微藻生物質(zhì)能源

1、2018年秋季學(xué)期研究生課程考核考核科目:綠色黃金-微藻生物質(zhì)液態(tài)能源學(xué)生所在院（系）:學(xué)生所在學(xué)科:學(xué)生姓名:學(xué)號(hào):學(xué)生類別:考核結(jié)果閱卷人微藻生物質(zhì)能源立項(xiàng)報(bào)告（一）立項(xiàng)背景能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。縱觀人類社會(huì)發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展。與世界相比，中國(guó)資源總量雖大，卻不易開發(fā)。中國(guó)煤炭資源地質(zhì)開采條件較差，大部分儲(chǔ)量需要井工開采，極少量可供露天開采。石油天然氣資源地質(zhì)條件復(fù)雜，埋藏深，勘探開發(fā)技術(shù)要求較高。未開發(fā)的水力資源多集中在西南部的高山深谷，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，開發(fā)難度和成本較大。非

2、常規(guī)能源資源勘探程度低，經(jīng)濟(jì)性較差，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。而且中國(guó)人口眾多，人均能源資源擁有量在世界上處于較低水平。煤炭和水力資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的50%，石油、天然氣人均資源量?jī)H為世界平均水平的1/15左右。因而如今處于二十一世紀(jì)的中國(guó)正面臨著嚴(yán)峻的能源短缺問(wèn)題，也正是上述原因，開發(fā)新能源，發(fā)掘新型能源的潛力我們勢(shì)在必行。2009年11月在珠海舉行的中國(guó)藻類學(xué)會(huì)議上，利用微藻生產(chǎn)生物能源的研究十分搶眼。從會(huì)議報(bào)告來(lái)看，許多學(xué)者的研究甚至達(dá)到了一定的深度。而其中微藻大規(guī)?？焖倥囵B(yǎng)技術(shù)的研究發(fā)展得更是十分迅速。從研究規(guī)模和投入看，目前已有中國(guó)科學(xué)院水生生物所、中國(guó)科學(xué)院武漢植物園、過(guò)程工程研究

3、所、中國(guó)科學(xué)院南海海洋所、中國(guó)科學(xué)院青島海洋所等單位開展了選種、育種、大量培養(yǎng)、收集和提油等研究，并積極開展與我國(guó)大型石油化工企業(yè)的合作。不僅中國(guó)如此，世界各國(guó)都在摩拳擦掌。1978年，美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）最早啟動(dòng)了這項(xiàng)利用微藻生產(chǎn)生物柴油的水生生物種計(jì)劃。從1990年到2000年，日本國(guó)際貿(mào)易和工業(yè)部曾資助了一項(xiàng)名為“地球研究更新技術(shù)計(jì)劃”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用微藻來(lái)生物固定二氧化碳,并著力開發(fā)密閉光合生物反應(yīng)器技術(shù)，通過(guò)微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的二氧化碳來(lái)生產(chǎn)生物質(zhì)能源。2009年日本再次啟動(dòng)利用微藻生產(chǎn)生物能源的計(jì)劃。進(jìn)入21世紀(jì)，石油價(jià)格一度大幅上揚(yáng)，刺激了微藻生物柴

4、油技術(shù)的研究。目前各國(guó)的總投入達(dá)到數(shù)百億美元。從目前的研究進(jìn)展和熱衷程度看，一個(gè)能夠替代石油的新能源似乎已經(jīng)被找到，利用微藻生產(chǎn)生物燃料的產(chǎn)業(yè)化道路也似乎已經(jīng)被開辟，讓我們相信一個(gè)高效、清潔、環(huán)保的新能源時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。微藻就是浮游植物，遍布全球各種水體。其類群繁多，種類豐富。作為生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者，在能量轉(zhuǎn)化和碳元素循環(huán)中起到舉足輕重的作用。微藻能夠把光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成油貯藏起來(lái)，在細(xì)胞內(nèi)形成油滴，如葡萄藻、小球藻。有些藻類在缺氮等條件下，可大量積累油脂，含油量可高達(dá)70。首先通過(guò)萃取、熱裂解等方法從這些微藻中將油提取出來(lái)，再通過(guò)轉(zhuǎn)酯化后可轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峒柞?，即生物柴油。因此，微藻確實(shí)能夠生產(chǎn)

