藻类吸收二氧化碳制油发电可行性研究

1、关于电厂废气经藻类转化为油的可行性研究张军 自 18世纪第一次产业革命以来,世界以惊人的速度消耗着各种化石能源 (如煤、 石油、 天然气等 ) ,而化石能源的大量使用使人类面临能源短缺和全球变暖两大危机,因此开发可再生新能源和二氧化碳减排成为21世纪的重要任务。 电厂的的废气主主要包括括二氧化化碳、二二氧化硫硫、氮氧氧化物等等，这些些气体不不仅污染染环境，而而且还会会危及到到人类的的生存。本本文就这这如何利利用藻类类吸收二二氧化碳碳制油，同同时利用用探讨如如何消化化吸收氮氮氧化物物两个方方面来阐阐述废气气的利用用的可行行性。1.藻类制制油1.1微藻藻制油的的技术简简介1.1.11微藻制制油的原

2、原理微藻制油的的原理其其实就是是利用光光合作用用，将二二氧化碳碳转化为为微藻自自身的生生物质从从而固定定了碳元元素，再再通过诱诱导反应应使微藻藻自身的的碳物质质转化为为油脂，然然后利用用物理或或化学方方法把微微藻细胞胞内的油油脂转化化到细胞胞外，进进行提炼炼加工从从而生产产出生物物柴油。其示意图如下图一 微藻藻制油循循环模式式示意图图1.1.22 藻类类制油的的优势1.1.22.1产产油率高高 微藻很像一一个太阳阳光光能能驱动的的细胞工工厂，可可以源源源不断地地将COO2转化化为潜在在的生物物燃料、 HYPERLINK o 食物 o 食物 食物、饲料以及高价值的生物活性物质。其中，最具有吸引力

3、的是它潜在的生物燃料价值。由于微藻是单细胞结构，它用用极高的光能利用率和营养吸收率，微藻的生长和产油效率是油料作物如大豆的30100倍。作物 产油油率（升升/公顷顷） 玉玉米 1145 大豆 4466 红花花 7779 向向日葵 9522 油菜菜籽 111000 油棕棕 50000 微藻 10000000 通通过对产产油率的的比较，我我们可以以发现微微藻似乎乎是唯一一的潜在在的能完完全替代代化石燃燃油的来来源。因因为微藻藻不像其其它油料料作物，它它生长极极快，而而且大多多数微藻藻含有丰丰富的 HYPERLINK o 油脂 o 油脂 油油脂。微微藻含油油量最高高可以达达到生物物质干重重的800以

4、上上，含油油水平在在20500。1.1.22.2 对环境境有益 微藻可以旺旺盛地消消耗高浓浓度的CCO2和NOO2，这些些火力发发电厂的的污染物物则是微微藻的营营养。来来自化石石燃料发发电厂的的废气可可以直接接通入微微藻生产产设备，此此举既能能显著地地提高生生产能力力，还能能清洁空空气。微微藻利用用光合作作用固定定CO22，将光光能转化化为化学学能的形形势储存存于油脂脂，我们们利用油油脂生产产生物柴柴油，燃燃烧后产产成COO2和水，这这一过程程完全符符合节能能减排的的要求，且且CO2又可被被藻类利利用。1.1.22.3 不占用用耕地 微藻生长不不会与农农业产生生竞争关关系，它它的生产产设备可可

5、以是封封闭的而而且不需需要 HYPERLINK o 土壤 o 土壤 土壤壤，与传传统农业业相比节节水999，可可以建在在远离水水源的非非农业土土地上。有有些微藻藻还能在在盐碱环环境下生生长，所所以一些些盐碱化化土地也也能用作作培养微微藻的场场所。 1.1.33.国内内外研究究现状1.1.33.1国外外现状美国可再生生能源实实验室（NNRELL）曾经经做过大大量藻类类生物柴柴油的研研究，但但是一直直未开发发出商业业可行的的技术。在在本世纪纪初，国国外有三三家企业业制造了了真正可可持续运运作的商商业化光光生物反反应器，它它们是德德国的OOkollogiischhe PProdduktte AAlt

6、mmarkk GmmbH（OOPA）、美美国夏威威夷的MMicrro GGaiaa, IInc和和Aquuaseearcch IInc。OPA在沃沃尔夫斯斯堡附近近的克勒勒策建造造了7000m33工厂，投投资额约约为16600万万德国马马克。220000年6月月，这家家目前最最大的工工厂开车车运转，前前期仅用用了7个个月来规规划和施施工，其其设计思思路基于于Pullz及其其合作者者开发的的专门技技术。由由于OPPA在当当地还利利用松树树木屑堆堆肥生产产人造泥泥煤，因因此他们们打算将将堆肥过过程中产产生的二二氧化碳碳回收转转化为藻藻类生物物质（CChloorellla sp., 价价格为每每千克

