海藻生物能源

1、會(huì)計(jì)學(xué)1海藻生物能源海藻生物能源第1頁/共69頁內(nèi)容概要內(nèi)容概要微藻生物質(zhì)能源綜述 (徐駿宇)微藻采收技術(shù) （王旗）微藻生物質(zhì)柴油 （何彥康）微藻制氫 （陳欣寧）總結(jié)與展望 （鄧兆方）第2頁/共69頁藻類藻類按按細(xì)胞大小細(xì)胞大小 大藻大藻 (如海帶、紫菜、裙帶等如海帶、紫菜、裙帶等) 微藻微藻 (如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、 紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等)按按生長(zhǎng)的環(huán)境生長(zhǎng)的環(huán)境水生微藻水生微藻 陸生微藻陸生微藻 氣生微藻氣生微藻 按按生活方式生活方式 浮游微藻浮游微藻 底棲微藻底棲微藻 第3頁/共69頁第4頁/共69頁第5頁/共69

2、頁第6頁/共69頁第7頁/共69頁第8頁/共69頁第9頁/共69頁第10頁/共69頁第11頁/共69頁第12頁/共69頁第13頁/共69頁第14頁/共69頁第15頁/共69頁第16頁/共69頁第17頁/共69頁小型噴霧干燥機(jī)小型噴霧干燥機(jī)管式離心機(jī)管式離心機(jī)第18頁/共69頁第19頁/共69頁第20頁/共69頁第21頁/共69頁微微 藻藻 生生 物物 質(zhì)質(zhì) 能能 源源第22頁/共69頁微藻生物柴油微藻生物柴油-開發(fā)背景開發(fā)背景獲得微藻生物質(zhì)柴油的具體途徑獲得微藻生物質(zhì)柴油的具體途徑我國(guó)微藻生物質(zhì)柴油的研究現(xiàn)狀我國(guó)微藻生物質(zhì)柴油的研究現(xiàn)狀微藻生物柴油的應(yīng)用與發(fā)展展望微藻生物柴油的應(yīng)用與發(fā)展展望內(nèi)

3、容概要內(nèi)容概要第23頁/共69頁隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境惡化, 控制汽車尾氣排放和溫室效應(yīng), 保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境成為人類急需解決的問題。同時(shí)全球能源需求不斷擴(kuò)大, 尋求可以替代石油在能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位的可再生清潔能源是目前普遍關(guān)注的熱點(diǎn)?；茉床豢沙掷m(xù)！化石能源不可持續(xù)！生物柴油開發(fā)背景生物柴油開發(fā)背景第24頁/共69頁目前, 生物柴油主要是以植物和動(dòng)物脂肪酸為原料來生產(chǎn)的, 而不是微藻。在美國(guó), 生物柴油主要以大豆為原料, 其他來源包括棕櫚油、菜籽油、動(dòng)物脂肪酸、玉米油、廢食用油和麻瘋樹油。一些東南亞國(guó)家則以一些熱帶植物的種子為原料, 如棕櫚等, 廢棄食用油是日本的主要生物柴油制取原料

4、。但是, 由油料作物、廢食用油和動(dòng)物脂肪酸生產(chǎn)的生物柴油尚不能滿足當(dāng)前車用燃料需求量的一小部分。同時(shí)使用植物原料在所有的國(guó)家都存在共同的問題。一是是否適合當(dāng)?shù)貧夂? 實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn); 二是種植過程中產(chǎn)生的土地資源緊缺的問題以及由此引起的其他農(nóng)作物價(jià)格上漲的問題。特別在我國(guó)人多地少的情況下, 這些問題尤為突出。第25頁/共69頁微藻生物柴油的優(yōu)勢(shì)微藻生物柴油的優(yōu)勢(shì)面對(duì)植物原料生產(chǎn)生物柴油的諸多問題, 利用微藻產(chǎn)油具有不與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)地的明顯優(yōu)勢(shì), 而且可用海水作為天然培養(yǎng)基進(jìn)行大量繁殖。跟植物一樣, 微藻也是利用光照產(chǎn)油, 但卻比植物作物的效率高很多。大多數(shù)微藻的產(chǎn)油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最好的油料作物。不像其他

