微藻生物能源1.0

1、L/O/G/O微藻生物質(zhì)能源微藻生物質(zhì)能源制作人：吳思源 楊朝君主 講：吳思源 目錄微藻概述1植物及生物學(xué)特性2生產(chǎn)工藝3發(fā)展歷程45發(fā)展方向6現(xiàn)狀及面臨問題7優(yōu)勢微藻概述微藻概述藻類是原生生物界一類真核生物藻類是原生生物界一類真核生物(有些有些也為原核生物）。主要水生，無維管也為原核生物）。主要水生，無維管束，能進(jìn)行光合作用。體型大小各異，束，能進(jìn)行光合作用。體型大小各異，小至長小至長1微米的單細(xì)胞的鞭毛藻，大至微米的單細(xì)胞的鞭毛藻，大至長達(dá)長達(dá)60公尺的大型褐藻。藻類沒有真公尺的大型褐藻。藻類沒有真正的根、莖、葉，也沒有維管束。正的根、莖、葉，也沒有維管束。藻類個體大小懸殊，其中，只有在顯

2、藻類個體大小懸殊，其中，只有在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類類微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類類群被人們稱為微藻（群被人們稱為微藻（microalgae），），故此微藻不是一個分類學(xué)上的名稱。故此微藻不是一個分類學(xué)上的名稱。植物及生物學(xué)特性作為地球上最古老的初級生產(chǎn)者作為地球上最古老的初級生產(chǎn)者之一，微藻光合速率高、繁殖快、之一，微藻光合速率高、繁殖快、適應(yīng)環(huán)境性強。適應(yīng)環(huán)境性強。微藻具有微藻具有油脂高、生長快、可固油脂高、生長快、可固碳以及凈化水質(zhì)等絕對優(yōu)勢碳以及凈化水質(zhì)等絕對優(yōu)勢，相，相比起玉米、大豆和油菜，微藻培比起玉米、大豆和油菜，微藻培育占地少、生長周期短，從出生育占地少、生長周期短

3、，從出生到可以制油只需兩周，而油料作到可以制油只需兩周，而油料作物一般要幾個月。此外，微藻的物一般要幾個月。此外，微藻的含油量大概是大豆的含油量大概是大豆的10倍，是油倍，是油菜子、花生的菜子、花生的7-8倍。倍。微藻能源的優(yōu)勢微藻能源的優(yōu)勢 適應(yīng)力強適應(yīng)力強生長要求簡單生長要求簡單單位占地面積單位占地面積的收獲量大的收獲量大生長迅速生長迅速后處理簡單后處理簡單單位占地面積的收獲量大如果用高等植物來制造生物柴油燃料的話，大豆為17GJ，油菜籽為46GJ，油棕櫚為230GJ，因此藻類可達(dá)到這些作物的340倍。另外，在生物乙醇的原料中，玉米為64GJ，甘蔗為141GJ，而改用藻類的話，則可達(dá)到51

4、0倍。通過藻類能夠獲取大量能源的原因在于其生物效通過藻類能夠獲取大量能源的原因在于其生物效率較高。微細(xì)綠藻的細(xì)胞大小為率較高。微細(xì)綠藻的細(xì)胞大小為5m，是一種小是一種小型、單細(xì)胞、無干無枝無根的藻類型、單細(xì)胞、無干無枝無根的藻類而葡萄藻是一而葡萄藻是一種以群簇形式存在、藻體大小為種以群簇形式存在、藻體大小為30500m的藻的藻類。這類。這兩種藻類均浮游于水中，無需生成用于支兩種藻類均浮游于水中，無需生成用于支撐自已的構(gòu)造物，因此不耗費能源撐自已的構(gòu)造物，因此不耗費能源。通過光合作。通過光合作用生長繁殖，生存方式十分簡單。用生長繁殖，生存方式十分簡單。 后處理簡單利用高等植物生產(chǎn)生物質(zhì)燃料時需要

5、進(jìn)行復(fù)雜的工序。通過高等植物制造出的燃料為淀粉、油脂及纖維素等多種物質(zhì)。但是，除了油脂之外，其他物質(zhì)都不能直接形成燃料，需要進(jìn)行發(fā)酵等處理制成乙醇，工序頗為復(fù)雜這一過程不僅會使獲得的能源有所減少，而且還要投入設(shè)備成本。 后處理簡單而藻類可直接生成油脂。如采用直接液化技術(shù),原料無需烘干和粉碎等高耗能預(yù)處理過程,且能產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的生物油。適應(yīng)力強生長要求簡單1 、環(huán)境適應(yīng)能力強、生、環(huán)境適應(yīng)能力強、生長要求簡單、營養(yǎng)需求低。長要求簡單、營養(yǎng)需求低?？芍苯愚D(zhuǎn)化利用可直接轉(zhuǎn)化利用CO2、無、無機鹽和有機廢水等；機鹽和有機廢水等； 2 、培養(yǎng)微藻不占用耕地?？衫煤?、培養(yǎng)微藻不占用耕地?？衫煤?、鹽堿地