5、生物能源。由于微藻的生物量大，可利用灘涂、鹽堿地、荒漠進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)，可利用海水、鹽堿水和荒漠地區(qū)地下水進(jìn)行培養(yǎng)，不與農(nóng)作物爭(zhēng)地、爭(zhēng)水。微藻培養(yǎng)還可利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳和氮氧化合物，緩解溫室氣體的排放，減少環(huán)境污染。此外，與柴油相比，生物柴油除了具有較好的燃料性能、潤(rùn)滑性能和安全性能，還具有二氧化硫和硫化物排放低、不含芳香族烷烴等環(huán)保特性。因此利用微藻生產(chǎn)生物能源確實(shí)是一個(gè)高效、清潔、環(huán)保的新能源途徑，具有廣闊的發(fā)展的潛力和優(yōu)勢(shì)。（摘自虞功亮科學(xué)網(wǎng)博客環(huán) HYPERLINK /blog-40415-299856.html /blog-40415-299856.html）（二）項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容及

6、實(shí)施方案然而盡管微藻生物質(zhì)能源擁有廣闊的前景，但如何提取微藻中蘊(yùn)藏的能源卻是一大難題，本文中我們課題組將對(duì)微藻的生長(zhǎng)、收獲、加工等方面進(jìn)行綜述。并對(duì)其潛在應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。2.1微藻的簡(jiǎn)介微藻的定義涵蓋了所有單細(xì)胞和簡(jiǎn)單的多細(xì)胞微生物，包括原核微藻，即藍(lán)藻和真核生物。原核細(xì)胞（藍(lán)藻）缺乏膜結(jié)合的細(xì)胞器（質(zhì)體、線粒體、細(xì)胞核、高爾基體和鞭毛），更接近細(xì)菌而不是藻類。真核細(xì)胞許多不同種類的普通藻類，確實(shí)有這些細(xì)胞器控制細(xì)胞的功能，使它能夠生存和繁殖。真核生物被分為多種CLA。SSE主要由色素沉著、生命周期和基本細(xì)胞結(jié)構(gòu)決定36。最重要的是：綠藻（綠藻門）、紅藻（紅藻門）和硅藻（硅藻門）。藻類可以是

7、自養(yǎng)的，也可以是異養(yǎng)的；前者只需要二氧化碳、鹽類和光能源等無(wú)機(jī)物才能生長(zhǎng)；而后者則是非光合的。Re需要有機(jī)化合物的外部來(lái)源以及作為能源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。有些光合藻類是混合營(yíng)養(yǎng)的，即它們既能進(jìn)行光合作用，又能進(jìn)行交流。查詢外源有機(jī)養(yǎng)分35。對(duì)于自養(yǎng)藻類來(lái)說(shuō)，光合作用是它們生存的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)光合作用將葉綠體吸收的太陽(yáng)輻射和二氧化碳轉(zhuǎn)化為腺苷。三磷酸（ATP）和02是細(xì)胞水平上可用的能量貨幣，然后用于呼吸，產(chǎn)生能量來(lái)支持生長(zhǎng)。對(duì)我們而言，自養(yǎng)的微藻是我們最好的選擇。光、溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽、酸堿度、碳源、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物因子等，都是影響微藻生長(zhǎng)的主要因素。2.2微藻的培養(yǎng)1）光在溫度和營(yíng)養(yǎng)不限制微藻

