究、少数开始进行初步的中试研究现状：大多在实验室研究、少数开始进行初步的中试研究（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（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2007-20092007-2009年年NATURENATURE、SCIENCESCIENCE上发表上发表5 5篇微藻能源的评论篇微藻能源的评论 2001-2010年微藻能源学术论文统计年微藻能源学术论文统计2010年年1-5月月埃克森美孚启动微藻生物燃料 课题组课题组 研究领域研究领域

22、清华大学吴庆余课题组清华大学吴庆余课题组异养培养产油小球藻、油脂提取和生物柴油加异养培养产油小球藻、油脂提取和生物柴油加工研究。工研究。国家海洋局第一研究所郑力课题组国家海洋局第一研究所郑力课题组从事能源微藻藻种筛选等。从事能源微藻藻种筛选等。暨南大学张成武课题组暨南大学张成武课题组从事能源微藻藻种筛选、规模培养等。从事能源微藻藻种筛选、规模培养等。中国海洋大学潘克厚课题组中国海洋大学潘克厚课题组从事能源微藻藻种筛选、分子生物学改造等。从事能源微藻藻种筛选、分子生物学改造等。中科院海洋所、南海所、武汉植物所、武汉水中科院海洋所、南海所、武汉植物所、武汉水生所、青岛生物能源所、遗传与发育所生所、

23、青岛生物能源所、遗传与发育所从事油藻藻种筛选与分子生物学改造、大规模从事油藻藻种筛选与分子生物学改造、大规模培养等。培养等。中科院过程工程研究所丛威课题组中科院过程工程研究所丛威课题组从事光生物反应器与微藻培养技术研究。从事光生物反应器与微藻培养技术研究。中科院大连化物所张卫课题组中科院大连化物所张卫课题组从事微藻产氢及微藻培养技术等研究。从事微藻产氢及微藻培养技术等研究。北京化工大学谭天伟课题组北京化工大学谭天伟课题组近年开始从事微藻及其和微生物联合培养等研近年开始从事微藻及其和微生物联合培养等研究。究。南京工业大学黄和课题组南京工业大学黄和课题组近年开始从事微藻培养研究，光生物反应器和近年

24、开始从事微藻培养研究，光生物反应器和高密培养的工作高密培养的工作南京农业大学王长海课题组南京农业大学王长海课题组从事海洋微藻生物技术方面的研究工作从事海洋微藻生物技术方面的研究工作厦门大学高坤山课题组厦门大学高坤山课题组从事微藻光合作用机理方面的研究从事微藻光合作用机理方面的研究华东理工大学李元广课题组华东理工大学李元广课题组从事微藻高密度高产率培养技术、新型光生物从事微藻高密度高产率培养技术、新型光生物反应器开发与产业化研究。反应器开发与产业化研究。国内主要的研究单位国内主要的研究单位微藻航空生物燃料微藻航空生物燃料 生物柴油生物柴油 (Bio-diesel) 航空生物燃料航空生物燃料 (B

25、io-jet fuel) (Bio-kerosene) 据美国据美国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仅需少量荒地（约少量荒地（约6000万亩）万亩）。 2007年，美国启动了年，美国启动了微型曼哈顿计划微型曼哈顿计划，预，预计到计到2010年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标。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合研发微藻航空生物燃料l 据英国据英国独立报独立报2010年年6月月10日报日报道，空中客车公司道，空中客车公司“新一代钻石新一代钻石DA42” 飞机，用飞机，用100%

26、微藻生物燃料微藻生物燃料作为驱动燃料，在作为驱动燃料，在6月月8日开幕的日开幕的柏柏林国际航空航天林国际航空航天展览会上展览会上完成首飞完成首飞。l 首次证明了首次证明了微藻生物燃料微藻生物燃料完全可以完全可以独立独立为飞机的飞行提供燃料为飞机的飞行提供燃料（碳氢化碳氢化合物合物1/8、氮氧化合物、氮氧化合物60%、硫氧化物、硫氧化物1/60）。）。l 加速了微藻能源产业化开发进程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微藻生物燃料已成功应用于航空第五章 微藻生物能源1. 1. 背景介绍背景介绍2. 2.