7、干干重500英镑）。工工厂共有有20个个基本单单元，每每个容积积35mm3，安装装在占地地120000mm2的温室室中。作作为受光光部分的的硼硅玻玻璃管每每根长66m、直直径488mm，水水平放置置，两两两间隔00.8mm，竖直直叠高至至3m，形形成类似似栅栏的的结构。玻玻璃管总总长5000kmm，由SSklaa rrny Kavvaliier a.ss.（SSazaava, Czzechh Reepubblicc）制造造，单根根长6mm，使用用一种特特殊的胶胶水互相相连接。每每个基本本单元都都有一套套在线控控制系统统。离心心泵负责责搅拌，两两台Weestffaliia分离离器负责责收集并并甩

8、干生生物质。预预期产率率为1550吨/年。这这是有史史以来设设计的最最好的光光生物反反应器之之一，如如果运转转成功，它它将在微微藻生物物技术领领域里把把欧洲提提到一个个高度。2000年年，Miicroo Gaaia, Innc在夏夏威夷茂茂伊岛的的茂伊研研发技术术园开辟辟了大约约8公顷顷的土地地建造工工厂，基基于其专专利生生物穹顶顶型光生生物反应应器。220011年一月月，Miicroo Gaaia, Innc开始始为日本本市场生生产虾青青素，同同年6月月，一千千个直径径1.22m的生生物穹顶顶反应器器安装完完毕。生生物穹顶顶反应器器是相当当精巧的的系统，由由两个半半球状的的透明穹穹顶相叠叠连

9、接而而成，表表面凸起起，形成成一个半半球形的的培养室室，2.5110cmm宽。环环形底部部安放了了可移动动的装置置，通过过鼓气来来搅拌培培养液并并除气，从从顶部插插入空气气管，连连接上移移动装置置，一面面进行圆圆周运动动，同时时刮壁清清洗反应应器。外外部反应应器有圆圆筒形开开口，用用来排放放多余的的气体，从从顶部向向下喷水水以冷却却反应器器，在底底部安置置人工光光源以弥弥补日照照不足。但但是此套套系统有有两个严严重的缺缺陷：首首先必须须制造并并连接数数以千计计的反应应单元才才能实现现商业需需求；其其次是非非常难于于清洗。Aquassearrch Incc制造了了三台2250000L计计算机控控

10、制的光光生物反反应器，称称作Aqquassearrch培培育模块块（AGGMs），用用于从HHaemmatoococccuss plluviialiis中生生产虾青青素。AAGM是是一种用用低密度度聚乙烯烯管制作作的蛇盘盘型反应应器，管管直径00.1880.41mm，平行行放置于于地面。高高流速的的培养液液使雷诺诺数保持持在21032105之间。反反应器浸浸在蓄水水池里，从从而实现现温度控控制。119999年间，当当生物质质密度为为5090gg/m22时，面面积产率率从一月月份的99g/mm2/dd上升到到九月份份的133g/mm2/dd。由于于该系统统容量庞庞大，因因此体积积产率相相当低（0

11、0.033600.0552g/L/dd）。可可惜缺少少一些重重要的技技术资料料，比如如搅拌和和反应器器设计。目前最知名名的企业业有荷兰兰的AllgaeeLinnk NNV与美美国马萨萨诸塞州州的GrreennFueel TTechhnollogiies。AAlgaaeLiink NV公公司是欧欧洲可替替代燃料料业界的的领头羊羊之一，220077年底，宣宣布开发发出世界界上第一一个不用用预制管管制造、而而是用特特制UVV防护透透明薄片片做成的的专利海海藻光生生物反应应器系统统（phhotoobiooreaactoor ssysttemss foor aalgaae）。此此光反应应系统可可以很容容

12、易地自自动折叠叠收入一一个坚固固耐用、直直径为664cmm的圆形形管中，这这个管子子能自动动将水封封紧。应应用这一一技术，运运费成本本将减少少90%。AllgaeeLinnk NNV公司司在开发发此项技技术的三三年中，在在藻类科科学的研研究、微微藻生产产系统设设计操作作等方面面也都取取得了极极大的进进展。Greenn Fueel是一一个主要要发展生生物柴油油的公司司，其特特点是利利用燃气气发电厂厂排放废废气中的的二氧化化碳来养养殖工程程微藻，建建造了所所谓的能能源农场（EEnerrgy Farrm）。220077年8月月，Grreenn Fueel在亚亚历桑那那公用服服务公司司（APPS）的的

