海藻生物能源2021推选ppt

海藻生物能源内容概要微藻生物质能源综述(徐骏宇)微藻采收技术〔王旗〕微藻生物质柴油〔何彦康〕微藻制氢〔陈欣宁〕总结与展望〔邓兆方〕微藻的定义和分类定义：藻类是能够进行放氧光合作用的自养无胚植物

藻类按细胞大小

大藻(如海带、紫菜、裙带等)

微藻(如小球藻、螺旋藻、盐藻、栅藻、紫球藻、雨生红球藻、鱼腥藻等)按生长的环境水生微藻陆生微藻

气生微藻

按生活方式浮游微藻底栖微藻

微藻的四种培养方式1.光自养培养2.异养培养3.异养-光自养串联培养4.混合营养培养微藻的四种培养方式光自养培养：微藻大多数是专性光合自养生物，以光作为能量复原CO2同化为碳水化合物，而获得生物量。微藻的异养培养：微藻在无光照的条件下，利用外源有机物包括糖类、蛋白水解物、有机酸等进行生长。微藻的四种培养方式混合营养培养：

微藻在有光照的条件下，既利用CO2进行光合作用又利用外源有机物生长。

异养-光自养串联培养：

微藻先进行异养培养，然后进行光自养培养以提高藻细胞品质。微藻的应用价值

微藻的特性,决定了微藻在医药、食品、水产养殖、化工、能源、环保、农业、基因工程等领域有着重要的开发价值能源方向的应用微藻制氢

微藻炼油微藻采收技术从微藻培养液的特性出发，可以明显看出微藻采收存在较大的困难有资料说明，微藻采收的本钱占其养殖本钱(包括培养和采收)的20-30％微藻采收目前存在的困难微藻个体微小〔3—30μm〕微藻细胞外表多带负电荷培养液中均匀地分散悬浮，形成稳定的分散体系微藻在培养液中的浓度一般很低，在开放培养体系中，其密度一般低于1g／L，即使在封闭的生物反响器中，在强化光照、通气等条件下，其干固物的含量也仅能到达每升几十克微藻培养液的这些性质都不利于微藻的采收微藻培养液的预处理藻液预处理是利用物理或化学方法使微藻外表性质或悬浮液的溶液化学环境发生变化的过程。总的来说分为物理预处理和化学预处理两种根本类型。物理预处理：1.电场絮凝法：通过外加电场作用打破微藻颗粒间电场平衡，使得藻细胞在载体表而聚集并形成大的絮块2.超声波法：超声波可以通过破坏微藻细胞中的微囊泡来促进微藻的絮凝沉降化学预处理：1.微藻的预氧化：通过向藻液中添加氧化剂使微藻细胞外表发生改性2.化学絮凝法：参加阳离子凝聚剂〔金属盐类和高分子聚合物类〕微藻的富集与别离在对藻液进行预处理后，即可进行富集与别离处理；常用的别离方法有沉淀、气浮、离心和过滤．但这些传统的方法用于微藻的采收都存在效率低、本钱高的限制。而泡载法和气浮法适用于低浓度悬浮体系的富集别离，是微藻采收可行的技术途径小型喷雾枯燥机管式离心机泡载法：或称泡沫别离技术，是矿物分选和水处理中应用非常广泛的技术(浮游分选)．它利用颗粒或与颗粒相结合的外表活性剂的疏水性，使之吸附在人工产生的气泡上，并随气泡上升至液面以上，形成泡沫层，再将泡沫层与液体别离，从而实现目标物质的富集或回收．气浮别离法：别离前先向悬浮液中参加絮凝剂，使悬浮的微生物或细胞产生絮凝，然后从气浮装置底部放出大量微细气泡，这些小气泡在上浮过程中碰到絮凝体那么吸附其上，使絮凝体上浮到液体外表，然后通过收集上浮的絮凝体而到达悬浮物别离或微藻采收目的．气浮法不同于泡载法之处在于，气浮法是利用大量极其微小(<0.1mm)的气泡附着于微藻等絮凝体上，使其密度变低而上浮，而泡载法那么是小颗粒附着于较大的气泡(>1mm)上上浮，气浮法的上浮速率低于泡载法。前景在能源高度紧张、环境问题日趋严峻的今天，开发产油微藻具有重要的研究价值和经济、社会效益，但目前存在的关键问题是生产本钱，特别是培养和采收的本钱过高，使之无法与传统能源竞争，因此，降低本钱是微藻能源市场化必须解决的问题。-----生