6、和荒漠等土地進(jìn)行大規(guī)模灘、鹽堿地和荒漠等土地進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)。可利用海水鹽堿水、荒漠地區(qū)培養(yǎng)。可利用海水鹽堿水、荒漠地區(qū)地下水和有機廢水進(jìn)行培養(yǎng)。地下水和有機廢水進(jìn)行培養(yǎng)。 生長迅速大多微藻生長極其迅速，一般能在24 h 內(nèi)使自身生物量加倍，而在指數(shù)生長期內(nèi)生物量倍增時間竟能縮短至3.5 h。藻類生長周期很短，一般25d 便可完成一個世代，并且可終年生長。因此，可以每天收獲，為生物柴油的生產(chǎn)提供了連續(xù)的原料供應(yīng)。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝養(yǎng)殖設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)施-管道型管道型管式光反應(yīng)器是利用透明的管道,借助外部光照條件進(jìn)行工廠化藻類培養(yǎng)。后來發(fā)為垂直管式、傾斜可調(diào)管式水平管式等多種形式。水平管式

7、采用泵循環(huán)氣升循環(huán)等方式混合,多數(shù)采用自然光,有的采用人工光源。培養(yǎng)液溶氧蓄積與閉路管道中內(nèi)溫過高、藻細(xì)胞在窄管系統(tǒng)循環(huán)不暢、受光不均等問題在一定程度上限制了該系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用。反應(yīng)器內(nèi)壁清洗如不定期清洗和去除會逐步影響反應(yīng)器的透光性，使海藻光合作用降低。另外，透明的聚乙烯管比較脆弱玻璃鋼管的成本較高也是一個限制因素。 養(yǎng)殖設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)施-面板型面板型板式光生物反應(yīng)器主要是由透明的玻璃或有機玻璃板制成,可以根據(jù)太陽光強度及入射方向的變化,調(diào)節(jié)最適的采光方向,增大透光率,通過調(diào)節(jié)不同的反應(yīng)器厚度維持短的光通路,保證有效液層充分受光。混合強度也可調(diào)節(jié),易實現(xiàn)高密度培養(yǎng)。反應(yīng)器采用太陽光或鹵素?zé)?光強通

8、過調(diào)節(jié)光源與反應(yīng)器的距離或光輻射入射方向加以控制,反應(yīng)器內(nèi)混合系統(tǒng)有氣升式混合、底部鼓泡混合或機械攪拌。養(yǎng)殖設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)施-跑道式跑道式建造環(huán)形跑道式水池，通過槳片使水循環(huán)的跑道型跑道型為開放式，其余兩跑道型為開放式，其余兩種為封裝式。開放式近似種為封裝式。開放式近似“農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)”，初期成本較低，初期成本較低，但無法避免雜草生長及蟲但無法避免雜草生長及蟲害。而封閉式與害。而封閉式與“工廠工廠”接近，初期成本較高，但接近，初期成本較高，但卻能夠與外界隔絕。卻能夠與外界隔絕。 從產(chǎn)量來看，面板型最多。但面板型在運轉(zhuǎn)從產(chǎn)量來看，面板型最多。但面板型在運轉(zhuǎn)時所需要的能源也最多。由于要通過從下方時所需要的能

9、源也最多。由于要通過從下方通氣進(jìn)行攪拌來防止細(xì)胞下沉，因此攪拌動通氣進(jìn)行攪拌來防止細(xì)胞下沉，因此攪拌動力必須要很大。而管道型則存在清洗麻煩的力必須要很大。而管道型則存在清洗麻煩的問題。問題。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-產(chǎn)物收集產(chǎn)物收集微細(xì)綠藻具有在氮元素（微細(xì)綠藻具有在氮元素（N）不足的環(huán)）不足的環(huán)境中會大量形成油脂的特點?？尚纬删持袝罅啃纬捎椭奶攸c?？尚纬杉s為干燥重量約為干燥重量30的油脂。的油脂。由于生成油脂時微細(xì)綠藻的生長、繁由于生成油脂時微細(xì)綠藻的生長、繁殖也會停止。因此，實際上要分為充殖也會停止。因此，實際上要分為充分供給氮元素使其生長、繁殖的階段，分供給氮元素使其生長、繁殖的階段，以及停