8、生長(zhǎng)的情況下，影響微藻生長(zhǎng)的因子即光。光源除可利用人工光源，太陽(yáng)光是微藻培養(yǎng)的主要光源。在室外大規(guī)模培養(yǎng)和室內(nèi)小型培養(yǎng)，都可有效利用太陽(yáng)光源。但極端易變是太陽(yáng)光源的特點(diǎn)，這給在培養(yǎng)中控制最適光照強(qiáng)度帶來(lái)較大困難。室內(nèi)小型培養(yǎng)可利用白熾燈或白色日光燈等人工光源。白熾燈產(chǎn)生的溫度很高，能使培養(yǎng)液水溫上升，在夏天氣溫高時(shí)不宜使用。使用人工光源，可較好控制光照強(qiáng)度和時(shí)間，但存在成本高的問(wèn)題，因此生產(chǎn)上二級(jí)培養(yǎng)很少使用。光質(zhì)光的顏色即是光質(zhì)，是指不同波長(zhǎng)的光線。鹽藻在300700nm光譜區(qū)內(nèi)，出現(xiàn)436nm和679nm兩個(gè)吸收主峰和470nm個(gè)肩。三角褐指藻在紅、黃、藍(lán)、白和紫等5種不同的光質(zhì)下的生長(zhǎng)速

9、度大小依次為藍(lán)光、紫光、白光、紅光和黃光，在藍(lán)光下的生長(zhǎng)常數(shù)約為0.44，而在黃光下僅為0.26；培養(yǎng)8d其多糖含量在紅光下最高。在光照強(qiáng)度低于13.20口mol/（m2/s）時(shí)，螺旋藻的生物量在紅光下是最咼的。C光在細(xì)胞懸浮液中的穿透當(dāng)光線進(jìn)入藻液中，由于藻細(xì)胞的散射和吸收，隨著深度的增加，光照強(qiáng)度迅速降低。藻細(xì)胞的密度取決光投入的深度，密度愈低，光透入愈深。大部分細(xì)胞吸收到的光照強(qiáng)度往往不足，這是由于在高密度下，僅僅表層細(xì)胞能吸收到可進(jìn)行光合作用的飽和光照強(qiáng)度,下層細(xì)胞實(shí)際處于“黑暗”之中。2)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素是微藻細(xì)胞合成的基礎(chǔ)。微藻光合作用的底物為CO2和水,產(chǎn)物除了糖類之

10、外,還合成蛋白質(zhì)、核酸及脂類等一系列生物活性物質(zhì),因此,需要氮、磷等元素的參與。碳源、氮源、磷源以及一些微量元素的種類和供應(yīng)水平,在一定程度上影響著微藻光合作用的能力和水平,從而直接影響微藻的生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)鹽的形態(tài)會(huì)影響微藻的生長(zhǎng)。分別在BBM培養(yǎng)基中添加0.1%的乙酸鈉、檸檬酸鈉、碳酸氫鈉作為碳源培養(yǎng)卷曲纖維藻,發(fā)現(xiàn)添加乙酸鈉作為碳源有利于藻細(xì)胞的生長(zhǎng),而添加檸檬酸鈉和碳酸氫鈉作為碳源對(duì)藻細(xì)胞的生長(zhǎng)沒(méi)有促進(jìn)作用。Berman等采用N03-N,NH3-N以及次黃嘿吟、尿素、賴氨酸等有機(jī)氮源培養(yǎng)微藻,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用尿素作為氮源時(shí),藍(lán)藻的生長(zhǎng)最快且氮源得率系數(shù)最高。許多研究表明,培養(yǎng)基中碳源、氮源、磷源的

11、水平是影響微藻營(yíng)養(yǎng)組成的主要因素。微藻對(duì)碳源的需求量很大,碳源主要影響藻細(xì)胞生長(zhǎng)和脂類、糖類等物質(zhì)的積累。Tang等研究了不同CO2濃度對(duì)斜生和蛋白核小球藻總脂含量的影響，發(fā)現(xiàn)高CO2水平(30%50%)有利于總脂和不飽和脂肪酸的積累。然而,Chen等研究異養(yǎng)小球藻。在不同的碳氮比(C/N)下細(xì)胞內(nèi)總脂含量和脂肪酸組成時(shí)發(fā)現(xiàn):碳源限制或者氮源限制均能促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)油脂合成,且前者更為明顯。高碳濃度能夠促使微藻油脂積累可以用碳儲(chǔ)存機(jī)制解釋,但低碳濃度促使微藻油脂積累的機(jī)制,目前尚不明確。微藻對(duì)氮源的需求僅次于碳源。氮源的形態(tài)及濃度都會(huì)對(duì)微藻的營(yíng)養(yǎng)組成產(chǎn)生影響。駱育敏等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以濃度為0.1g/L