物柴油微藻生物质能源内容概要随着日益严重的环境恶化,控制汽车尾气排放和温室效应,保护人类赖以生存的自然环境成为人类急需解决的问题。同时全球能源需求不断扩大,寻求可以替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能源是目前普遍关注的热点。化石能源不可持续！生物柴油开发背景目前,生物柴油主要是以植物和动物脂肪酸为原料来生产的,而不是微藻。在美国,生物柴油主要以大豆为原料,其他来源包括棕榈油、菜籽油、动物脂肪酸、玉米油、废食用油和麻疯树油。一些东南亚国家那么以一些热带植物的种子为原料,如棕榈等,废弃食用油是日本的主要生物柴油制取原料。但是,由油料作物、废食用油和动物脂肪酸生产的生物柴油尚不能满足当前车用燃料需求量的一小局部。同时使用植物原料在所有的国家都存在共同的问题。一是是否适合当地气候,实现高产稳产;二是种植过程中产生的土地资源紧缺的问题以及由此引起的其他农作物价格上涨的问题。特别在我国人多地少的情况下,这些问题尤为突出。微藻生物柴油的优势面对植物原料生产生物柴油的诸多问题,利用微藻产油具有不与农业争地的明显优势,而且可用海水作为天然培养基进行大量繁殖。跟植物一样,微藻也是利用光照产油,但却比植物作物的效率高很多。大多数微藻的产油量远远超过了最好的油料作物。不像其他油料作物,微藻生长极为迅速,而且含有极其丰富的油脂。藻类光合作用转化效率可达10%以上,含油量达30%。微藻的生物柴油产量是最好的油料作物的8~24倍。表7主要微藻种类含油量表8微藻生物质柴油占有的优势表4各种植物含油量横向比照微藻生物柴油的独特优势生产工艺总路线图甘油三酯转化生物柴油微藻采收技术光自养培养别离纯化技术蓝藻固氮酶产氢的限制因素在全日照下，光系统吸收的太阳能能有约90％以热或荧光的形式散发掉了，导致太阳能的转化效率很低。绿藻制氢今后需要大规模开展具有优化生长环境的发酵系统，因此我们还要不断研究氢化酶的发酵原理。不能利用太阳光和水产氢，同时由于可用于产氢的有机物的产地和数量等因素也决定了其应用范围有限，难以为人类大规模提供氢源。1998年，国际能源局〔IEA〕的评估报告认为可逆产氢酶间接光生物水解制氢路线为最有应用前景的方向，使该项技术受到世界各国生物制氢研究机构的特别关注。微藻光水解制氢的反响器系统应该包括微藻的高密度培养、产氢酶的暗诱导和光照产氢3个局部。目前无论是利用基因工程对藻株的改造，外部因子对产氢过程的控制，还是反响器的优化多集中在这种方法上。如何使光合效应最大化，现在的“两步法〞光利用效率太低，不到1%；微生物光反响器VS光能发电设备藻液预处理是利用物理或化学方法使微藻外表性质或悬浮液的溶液化学环境发生变化的过程。PSⅡ光合作用放氧用虚线描绘，因为在去硫环境下，它几乎全部被抑制。欧洲宇航防务集团发言人库尔塞利·格雷戈尔称，据废气排放检测数据显示，海藻燃料排放的氮氧化物，比传统航空煤油少40％，碳氢化合物少87.黄色箭头表示氢产生过程中主要的电子传递。同时就绿藻制氢而言，由于存在诸如循环培养、连续培养的问题，使得微藻制氢的本钱居高不下。微藻细胞外表多带负电荷培养液中均匀地分散悬浮，形成稳定的分散体系微藻生物柴油生产工艺流程微藻经培养，采收，提取得到的油脂为甘油三酯。甘油三酯黏度较大，不能直接用作柴油，须将其转化为较低粘度的燃料，目前生产生物柴油的最主要的方法为酯交换法。采用酯交换法可以使油脂的分子量降至原来的三分之一，粘度降至八分之一，该方法生产出来的生物柴油的黏度与石化柴油非常接近，十六烷值到达50，可以直接用来作为燃料。以光作为能量复原CO2同化为碳水化合物，而获得生物量。光合成反响如下：CO2+NO3-+PO43-+H2O+太阳能[CH2ONP]+O2目前国内外微藻的大规模培养均属光自养培养。微藻光自养培养微藻采收技术利用物质特性通过离心、过滤、沉降等分離方法。Isochrysissp.及Spirulinasp.皆可採高速离心方式回收，另Spirulinasp.具凝聚特性可使用筛网回收。2L光合反应器高速离心机筛网酯交换反响酯交换反响根据催化剂的不同，酯交换法可分为：液体碱催化法液体酸催化法非均相催化法酶催化法超临界法时间单位名称主要工作立项机构2009中石化