13、Reddhawwk天然然气发电电厂成功功试验了了海藻培培养系统统Grreenn Fueel3DMaatriixSysstemm（3DDMS），这这是Grreenn Fueel公司司基于微微藻的“排排放物生生产生物物燃料”技技术之一一。3DDMS使使用专有有技术设设计，通通过增加加光合成成活化面面积来提提高生产产率。微微藻增长长率平均均为干重重98gg/m22/d，高高峰值时时可达1174gg/m22/d，超超过以往往实验室室的增长长率。1.1.33.2国内内现状2006年年，清华华大学生生物技术术研究所所将酯交交换反应应技术与与异养转转化细胞胞工程技技术整合合，提出出了利用用细胞工工程技术术获

14、得大大量异养养藻油、再再利用异异养藻油油制备出出高质量量生物柴柴油的方方法。研研究结果果表明，利利用异养养藻油脂脂通过酸酸催化的的酯交换换反应可可获得与与传统柴柴油相当当的生物物柴油，其其应用价价值更高高。项目目的技术术路线及及理论成成果已经经经过国国际权威威杂志组组织专家家审查，并并于发表表在该领领域权威威杂志BBiorresoourcce TTechhnollogyy上。项项目成果果的应用用技术部部分已经经申请和和获得国国家3项项发明专专利。由由于该技技术采用用的是异异养养殖殖微藻，培培养基需需要占用用大量成成本，目目前在工工业化养养殖成本本上难以以获得较较大突破破。2008年年5月，中中

15、科院海海洋研究究所与山山东省花花生研究究所共同同承担的的、以海海洋藻类类为原料料生产生生物柴油油的关键键技术及及创新材材料的研研究项目目，通过过青岛市市科技局局组织的的验收。该该项目于于20005年申申请并得得到资助助，经过过两年来来的努力力，建立立了化学学法和脂脂肪酶法法生产生生物柴油油关键技技术与工工艺路线线，生物物柴油的的得率达达到988%以上上，甘油油纯度达达到分析析纯标准准，生物物柴油各各项指标标优于国国家现行行的生物物柴油标标准GBB/T2208228-220077，达到到德国生生物柴油油标准。海海洋所研研究人员员收集获获得了44份含油油量超过过28%的藻类类材料，并并准备尝尝试采

16、用用更低廉廉的海藻藻，以提提高这项项技术的的经济性性。山东东省花生生研究所所负责这这项技术术的产业业化推广广工作，已已经完成成了小试试、中试试试验，并并已向北北京、上上海、湖湖北武汉汉、湖南南长沙、河河北廊坊坊和山东东9家公公司转让让，实现现了产业业化。合合作双方方已全面面完成了了计划任任务书规规定的研研究内容容与研究究目标，已已取得一一批具有有自主知知识产权权的成果果。目前前，该研研究制备备生物柴柴油的原原料，采采用的是是花生油油，而并并非微藻藻油脂；而在微微藻柴油油方向，仅仅限于收收集了44株含油油藻，并并未进一一步的对对含油藻藻的油脂脂提取，生生物柴油油制备等等进行更更深入的的开发。20

17、08年年5月117日，中中科院高高技术局局、生物物局与中中石化石石油化工工科学研研究院联联合组织织召开了了“微藻藻生物柴柴油技术术研讨会会”，并并决定成成立工作作组，研研究制定定微藻生生物柴油油技术发发展路线线图，在在中科院院与中石石化战略略框架协协议下，积积极开展展微藻生生物柴油油技术相相关方面面的合作作。2008年年6月，厦厦门大学学生命科科学学院院进行开开发利用用可再生生盐藻生生物质能能源的科科研项目目，提出出以盐藻藻为原料料生产生生物柴油油。该技技术已进进入推介介合作实实现产业业化阶段段。科研研人员已已经从国国内外收收集多种种盐藻藻藻种（株株），并并对盐藻藻进行了了系列诱诱变，分分别获

18、得得了高产产-胡胡萝卜素素、耐高高温、耐耐低温以以及高脂脂含量的的盐藻突突变株。经经过实验验室研究究及露天天小规模模试验，他他们已经经基本掌掌握了海海水处理理、海水水露天养养殖盐藻藻的工艺艺路线，并并采用特特异催化化热解工工艺生产产生物柴柴油项目目成果已已申请盐盐藻优秀秀藻种和和热解产产能工艺艺技术等等国家专专利4项项。从20077年100月111日起新奥集集团先后后投入3300万万元，建建成8550平米米的实验验室；投投入1000万元元建成110000平米国国内一流流的阳光光大棚，用用于微藻藻的中试试放大养养殖；投投入4000万元元建成一一个6000平米米的微藻藻回收、油油脂提取取、生物物柴