10、止氮元素的供給使其生成油脂以及停止氮元素的供給使其生成油脂的階段。的階段。 而葡萄藻則具有可在自已細(xì)胞的外側(cè)而葡萄藻則具有可在自已細(xì)胞的外側(cè)生成油脂的特點。在生成油脂的特點。在“收獲收獲”油脂時油脂時可將油脂與細(xì)胞分離，只提取油脂?？蓪⒂椭c細(xì)胞分離，只提取油脂?？色@得為干燥重量可獲得為干燥重量2075的油脂。的油脂。而且，分離后的細(xì)胞還可復(fù)原，循環(huán)而且，分離后的細(xì)胞還可復(fù)原，循環(huán)使用，繼續(xù)生成油脂。使用，繼續(xù)生成油脂。 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-提取提取生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-加工加工主要運用主要運用快速熱解快速熱解液化液化和和直接液化直接液化兩兩種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)行以微藻為原料制備行以

11、微藻為原料制備生物油生物油快速熱解快速熱解生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程在常壓下進(jìn)行，在常壓下進(jìn)行，工藝簡單、成本低、反應(yīng)迅速、工藝簡單、成本低、反應(yīng)迅速、燃料油收率高、裝置容易大型化燃料油收率高、裝置容易大型化，是目前最具開發(fā)潛力的生物質(zhì)液是目前最具開發(fā)潛力的生物質(zhì)液化技術(shù)之一?；夹g(shù)之一。但快速熱解需要對原料進(jìn)行干燥但快速熱解需要對原料進(jìn)行干燥和粉碎等預(yù)處理，和粉碎等預(yù)處理，微藻含水率極微藻含水率極高，會消耗大量的能量高，會消耗大量的能量，使快速，使快速熱解技術(shù)在以微藻為原料制備生熱解技術(shù)在以微藻為原料制備生物油方面受到限制。物油方面受到限制。它是在隔絕空氣條件下，采用超高加熱速它是在隔絕空氣條件下，采

12、用超高加熱速率率(102104K/s)、超短產(chǎn)物停留時間、超短產(chǎn)物停留時間(0.23s)及適中的裂解溫度，使生物質(zhì)中及適中的裂解溫度，使生物質(zhì)中的有機高聚物分子迅速斷裂為短鏈分子，的有機高聚物分子迅速斷裂為短鏈分子，使焦炭和產(chǎn)物氣降到最低限度，從而最大使焦炭和產(chǎn)物氣降到最低限度，從而最大限度獲得高產(chǎn)量的生物油的工藝技術(shù)。限度獲得高產(chǎn)量的生物油的工藝技術(shù)。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-加工加工生物質(zhì)直接液化又生物質(zhì)直接液化又稱加壓液化，生物質(zhì)在有稱加壓液化，生物質(zhì)在有合適催化劑、介質(zhì)存在下，在反應(yīng)溫度合適催化劑、介質(zhì)存在下，在反應(yīng)溫度200400、反應(yīng)壓力、反應(yīng)壓力525MPa、反應(yīng)時間、反應(yīng)時間為為2mi

13、n至數(shù)小時條件下進(jìn)行液化。至數(shù)小時條件下進(jìn)行液化。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-加工加工直接液化直接液化需要通入高壓氣需要通入高壓氣體，使用溶劑，對設(shè)備有一體，使用溶劑，對設(shè)備有一定要求，定要求，成本較高成本較高等缺點使等缺點使其應(yīng)用受到一定限制。但對其應(yīng)用受到一定限制。但對于含水率高的藻類生物質(zhì)，于含水率高的藻類生物質(zhì)，使用直接液化技術(shù)使用直接液化技術(shù)不需要進(jìn)不需要進(jìn)行脫水和粉碎等高耗能步驟行脫水和粉碎等高耗能步驟，反應(yīng)條件比快速熱解要溫和，反應(yīng)條件比快速熱解要溫和，且濕藻的水能提供加氫裂解且濕藻的水能提供加氫裂解反應(yīng)所需的反應(yīng)所需的H，有利于液化，有利于液化反應(yīng)的發(fā)生和短鏈烴的產(chǎn)生，反應(yīng)的發(fā)生和短鏈烴