近期拟对中石化和中科院的相关机构予以立项支持2008国家海洋局

对下属相关科研机构予以立项支持2008上海市科委

对上海市相关科研机构予以立项支持2009科技部

主要对相关企业予以立项支持：863计划重点项目“CO2-油藻-生物柴油关键技术研究”、国家科技支撑计划课题“微藻二氧化碳减排技术研发及示范”

针对微藻生物质柴油的国家级工程时间单位名称主要工作科研单位清华大学吴庆余教授课题组

利用异养生长的产油小球藻进行了密闭培养、提油和生物柴油加工研究。国家海洋局第一研究所郑力研究员课题组

从事油藻藻种筛选等

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

从事油藻藻种筛选与分子生物学改造等中科院过程工程研究所丛威研究员课题组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研究员课题组从事微藻光自养培养北京化工大学谭天伟教授课题组近年开始从事微藻及其和微生物联合培养等研究南京工业大学黄河教授课题组近年开始从事微藻培养研究华东理工大学李元广教授课题组

自1995年以来，在科技部863、科技攻关、科技支撑等项目支持下，一直开展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。生物柴油的应用世界上首架使用微藻类生物燃料的“绿色〞飞机。这架飞机是欧洲航空防务和航天公司用奥地利钻石公司的DA42型飞机改造而成，就在去年六月柏林航展上进行了首航。欧洲宇航防务集团发言人库尔塞利·格雷戈尔称，据废气排放检测数据显示，海藻燃料排放的氮氧化物，比传统航空煤油少40％，碳氢化合物少87.5％，生成的硫化物那么更低，其浓度仅为传统燃料的六十分之一。微藻制氢传统的制氢方法需要消耗大量的能量或化石原料，生产本钱普遍较高，寻找低本钱、可再生、大规模的清洁制氢技术成为人们研究的热点。因此，越来越多的兴旺国家把生物产氢现象用于能源生产，并投入大量的人力物力研究生物制氢技术。20世纪90年代以来，全球气候变化和环境污染使西方工业化国家更加重视生物制氢技术的研究，国际能源局〔IEA〕和美国能源部〔DOE〕投入巨额资金支持生物制氢技术开发，已经积累了大量的研究成果，为此项技术的可行性分析奠定了一定的根底。生物制氢主要包括细菌制氢和微藻制氢。虽然局部光合细菌具有利用有机物或复原硫化合物产生氢气的能力，但是光合产氢细菌没有光合系统！不能利用太阳光和水产氢，同时由于可用于产氢的有机物的产地和数量等因素也决定了其应用范围有限，难以为人类大规模提供氢源。微藻太阳能光水解制氢是通过微藻光合作用系统及其特有的产氢酶系把水分解为氢气和氧气。根据所利用的酶系的不同，可分为固氮酶制氢、可逆产氢酶制氢。绿藻蓝藻两种用于制氢的藻类蓝藻固氮酶产氢1974年，Benemann等人发现蓝藻在氩气中保存几小时后，同时产生氢气和氧气。进一步研究发现，蓝藻具有光合系统I和II，水是最终电子供体。蓝藻里特有的固氮酶在固定氮气产生氨的同时接收从Fd〔铁氧化复原蛋白〕传过来的电子复原H+产生氢气。