27、 产业化关键技术产业化关键技术3. 3. 微藻生物炼制微藻生物炼制4.4.我们的工作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关键技术1 1：优质种质资源的选育：优质种质资源的选育1 1、优良藻种的标准和遗传基础？、优良藻种的标准和遗传基础？生长快、适应性强、油脂含量高、高效固生长快、适应性强、油脂含量高、高效固 定定COCO2 2、适合处理污水、易采收、适合处理污水、易采收 ，如何考虑遗传稳定性？，如何考虑遗传稳定性？2 2、诱变育种或基因工程改造的基础？、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？自然种、

28、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日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新地球研究更新技术计划技术计划”的项目，的项目，耗资近耗资近3 3 亿美元，分离出亿美元，分离出1 1 万多株微万多株微藻藻。19781978年到年到19961996年美国能源部开展了年美国能源部开展了“水生物种计划水生物种计划”（The Aquatic Species Program)The Aquatic Species Program)，在在2020年的时间内从年的时间内从30003000株藻种中选出了大约株藻种中选出了大约300300株的高效产生物柴油藻种株的高效产生物柴油藻种 微

29、藻种类丰富，广泛分布于淡水和海水中，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全球已经鉴定的微藻大约有有60,00060,000种种! !而且其而且其数量还在不断增加数量还在不断增加! !美国加州大学伯克利分校美国加州大学伯克利分校NiyogiNiyogi教授实验室以此筛选出模式生物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，莱茵衣藻和拟南芥的大量突变株， 并并建成了这两种模式生物的全球建成了这两种模式生物的全球性突变种质资源中心性突变种质资源中心（Niyogi et al., 1997; Siripong et al., 2002; Nakajima et a

30、l., 2004Niyogi et al., 1997; Siripong et al., 2002; Nakajima et al., 2004）MussgnugMussgnug等利用等利用RNARNA沉默技术下调莱茵衣藻中捕光色素蛋白复合体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，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增强，并增加了光的穿透能力(Mussgnug et al., 2007)(Mussgnug et al., 2007)。LiLi等将不合成淀粉的莱茵衣等将不合成淀粉的莱茵衣藻

31、突变株中藻突变株中ADPADP- -葡萄糖焦磷酸葡萄糖焦磷酸化酶缺失后，化酶缺失后， 油脂含量提高油脂含量提高1010倍倍 （Li et al., 2010Li et al., 2010）真核微藻基因工程的瓶颈工程微藻工程微藻研究的热点研究的热点关键技术关键技术2 2：规模化培养：规模化培养1 1、自养培养的物质和能量转化及环境调控规律，微藻产、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？储油机理？对对高密度培养条件的响应，高密度培养条件的响应，物理、化学胁迫物理、化学胁迫 2 2、培养条件对微藻生长和繁殖特性的影响及其变化规律？、培养条件对微藻生长和繁殖特性的影响及其变化规

32、律？反应器、跑道池、反应器、跑道池、大池；自养、异养及兼养大池；自养、异养及兼养. 微藻生长与油脂积累受到非微藻生长与油脂积累受到非生物因素生物因素（包括光照、温度、营养、溶（包括光照、温度、营养、溶氧浓度、二氧化碳浓度、氧浓度、二氧化碳浓度、pHpH、盐度、培养液中的有毒成分）、盐度、培养液中的有毒成分）、生物因素生物因素（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（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）等的影响拌产生的摩擦力、稀释率、收获方式）等的影响（Soletto et al., 2008; Mata Solet

33、to et al., 2008; Mata et al., 2010; Packer, 2009et al., 2010; Packer, 2009）。）。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+H2O3-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

34、单酰ACP乙酰合酶乙酰乙酰-ACPD-羟丁酰-ACP，-反式-羟丁酰-ACP丁酰-ACP软脂酰-ACP软脂酸软脂酸代谢工程手段提高微藻油脂含量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，提高藻生物量光生物反应器光生物反应器微藻培养的核心技术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、技术缺乏高效、节能、技术成熟的光生物反应器作为研究基础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，其极大的限制了微藻能源的研发和规模化发展。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