14、的產(chǎn)生，與快速熱解相比能夠獲得與快速熱解相比能夠獲得高高產(chǎn)率、高熱值、黏度相對較產(chǎn)率、高熱值、黏度相對較小、穩(wěn)定性更好的生物油小、穩(wěn)定性更好的生物油。因此，直接液化將會是微藻因此，直接液化將會是微藻熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物油發(fā)展熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備生物油發(fā)展的主流方向，極具工業(yè)化前的主流方向，極具工業(yè)化前景。景。生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝-產(chǎn)品產(chǎn)品藻體的利用技術(shù)與最終產(chǎn)品藻體的利用技術(shù)與最終產(chǎn)品發(fā)展歷程國外的微藻制油技術(shù)研發(fā)曾經(jīng)歷起伏國外的微藻制油技術(shù)研發(fā)曾經(jīng)歷起伏。受第一次石油危機的影響，受第一次石油危機的影響，美國于美國于1978年啟動了耗資年啟動了耗資2500萬美元的水生物種項目，旨在利用微萬美元的水生物種項

15、目，旨在利用微藻生產(chǎn)生物柴油?？蒲腥藛T篩選出藻生產(chǎn)生物柴油?？蒲腥藛T篩選出300余株產(chǎn)油藻種，重點開發(fā)適余株產(chǎn)油藻種，重點開發(fā)適于微藻生物柴油生產(chǎn)的培養(yǎng)系統(tǒng)和制備工藝。于微藻生物柴油生產(chǎn)的培養(yǎng)系統(tǒng)和制備工藝。上世紀(jì)上世紀(jì)90年代，日本國際貿(mào)易和工業(yè)部也曾資助一項年代，日本國際貿(mào)易和工業(yè)部也曾資助一項“地球研究更地球研究更新技術(shù)計劃新技術(shù)計劃”。該項目著力開發(fā)密閉光合生物反應(yīng)器技術(shù)，利用微。該項目著力開發(fā)密閉光合生物反應(yīng)器技術(shù)，利用微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的二氧化碳來生產(chǎn)生物質(zhì)能源，藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的二氧化碳來生產(chǎn)生物質(zhì)能源，10年間共年間共投資約投資約25億美元。篩選出多株耐受高二氧化碳

16、濃度、生長速度快、億美元。篩選出多株耐受高二氧化碳濃度、生長速度快、能形成高細(xì)胞密度的藻種，建立了光合生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺以及能形成高細(xì)胞密度的藻種，建立了光合生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺以及微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的技術(shù)方案。微藻生物質(zhì)能源開發(fā)的技術(shù)方案。但由于但由于90年代后期油價大幅降低，而微藻制油的關(guān)鍵技術(shù)未獲突破，年代后期油價大幅降低，而微藻制油的關(guān)鍵技術(shù)未獲突破，成本過高，相關(guān)技術(shù)研究處于停滯狀態(tài)。成本過高，相關(guān)技術(shù)研究處于停滯狀態(tài)。發(fā)展歷程進(jìn)入進(jìn)入21世紀(jì)，石油價格一度大幅上揚，人們對未來化石能源供應(yīng)短缺世紀(jì)，石油價格一度大幅上揚，人們對未來化石能源供應(yīng)短缺普遍感到擔(dān)憂，再加上普遍感到擔(dān)憂，再

17、加上“使用化石能源導(dǎo)致全球氣候變暖使用化石能源導(dǎo)致全球氣候變暖”的普遍認(rèn)的普遍認(rèn)知，微藻能源技術(shù)重新受到高度關(guān)注，多國政府、研究機構(gòu)、高校與知，微藻能源技術(shù)重新受到高度關(guān)注，多國政府、研究機構(gòu)、高校與大公司等都紛紛投入巨資，以期占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點和實現(xiàn)技術(shù)壟斷。大公司等都紛紛投入巨資，以期占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點和實現(xiàn)技術(shù)壟斷。2007年年10月，國際能源公司宣布開發(fā)微藻生物燃料技術(shù)。同年月，國際能源公司宣布開發(fā)微藻生物燃料技術(shù)。同年12月，月，Shell公司宣布與公司宣布與HR Biopetroleum公司組建公司組建Cellena公司，投資公司，投資70億美億美元在夏威夷開展微藻生物柴油技術(shù)研究。元在夏