5、油料作物, 微藻生長(zhǎng)極為迅速, 而且含有極其豐富的油脂。藻類光合作用轉(zhuǎn)化效率可達(dá)10%以上, 含油量達(dá)30% 。微藻的生物柴油產(chǎn)量是最好的油料作物的8 24倍。第26頁/共69頁表7 主要微藻種類含油量表8 微藻生物質(zhì)柴油占有的優(yōu)勢(shì)表4 各種植物含油量橫向?qū)Ρ鹊?7頁/共69頁微藻生物柴油的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)微藻生物柴油的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)第28頁/共69頁生產(chǎn)工藝總路線圖生產(chǎn)工藝總路線圖甘油三酯轉(zhuǎn)化生物柴油微藻采收技術(shù)光自養(yǎng)培養(yǎng)分離純化技術(shù)第29頁/共69頁微藻生物柴油生產(chǎn)工藝流程微藻生物柴油生產(chǎn)工藝流程微藻經(jīng)培養(yǎng)，采收，提取得到的油脂為甘油三酯。甘油三酯黏度較大，不能直接用作柴油，須將其轉(zhuǎn)化為較低粘度的燃料，

6、目前生產(chǎn)生物柴油的最主要的方法為酯交換法。采用酯交換法可以使油脂的分子量降至原來的三分之一，粘度降至八分之一，該方法生產(chǎn)出來的生物柴油的黏度與石化柴油非常接近，十六烷值達(dá)到50，可以直接用來作為燃料。 第30頁/共69頁 以光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而獲得生物量。光合成反應(yīng)如下： CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太陽能 CH2ONP + O2 目前國(guó)內(nèi)外微藻的大規(guī)模培養(yǎng)均屬光自養(yǎng)培養(yǎng)。 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻光自養(yǎng)培養(yǎng) 第31頁/共69頁微藻微藻采收技術(shù)采收技術(shù)利用物質(zhì)特性通過離心、過濾、沉降等分離方法。Isochrysis sp.及Spirulina sp.皆可

7、採高速離心方式回收，另Spirulina sp. 具凝聚特性可使用篩網(wǎng)回收。2L光合反應(yīng)器高速離心機(jī)篩網(wǎng)第32頁/共69頁酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)第33頁/共69頁酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)根據(jù)催化劑的不同，酯交換法可分為： 液體堿催化法 液體酸催化法 非均相催化法 酶催化法 超臨界法第34頁/共69頁時(shí)間單位名稱主要工作立立項(xiàng)項(xiàng)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)2009中石化 近期擬對(duì)中石化和中科院的相關(guān)機(jī)構(gòu)予以立項(xiàng)支持2008國(guó)家海洋局 對(duì)下屬相關(guān)科研機(jī)構(gòu)予以立項(xiàng)支持2008上海市科委 對(duì)上海市相關(guān)科研機(jī)構(gòu)予以立項(xiàng)支持2009科技部 主要對(duì)相關(guān)企業(yè)予以立項(xiàng)支持：863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“CO2-油藻-生物柴油關(guān)鍵技術(shù)研究”、國(guó)家科

8、技支撐計(jì)劃課題“微藻二氧化碳減排技術(shù)研發(fā)及示范” 針對(duì)微藻生物質(zhì)柴油的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目針對(duì)微藻生物質(zhì)柴油的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目第35頁/共69頁時(shí)間單位名稱主要工作科科研研單單位位清華大學(xué)吳慶余教授課題組 利用異養(yǎng)生長(zhǎng)的產(chǎn)油小球藻進(jìn)行了密閉培養(yǎng)、提油和生物柴油加工研究。國(guó)家海洋局第一研究所鄭力研究員課題組 從事油藻藻種篩選等 中科院海洋所、南海所、武漢植物所、武漢水生所、青島生物能源所、遺傳與發(fā)育所 從事油藻藻種篩選與分子生物學(xué)改造等中科院過程工程研究所叢威研究員課題組 從事光生物反應(yīng)器與微藻培養(yǎng)技術(shù)研究中科院大連化物所張衛(wèi)研究員課題組 從事微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)北京化工大學(xué)譚天偉教授課題組近年開始從事微藻及其和微生