35、学科的交叉，目前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，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。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螺旋式反应器螺旋式反应器厢式反应器厢式反应器管式反应器管式反应器膜式反应器膜式反应器跑道池式反应器跑道池式反应器问题：问题：目前各国已设目前各国已设计出数种反应器，什么计出数种反应器，什么反应器适合微藻高效培反应器适合微藻高效培养？膜式？跑道池式？养？膜式？跑道池式？ 光反应器存在结构设计不合理，光照分布

36、不均匀，光能利用率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，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。化生产带来了困难。光生物反应器设计核心问题光生物反应器设计核心问题光源光源细胞浓度(g/L)光照距离（cm）A Light Distribution Model for an Internally Radiating Photobioreactor光衰减图关键技术关键技术3 3：

37、采收和综合利用：采收和综合利用1 1、面向规模化的低成本高效率采收？、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，藻体细胞的理化性质影响， 低成本，高效采收方法低成本，高效采收方法.2 2、微藻资源的综合利用？、微藻资源的综合利用？藻体多元特性，能源化利用，高值化利用藻体多元特性，能源化利用，高值化利用.3 3、面向规模化应用的系统集成？、面向规模化应用的系统集成？物质、能量衡算，经济效益物质、能量衡算，经济效益, 社会效益，环社会效益，环境效益，境效益， 全生命周期分析全生命周期分析微藻生长特性对采收的影响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细胞表面积对絮凝采

38、收的影响微藻油的提取是降低成本的关键 油脂提取传统方法油脂提取传统方法(Bligh and Dyers method)高能耗高能耗CO2+H2O微藻生物质油油 微藻油脂提取方法的高能耗，大大降低了其实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产过程的3050%。第五章 微藻生物能源1. 1. 背景介绍背景介绍2. 2. 产业化关键技术产业化关键技术3. 3. 微藻生物炼制微藻生物炼制4. 4. 我们的工作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高成本是目前微藻生物柴油商业化的主要障碍降低生产

39、成本是实现微藻生物柴油工业化的关键。降低生产成本是实现微藻生物柴油工业化的关键。成本成本2000020000元元人民币人民币/ /吨吨售价售价80008000元元人民币人民币/ /吨吨微藻生物柴油微藻生物柴油柴油柴油微藻固定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，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。同时降低微藻培养的成本。N、P、K等等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弃物资源化利用废水废水废气废气 微藻能高效利用光

40、能、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、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。碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质。CO 2藻藻藻藻 体体色色 素素维生素维生素酶酶多聚物多聚物油油 脂脂Benemann et al.1987;Cohen,1999;Skulberg,2000Pulz et al.2001微藻生物能源副产高附加值产品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有机相提取提取提取提取水相水相多次循环抽提多次循环抽提色素色素油脂油脂生物柴油生物柴油蛋白质蛋白质多糖多糖维生素维生素

41、核酸核酸叶绿素叶绿素类胡萝卜素类胡萝卜素虾青素虾青素能源能源食品食品医药医药农药农药化工化工饲料饲料EPADHA PUFAs物尽其用，吃干榨尽物尽其用，吃干榨尽p建立了微藻的油脂、蛋白、多糖分析方法p建立了藻体的微藻油脂组成分析方法p对不同的油脂提取方法进行了研究评价微藻的综合利用微藻的综合利用能源化、高值化能源化、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。亿美元。微藻某些代谢产物可用

42、来生产医药与农用化学品微藻原油微藻糖微藻糖生物转化生物转化尿素乙醛酸D-海因酶海因酶D-N-氨甲酰酶氨甲酰酶某些微藻具有合成生物基高分子材料的能力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降解和可再生等特性。塑料塑料 无纺布无纺布 聚酯纤维聚酯纤维 包装材料包装材料 生物可降生物可降解材料解材料（PLA,PBS,PHA） 地膜地膜 第五章 微藻生物能源1. 1. 背景介绍背景介绍2. 2. 产业化关键技术产业化关键技术