当有氩气存在时，就不存在固氮酶的底物N2，因此固氮酶就将所有的电子用来产氢了。其产氢速度是固氮速度的25%~30%。固氮酶产氢过程会浪费掉大量的能量，所以蓝藻进化出了其特有的吸氢酶，可以通过重新吸收固氮酶产生的H2回收局部能量，维持藻细胞生长。蓝藻固氮酶产氢的限制因素由于吸氢酶的存在，尽管防止了细胞本身的能量损失，但却导致蓝藻的净产氢量不高。固氮酶对氧气十分敏感，光合作用放出的氧极大限制了固氮酶活性，产氢受到抑制。在全日照下，光系统吸收的太阳能能有约90％以热或荧光的形式散发掉了，导致太阳能的转化效率很低。目前能量利用率最高的仅仅到达3.5%，远远低于生物制氢实用化最低10%的要求。光生物反响器的研制仍未成熟。绿藻制氢技术最先发现发现绿藻中氢的光合代谢是HansGaffron教授，他发现在无氧环境下，绿藻既能利用氢气作为暗反响中二氧化碳固定过程的电子供体，又能在光反响中产生氢气。绿藻光水解制氢是利用绿藻体内的可逆产氢酶系，以太阳能为能源、以水为原料，催化效高，能量消耗小，生产过程清洁，可以实现光能收集系统的自组织、能量的自发积累、定向快速转化。1998年，国际能源局〔IEA〕的评估报告认为可逆产氢酶间接光生物水解制氢路线为最有应用前景的方向，使该项技术受到世界各国生物制氢研究机构的特别关注。

制备氢气的关键因素是氢化酶〔氢化酶的单体形式是铁氢化酶〕，但是和固氮酶一样绿藻氢化酶在有氧环境下其活性几乎完全丧失。由于光合作用和水的氧化所引起的氧分子的释放，绿藻氢化酶的光合活性只持续几秒钟到几分钟。氧气不仅对氢化酶基因的表达起明显的抑制作用，也是铁氢化酶的强力抑制剂。叶绿体光分解水产生氢气，为光合作用；线粒体消耗氧气产生水，为呼吸作用。除S是其中的关键步骤叶绿体基质类囊体膜类囊体腔线粒体这张图是去除硫的环境下的氢代谢机制图。黄色箭头表示氢产生过程中主要的电子传递。

黑色箭头表示呼吸时的氧化作用。PSⅡ光合作用放氧用虚线描绘，因为在去硫环境下，它几乎全部被抑制。研究发现，当绿藻缺少硫这种关键性的营养成分，它的PSII的光化学活性降低，光合放氧速率就会下降到比呼吸作用耗氧速率还低。这样，在封闭环境下绿藻就能处于无氧环境，从而诱导线粒体中电子传递的“氢化酶途径〞产生氢。绿藻制氢方法〔“间接生物光解〞〕“间接生物光解〞法制氢：首先正常培养绿藻细胞，使之靠光合作用累积自身所需的碳水化合物；然后将收获的绿藻细胞培养在缺硫的培养基中，此后PSⅡ活性很快丧失，而线粒体的呼吸作用几乎不受影响，导致培养基中的氧气逐断被呼吸作用消耗掉，氢酶活性到达最大，从而得到了较高的产氢量。一段时间后再将第二阶段的细胞转移到正常培养基中，重新进入第一阶段，如此周而复始。它的一个重要优点是可以在开放式的培养池中固定二氧化碳和释放氧气，在体积较小的密闭光生物反响器中产氢，以降低设备造价和操作费用。因此无论从制氢原理还是工程实用化看，绿藻的间接光解制氢是微藻制氢研究最有开展前景的方向之一。绿藻制氢的意义绿藻制氢具有重要的意义，因为它揭示了绿藻代谢途径、调控途径和电子转移途径的发生。而且绿藻是依赖可持续的光而生产和积累大量的氢气。绿藻制氢的长期优势是它无毒无污染，大量养殖绿藻还能得到具有附加价值的产品。