9、物聯(lián)合培養(yǎng)等研究 南京工業(yè)大學(xué)黃河教授課題組 近年開始從事微藻培養(yǎng)研究華東理工大學(xué)李元廣教授課題組 自1995年以來，在科技部863、科技攻關(guān)、科技支撐等項(xiàng)目支持下，一直開展微藻高密度高產(chǎn)率培養(yǎng)技術(shù)、新型光生物反應(yīng)器開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化研究。第36頁/共69頁生物柴油的應(yīng)用生物柴油的應(yīng)用第37頁/共69頁世界上首架使用微藻類生物燃料的“綠色”飛機(jī)。這架飛機(jī)是歐洲航空防務(wù)和航天公司用奧地利鉆石公司的DA42型飛機(jī)改造而成，就在去年六月柏林航展上進(jìn)行了首航。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)發(fā)言人庫爾塞利格雷戈?duì)柗Q，據(jù)廢氣排放檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，海藻燃料排放的氮氧化物，比傳統(tǒng)航空煤油少40，碳?xì)浠衔锷?7.5，生成的硫化物則更

10、低，其濃度僅為傳統(tǒng)燃料的六十分之一。第38頁/共69頁第39頁/共69頁微藻制氫 傳統(tǒng)的制氫方法需要消耗大量的能量或化石原料，生傳統(tǒng)的制氫方法需要消耗大量的能量或化石原料，生產(chǎn)成本普遍較高，尋找產(chǎn)成本普遍較高，尋找低成本、可再生、大規(guī)模低成本、可再生、大規(guī)模的清潔制的清潔制氫技術(shù)成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，越來越多的發(fā)達(dá)國(guó)家氫技術(shù)成為人們研究的熱點(diǎn)。因此，越來越多的發(fā)達(dá)國(guó)家把生物產(chǎn)氫現(xiàn)象用于能源生產(chǎn)，并投入大量的人力物力研把生物產(chǎn)氫現(xiàn)象用于能源生產(chǎn)，并投入大量的人力物力研究生物制氫技術(shù)。究生物制氫技術(shù)。20 世紀(jì)世紀(jì)90年代以來，全球氣候變化和年代以來，全球氣候變化和環(huán)境污染使西方工業(yè)化國(guó)家更加

11、重視生物制氫技術(shù)的研究環(huán)境污染使西方工業(yè)化國(guó)家更加重視生物制氫技術(shù)的研究，國(guó)際能源局（，國(guó)際能源局（IEA）和美國(guó)能源部（）和美國(guó)能源部（DOE）投入巨額資金）投入巨額資金支持生物制氫技術(shù)開發(fā)，已經(jīng)積累了大量的研究成果，為支持生物制氫技術(shù)開發(fā)，已經(jīng)積累了大量的研究成果，為此項(xiàng)技術(shù)的可行性分析奠定了一定的基礎(chǔ)。此項(xiàng)技術(shù)的可行性分析奠定了一定的基礎(chǔ)。 生物制氫主要包括生物制氫主要包括細(xì)菌制氫細(xì)菌制氫和和微藻制氫微藻制氫。雖然部分光。雖然部分光合細(xì)菌具有利用有機(jī)物或還原硫化合物產(chǎn)生氫氣的能力，合細(xì)菌具有利用有機(jī)物或還原硫化合物產(chǎn)生氫氣的能力，但是光合產(chǎn)氫細(xì)菌沒有光合系統(tǒng)！不能利用太陽光和水產(chǎn)但是光合

12、產(chǎn)氫細(xì)菌沒有光合系統(tǒng)！不能利用太陽光和水產(chǎn)氫，同時(shí)由于可用于產(chǎn)氫的有機(jī)物的產(chǎn)地和數(shù)量等因素也氫，同時(shí)由于可用于產(chǎn)氫的有機(jī)物的產(chǎn)地和數(shù)量等因素也決定了其應(yīng)用范圍有限，難以為人類大規(guī)模提供氫源。微決定了其應(yīng)用范圍有限，難以為人類大規(guī)模提供氫源。微藻太陽能光水解制氫是通過微藻光合作用系統(tǒng)及其特有的藻太陽能光水解制氫是通過微藻光合作用系統(tǒng)及其特有的產(chǎn)氫酶系把水分解為氫氣和氧氣。根據(jù)所利用的酶系的不產(chǎn)氫酶系把水分解為氫氣和氧氣。根據(jù)所利用的酶系的不同，可分為同，可分為固氮酶制氫固氮酶制氫、可逆產(chǎn)氫酶可逆產(chǎn)氫酶制氫。制氫。第40頁/共69頁兩種用于制氫的藻類第41頁/共69頁第42頁/共69頁第43頁/共