43、3. 3. 微藻生物炼制微藻生物炼制4. 4. 我们的工作我们的工作藻种的分离纯化藻种的分离纯化考察取样分离纯化培养藻种1 1、藻种的筛选与保藏、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计算机辅助筛选模型通过计算机辅助通过计算机辅助优选的藻种，生优选的藻种，生物量提高了物量提高了2倍倍优良藻种的筛选与培养微藻保藏方法的建立微藻保藏方法的建立、固体平板低温保种、固体平板低温保种 保种时间为保种时间为2年年；、液体低温保种、液体低温保种 保种时间为保种时间为1年年；、液体常温保种、液体常温保种 保种时间为保种时间为3个月个月。建立了建立了3种保种方法种保种方法2. 2. 建立面向微

44、藻生物柴油生产藻种综合品质建立面向微藻生物柴油生产藻种综合品质评价方法（整合了评价方法（整合了1717种指标）种指标）藻种品质评价指标非常复杂藻种品质评价指标非常复杂“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化学条件优

45、化 2 1 0 -1 -2 CO2和KNO3的三维空间响应曲面图CO2和KNO3的二维等高线图 2 1 0 -1 -2 -2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 优化前优化前藻光密度（生物量）为0.238，优化后优化后藻光密度（生物量）为2.139，生物量提高近近10倍倍。3、微藻培养条件的优化物理条件优化物理条件优化 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0温度和光照

46、的三维空间响应曲面图温度和光照的二维等高线图 2 1 0 -1 -2 优化前优化前培养周期25天天，优化后优化后培养周期缩短为10天天，培养周期缩短缩短60%。废水资源化利用废水资源化利用COD降降80%以上以上生物量生物量增加近增加近20倍倍培养前培养前培养后培养后培养后培养后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 biomassEffects of different ventilation rates on Chlorella vulgar lipid content外置光

47、源鼓泡式式光生物反应器外置光源鼓泡式式光生物反应器气升内导管式光生物反应气升内导管式光生物反应内置光源鼓泡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：p截短光合系统的天线叶绿素等可以使光合效率提高3倍p适合的培养环境（例如管式反应器中氧胁迫的解除）p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）p反应器的结构改造、反应器的放置角度调整新型微藻生态光源新型微藻生态光源光生物反应器实现光生物反应器实现5、新型高效光合反应器的设计开发、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气体分布器的改良和通气条件的优化012345Biomass yield(

48、107cell/ml)gas-flow rateCO2 concentration (%)CO2Air气 体 流 量 计气 体 混 合 器气 体 过 滤 器CO2检 测 器进 气 口出 气 口取 样 口光 照CO2检 测 器进 口出 口温 度 计xxABCCEF对于微藻规模化制备，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈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金属盐采收效果图聚丙烯酰胺、壳聚糖6、藻体收集技术、藻体收集技术试验号试验号超声功超声功率率(W)

49、间隔间隔时间时间(s)超声超声时间时间(min)温度温度()细胞细胞破碎率破碎率(%)油脂含量油脂含量（）（）11（200）1（5）1（10）1（30）384 C9.120.97 C212（10）2（20）2（50）534 BC12.870.84 ABC313（15）3（30）3（70）657 AB16.221.62 AB42（400）123484 BC11.650.54 BC52231684 AB16.511.31 AB62312357 C8.191.12 C73（600）132800 A19.660.17 A83213434 BC10.671.12 BC93321457 BC10.962.17 BC1 1、液氮破碎效果最好，细胞破碎率、液氮破碎效果最好，细胞破碎率达达100%100%；破碎时间短，操作简单，；破碎时间短，操作简单，是可以工业化的一种方法。是可以工业化的一种方法。2、酶破碎效果较好，细胞破碎率酶破碎效果较好，细胞破碎率达达90%90%以上；操作简单，是一种潜在以上；操作简单，是一种潜在工业化方法。工业化方法。7、不同细胞破碎方法