19、油制制备、厌厌氧发酵酵中试工工艺车间间。新奥集团从从20007年110月111日开开始启动动微藻生生物能源源的开发发。前期期，新奥奥与中科科院青岛岛海洋所所建立了了合作关关系，进进行微藻藻筛选的的工作，初初步筛选选得到了了13株株含油率率超过225%的的微藻，正正在进一一步进行行放大及及调试；同时，也也从国外外购买了了11株株高含油油率的微微藻，用用于前期期实验室室的研发发工作，其其中有33株具有有较高的的工业开开发潜力力；采用用紫外诱诱变、EEMS诱诱变、高高温强光光诱变等等手段，完完成了11株藻对对病虫害害、温度度等耐受受性的提提高；初初步建立立了微藻藻基因工工程方法法，正在在通过克克隆表

20、达达光合作作用关键键酶提高高微藻光光合作用用效率。光反应器设设计建造造方面：自自主设计计建造了了8套不不同形式式的光反反应器，用用于不同同的微藻藻、不同同地域的的微藻养养殖，已已经申请请相关专专利122项。1.1.44制约藻类类制油的的技术发发展的关关键利用微藻生生产生物物柴油是是现在最最新的“绿色”燃油技技术，不不过技术术虽已成成熟，但但微藻燃燃油生产产系统的的投产还还需要时时间。要要让普通通交通工工具都“喝”上微藻藻生物柴柴油，还还必须跨跨越五道道槛：首首先是成成本。微微藻燃油油项目的的产业链链很长，藻藻类的培培养成本本很高，制制成品的的价格是是目前石石油的不不止4倍。因因为成本本不仅涉涉

21、及藻类类的培养养、基因因的改造造，还涉涉及土地地、人员员管理和和维护费费用等；其次，微微藻生物物柴油项项目要投投产，规规模要很很大才能能做，而而现在各各个研究究机构的的生产规规模都很很小；再再次，难难以找到到合适的的生产场场地。在在藻类培培养中，藻藻类的密密度只能能到1%2%，如果果太密藻藻类就无无法吸收收阳光。微微藻生长长对阳光光和水的的高要求求，决定定了需要要大型的的场地；第四，微微藻培养养液中细细胞只占占很小一一部分，绝绝大部分分是水，需需要发展展出低能能耗的收收集细胞胞并循环环使用培培养液的的技术；第五，从从微藻中中提油的的方法主主要有溶溶剂萃取取、机械械压榨、超超临界二二氧化碳碳萃取

22、等等方法，都都存在能能耗大或或溶剂损损失代价价高的问问题，发发展低能能耗的、经经济的提提油技术术也是面面临的问问题之一一。微藻是潜力力很大的的生物能能源，但但规模和和成本是是目前开开发微藻藻的两大大瓶颈问问题，因因此要把把微藻生生物柴油油技术作作为一项项长远事事业，重重视方案案和路线线选择。这这些问题题的解决决，一方方面需要要各环节节技术的的突破，另另一方面面也都依依赖于优优良藻种种的筛选选和遗传传改造。2.氮氧化化物的利利用2.1 微微藻直接接吸收 微藻可可直接吸吸收NOO2，藻类是是以氮元元素作为为营养物物质加以以吸收和和利用的的，特别别是以硝硝酸根形形式存在在的氮元元素。藻藻类对水水中几

23、种种无机氮氮都能利利用，在在光合过过程以及及随后的的同化过过程中，逐逐步形成成各种含含氮有机机物。2.2 细细菌反硝硝化自然界中存存在着很很多能够够氧化氨氨氮的微微生物。氧氧化氨氮氮的作用用被称为为硝化作作用，也也就是NNH3在在亚硝化化菌的作作用下氧氧化成NNO2： NHH4+1.5O22NOO2+2HH+H2O+(2422.73511.5)kJ 然后再被硝硝化菌氧氧化成NNO3： NNO2+00.5 O2NOO3+(664.44866.2)kJ 这些硝化菌菌是自养养生物菌菌，利用用氧化过过程释放放的能量量，维持持自身的的生理需需要，例例如使CCO2合成为为细胞有有机物质质等等。 硝酸盐再由由反硝化化菌进行行反硝化化脱氮。 反应机机理：55C(有有机C)+2HH2O+44 NOO3-2NN2+4OO