利用绿藻的“光合—呼吸作用两步法产氢〞原理，通过“间接生物光解〞法制备的氢气无毒且无污染，是非常环保的制备氢气方法。目前无论是利用基因工程对藻株的改造，外部因子对产氢过程的控制，还是反响器的优化多集中在这种方法上。绿藻制氢面临的挑战主要问题：产氢速率不高，只有理论最大值的15%；需要优化大规模养殖绿藻环境的太阳能转化效率；还要不断提高产氢的连续性；氢气产量在去硫环境下60小时后开始下降，去硫100小时后，绿藻又会回到正常的光合作用状态通过补充内源性底物来恢复活力；光生物反响器的循环利用，减少藻类生长营养素方面技术还不够，因而绿藻制氢价格昂贵，本钱太高。参数（因素）挑战克服挑战的方法技术发展水平未来展望光合器官的太阳能转化效率在很强的太阳光照射下绿藻的太阳能转化效率低基因水平上截短起光合作用的天线叶绿素的长度以限制光吸收的速度能调控天线叶绿素长度并成功截短其50%长的TLA1基因已被克隆要鉴定出更多能截短天线叶绿素长度的基因氢气的产生产氢过程中对氧的敏感性对于产氢饱和要低光强短暂的分离氧气和氢气的产生这两过程，通过过度表达来增加绿藻中铁氢化酶产量“两步法”制氢无氧无硫环境的发展发展生产氢气的可持续性光生物反应器材料价格每平米0.75美元营养素价格每平米0.65美元，成本太高回收利用材料尽量少的使用或回收利用营养素正在测试一个规模达500L用柔韧、坚固并且透明的材料制成的光生物反应器更先进的的机械和化学工程技术陆地面积由于太阳光照射的扩散性质需要大面积土地合理布置设备安放地点，最大化的利用到土地每一处面积对晴朗、干旱气候，以及淡水、半咸水和海水的可利用性选择合适的国内或国际地区作为建造工厂的厂址提高产氢速度还面临很多问题：如何提高藻类细胞内的氢化酶数量；如何提高该酶的耐氧性；如何使光合效应最大化，现在的“两步法〞光利用效率太低，不到1%；绿藻循环利用会出现退化现象，不利于大规模露天培养；光合放氧，内源底物代谢以及氢化酶催化产氢之间的复杂关系没有深入研究等等。绿藻制氢今后需要大规模开展具有优化生长环境的发酵系统，因此我们还要不断研究氢化酶的发酵原理。在绿藻制氢技术成熟可用之前，这些问题必须要去解决。三种解决方案培养条件对产氢效率的提高有一定作用，但效果不明显。要提高绿藻细胞中氢酶的活性和产量，那么要求有产氢效率高，能耐受高浓度氧的高效产氢的藻株。对产氢藻种的筛选和改造是研究的根底和核心。一.筛选高效的藻株二.有效的制氢途径说明光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理和调控机制以及光损伤和光保护机理，是提高微藻光合作用制氢效率的有效途径。三.合理的光反响器微藻光水解制氢的反响器系统应该包括微藻的高密度培养、产氢酶的暗诱导和光照产氢3个局部。目前实验室研究微藻间接光水解制氢可以用一个反响器，暗诱导和光照产氢在不同的时间内完成，为下一步的连续制氢研究提供工艺参数。要使微藻光水解制氢技术投入实际应用，必须开展大规模的发酵系统，优化生长条件，才能实现连续大规模制氢。这涉及到光生物反响器的构建与可操作性，需要解决的中心问题是如何最有效地利用光能促进微藻的培养，包括光强度、光波长变换，细胞固定化，光生物反响器结构等诸多问题，以构建可持续、稳定产氢的光生物反响器。

微藻产油和微藻制氢的前景展望早在30多