18、威夷開展微藻生物柴油技術(shù)研究。美國第二大石油公司美國第二大石油公司Chevron則于當(dāng)年底宣布，與美國能源部可再生能則于當(dāng)年底宣布，與美國能源部可再生能源實驗室協(xié)作研究微藻生物柴油技術(shù)。源實驗室協(xié)作研究微藻生物柴油技術(shù)。荷蘭荷蘭AlgaeLink公司也于當(dāng)年宣布開發(fā)成功新型微藻光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，公司也于當(dāng)年宣布開發(fā)成功新型微藻光生物反應(yīng)器系統(tǒng)，開始向全球銷售其反應(yīng)器，并提供技術(shù)支持。開始向全球銷售其反應(yīng)器，并提供技術(shù)支持。2008年，英國碳基金公司啟動項目，計劃耗資年，英國碳基金公司啟動項目，計劃耗資2600萬英鎊于萬英鎊于2020年前年前實現(xiàn)利用藻類生產(chǎn)運輸燃料。實現(xiàn)利用藻類生產(chǎn)運輸燃料。奧

19、巴馬政府上臺后，美國啟動了綠色能源拉動經(jīng)濟增長的新計劃，奧巴馬政府上臺后，美國啟動了綠色能源拉動經(jīng)濟增長的新計劃，20億億美元的投入中有美元的投入中有12億美元用于微藻生物能源技術(shù)研發(fā)。億美元用于微藻生物能源技術(shù)研發(fā)?，F(xiàn)狀及面臨問題 我國在藻種篩選、生理生態(tài)學(xué)我國在藻種篩選、生理生態(tài)學(xué)等上游工作方面已有較多積累，如等上游工作方面已有較多積累，如中科院水生生物所、中國海洋大學(xué)中科院水生生物所、中國海洋大學(xué)都建立了相當(dāng)規(guī)模的海水、淡水藻都建立了相當(dāng)規(guī)模的海水、淡水藻種資源庫，擁有一批具有自主知識種資源庫，擁有一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)油藻株。但對工業(yè)化藻株產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)油藻株。但對工業(yè)化藻株的篩選改造和評

20、價還不夠深入。的篩選改造和評價還不夠深入。 此外，中石油、中石化、新奧此外，中石油、中石化、新奧燃?xì)饧瘓F等企業(yè)也進(jìn)入微藻生物能燃?xì)饧瘓F等企業(yè)也進(jìn)入微藻生物能源技術(shù)領(lǐng)域。如新奧集團建成了國源技術(shù)領(lǐng)域。如新奧集團建成了國內(nèi)規(guī)模最大的內(nèi)規(guī)模最大的11000升多層管道式立升多層管道式立體培養(yǎng)反應(yīng)器。體培養(yǎng)反應(yīng)器?，F(xiàn)狀及面臨問題大規(guī)模微藻生物質(zhì)資源獲得困難大規(guī)模微藻生物質(zhì)資源獲得困難和和微藻微藻生物能源產(chǎn)品成本過高生物能源產(chǎn)品成本過高是目前微藻生物是目前微藻生物能源技術(shù)面臨的能源技術(shù)面臨的兩大瓶頸兩大瓶頸。以目前的技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，存在以目前的技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，存在大規(guī)模大規(guī)模培養(yǎng)占地面積過大、基礎(chǔ)建設(shè)投資

21、過高、培養(yǎng)占地面積過大、基礎(chǔ)建設(shè)投資過高、加工過程能耗物耗過大加工過程能耗物耗過大的問題。的問題。微藻制油技術(shù)微藻制油技術(shù)“前途光明，道路曲折前途光明，道路曲折”。雖然微藻用于生產(chǎn)生物燃料的優(yōu)勢明顯，雖然微藻用于生產(chǎn)生物燃料的優(yōu)勢明顯，但微藻生物燃料技術(shù)鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜的系但微藻生物燃料技術(shù)鏈?zhǔn)且粋€復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個科學(xué)與工程技術(shù)問題。統(tǒng)工程，涉及多個科學(xué)與工程技術(shù)問題。發(fā)展方向發(fā)展方向首先，要首先，要強化優(yōu)質(zhì)藻種選育技術(shù)的研究強化優(yōu)質(zhì)藻種選育技術(shù)的研究，通過現(xiàn)代生物技術(shù)，獲得和構(gòu)建能夠適應(yīng)通過現(xiàn)代生物技術(shù)，獲得和構(gòu)建能夠適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用、高光效、高油脂產(chǎn)率工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用、高光效、高油脂產(chǎn)率和高抗逆的工程微藻株系。和高抗逆的工程微藻株系。其次，要特別其次