13、69頁第44頁/共69頁葉綠體葉綠體光分解光分解水產(chǎn)生氫氣，水產(chǎn)生氫氣，為光合作用；為光合作用；線粒體線粒體消耗氧消耗氧氣產(chǎn)生水，為氣產(chǎn)生水，為呼吸作用。呼吸作用。第45頁/共69頁葉綠體基質(zhì)葉綠體基質(zhì)類囊體膜類囊體膜類囊體腔類囊體腔線粒體線粒體 這張圖是這張圖是去除去除硫的環(huán)境下硫的環(huán)境下的氫的氫代謝機(jī)制圖。代謝機(jī)制圖。 黃色箭頭表示黃色箭頭表示氫產(chǎn)生過程中主氫產(chǎn)生過程中主要的電子傳遞。要的電子傳遞。 黑色箭頭表示黑色箭頭表示呼吸時(shí)的氧化作呼吸時(shí)的氧化作用。用。 PS光合作光合作用放氧用虛線描用放氧用虛線描繪，因?yàn)樵谌チ蚶L，因?yàn)樵谌チ颦h(huán)境下，它幾乎環(huán)境下，它幾乎全部被抑制。全部被抑制。 研究

14、發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠藻缺少研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綠藻缺少硫硫這種關(guān)鍵性的營(yíng)養(yǎng)成分，它的這種關(guān)鍵性的營(yíng)養(yǎng)成分，它的PSII的光化學(xué)的光化學(xué)活性降低，光合放氧速率就會(huì)下降到比呼吸作用耗氧速率還低。這樣活性降低，光合放氧速率就會(huì)下降到比呼吸作用耗氧速率還低。這樣，在封閉環(huán)境下綠藻就能，在封閉環(huán)境下綠藻就能處于無氧環(huán)境處于無氧環(huán)境，從而誘導(dǎo)線粒體中電子傳遞，從而誘導(dǎo)線粒體中電子傳遞的的“氫化酶途徑氫化酶途徑”產(chǎn)生氫。產(chǎn)生氫。第46頁/共69頁第47頁/共69頁第48頁/共69頁第49頁/共69頁參數(shù)（因素）參數(shù)（因素）挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)克服挑戰(zhàn)的方法克服挑戰(zhàn)的方法 技術(shù)發(fā)展水平技術(shù)發(fā)展水平未來展望未來展望光合器官的太光合器官的太陽

15、能轉(zhuǎn)化效率陽能轉(zhuǎn)化效率在很強(qiáng)的太陽光在很強(qiáng)的太陽光照射下綠藻的太照射下綠藻的太陽能轉(zhuǎn)化效率低陽能轉(zhuǎn)化效率低基因水平上截短基因水平上截短起光合作用的天起光合作用的天線葉綠素的長(zhǎng)度線葉綠素的長(zhǎng)度以限制光吸收的以限制光吸收的速度速度能調(diào)控天線葉綠能調(diào)控天線葉綠素長(zhǎng)度并成功截素長(zhǎng)度并成功截短其短其50%長(zhǎng)的長(zhǎng)的TLA1基因已被基因已被克隆克隆要鑒定出更多要鑒定出更多能截短天線葉能截短天線葉綠素長(zhǎng)度的基綠素長(zhǎng)度的基因因氫氣的產(chǎn)生氫氣的產(chǎn)生產(chǎn)氫過程中對(duì)產(chǎn)氫過程中對(duì)氧的敏感性對(duì)于氧的敏感性對(duì)于產(chǎn)氫飽和要低光產(chǎn)氫飽和要低光強(qiáng)強(qiáng)短暫的分離氧短暫的分離氧氣和氫氣的產(chǎn)生氣和氫氣的產(chǎn)生這兩過程，通過這兩過程，通過過度

16、表達(dá)來增加過度表達(dá)來增加綠藻中鐵氫化酶綠藻中鐵氫化酶產(chǎn)量產(chǎn)量“兩步法兩步法”制氫制氫無氧無硫環(huán)境的無氧無硫環(huán)境的發(fā)展發(fā)展發(fā)展生產(chǎn)氫氣的發(fā)展生產(chǎn)氫氣的可持續(xù)性可持續(xù)性光生物反應(yīng)器光生物反應(yīng)器材料價(jià)格每平米材料價(jià)格每平米0.75美元營(yíng)養(yǎng)素美元營(yíng)養(yǎng)素價(jià)格每平米價(jià)格每平米0.65美元，成本太高美元，成本太高回收利用材料盡回收利用材料盡量少的使用或回量少的使用或回收利用營(yíng)養(yǎng)素收利用營(yíng)養(yǎng)素正在測(cè)試一個(gè)規(guī)正在測(cè)試一個(gè)規(guī)模達(dá)模達(dá)500L用柔用柔韌、堅(jiān)固并且透韌、堅(jiān)固并且透明的材料制成的明的材料制成的光生物反應(yīng)器光生物反應(yīng)器更先進(jìn)的的機(jī)械更先進(jìn)的的機(jī)械和化學(xué)工程技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)陸地面積陸地面積由于太陽光照射由

17、于太陽光照射的擴(kuò)散性質(zhì)需要的擴(kuò)散性質(zhì)需要大面積土地大面積土地合理布置設(shè)備安合理布置設(shè)備安放地點(diǎn)，最大化放地點(diǎn)，最大化的利用到土地每的利用到土地每一處面積一處面積對(duì)晴朗、干旱氣對(duì)晴朗、干旱氣候，以及淡水、候，以及淡水、半咸水和海水的半咸水和海水的可利用性可利用性選擇合適的國(guó)內(nèi)選擇合適的國(guó)內(nèi)或國(guó)際地區(qū)作為或國(guó)際地區(qū)作為建造工廠的廠址建造工廠的廠址第50頁/共69頁第51頁/共69頁一.篩選高效的藻株第52頁/共69頁第53頁/共69頁第54頁/共69頁第55頁/共69頁早在30多年前（1976？），美國(guó)卡特政府就曾支持啟動(dòng)一個(gè)水生生物計(jì)劃（ASP），斥資2500萬美元，支持試驗(yàn)以高油含量的海藻煉油

18、。而1996年石油價(jià)格下跌到20美元一桶后，克林頓政府關(guān)閉了這一項(xiàng)目，因?yàn)樗麄兛床坏皆孱悷捰偷母?jìng)爭(zhēng)力。如今原油價(jià)格不斷上漲，已近突破了每桶110美元大關(guān)（即42加侖），而微藻煉油的成本為每加侖 。同時(shí)微藻產(chǎn)油不僅不需要擔(dān)心油井的安全隱患和廢氣污染等問題，相反還可以轉(zhuǎn)化工業(yè)生產(chǎn)的CO2等廢氣，即是說是綠色理念的能源也不為過。微藻產(chǎn)油VS傳統(tǒng)石油開采第56頁/共69頁第57頁/共69頁氫氣燃燒不會(huì)產(chǎn)生任何的有毒有害氣體，而傳統(tǒng)制氫方法由于會(huì)在產(chǎn)氫和純化過程中產(chǎn)生大量的毒害氣體，使得氫氣始終無法成為一種能夠替代化石燃料的能源。而通過微藻光合作用來產(chǎn)氫不僅成本低，而且生產(chǎn)過程中的三廢排量明顯減少，可以想象產(chǎn)業(yè)化后的微藻制氫技術(shù)將成為人類將來主要的日常能源。微藻制氫第58頁/共69頁微生物光反應(yīng)器VS光能發(fā)電設(shè)備當(dāng)前的研究階段，微藻的光能轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)低于一般的光能發(fā)電設(shè)備，前者約為1%5%，后者則高達(dá)20%以上。同時(shí)就綠藻制氫而言，由于存在諸如循環(huán)培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)的問題，使得微藻制氫的成本居高不下。但相比于傳統(tǒng)的光能發(fā)電器，微藻制氫依然有著無限的潛力。微藻的代謝途徑可以通過基因工程的手段加以完善，使其產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率大幅提高。微藻的光透過率遠(yuǎn)高于太陽能電池板，因此可以設(shè)想在解決了養(yǎng)殖密度的問題后，微藻的光能利用率將會(huì)超過傳統(tǒng)的光能發(fā)電器。同時(shí)，諸如趨光性等生物特性和環(huán)境適應(yīng)性也是普通的光能發(fā)電