12、0.8g/L的尿素代替Zarrouk培養(yǎng)基中的硝酸鹽作為氮源時(shí)，能夠提高螺旋藻中葉綠素含量。Caudhury等對(duì)比采用NaN03,NH4N03,NH4C1和(NH4)2HP04作為氮源培養(yǎng)螺旋藻,發(fā)現(xiàn)(NH4)2HP04更有利于細(xì)胞內(nèi)Y-亞麻酸的積累。在氮源限制條件下，藻細(xì)胞中需要氮元素參與合成的營(yíng)養(yǎng)組成如蛋白質(zhì)、葉綠素等含量會(huì)下降,而糖類、脂類等不需要氮元素參與合成的營(yíng)養(yǎng)組成含量會(huì)明顯上升。此外,缺氮還能誘導(dǎo)某些藻類細(xì)胞內(nèi)抗氧化性的類胡蘿卜素積累氮源限制條件下,特殊細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)組成的積累可能與藻細(xì)胞在抗逆反應(yīng)中的自我保護(hù)機(jī)制相關(guān)。磷源也是微藻生長(zhǎng)所必須的重要營(yíng)養(yǎng)鹽之一,己有研究表明,低磷濃度能夠

13、促進(jìn)藻細(xì)胞油脂、葉綠素a及微藻囊毒素的積累。氮磷比是影響微藻營(yíng)養(yǎng)組成的重要因子之一,合適的氮磷比能夠促進(jìn)藻的生長(zhǎng)以及某種特定產(chǎn)物(如葉綠素、脂類)含量的積累。微藻最適氮磷比沒(méi)有一個(gè)定值,一般因藻種而異,例如小球藻的最適氮磷比為3.5,四尾柵藻的最適氮磷比是20,而聚球藻的最適氮磷比為45。3)微藻的大規(guī)模培養(yǎng)a.開放式培養(yǎng)系統(tǒng)開放式培養(yǎng)系統(tǒng)是微藻培養(yǎng)系統(tǒng)中開發(fā)最早、應(yīng)用最為普遍的一種培養(yǎng)方式,目前世界各國(guó)仍然將其作為微藻工業(yè)化培養(yǎng)的主要方式。開放式培養(yǎng)系統(tǒng)最突出的優(yōu)點(diǎn)就是構(gòu)建簡(jiǎn)單、成本低廉及操作簡(jiǎn)便,主要有兩種基本類型:(1)水平式開放池培養(yǎng):其特點(diǎn)是光生物反應(yīng)器水平放置,培養(yǎng)液主要靠槳輪或者

14、旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán);(2)傾斜式開放池培養(yǎng):光生物反應(yīng)器被放置于一個(gè)傾斜面上,通過(guò)泵的動(dòng)力使培養(yǎng)液在斜面上形成湍流完成循環(huán)過(guò)程。微藻大規(guī)模培養(yǎng)的開放池的占地面積為1000m25000m2,培養(yǎng)液深度通常在15cm30cm之間。在開放池培養(yǎng)中，由于培養(yǎng)液層淺,CO2作為碳源的利用率不會(huì)超過(guò)20%,直接導(dǎo)致微藻開放池培養(yǎng)成本升高。開放池培養(yǎng)系統(tǒng)存在著易受污染、培養(yǎng)條件不穩(wěn)定、光合效率低等難以克服的弱點(diǎn)。目前,采用開放池進(jìn)行戶外大規(guī)模培養(yǎng)的藻種只有螺旋藻(Spirulina)、小球藻(Chlorella)、鹽藻(Dunaliella)等少數(shù)幾種,但都存在著生物量低(0.5g/L1.0g/L左右),

15、單位面積產(chǎn)率低2g/(m2.d10g/(m2.d),采收成本較高的問(wèn)題。降低開放池培養(yǎng)成本的有效方法是選擇適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)模式,提高光能及營(yíng)養(yǎng)鹽利用率，從而提高單位面積產(chǎn)量。Radmann等在培養(yǎng)體積為6L的微型跑道式開放池中用Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化了螺旋藻的培養(yǎng)條件,采用半連續(xù)的培養(yǎng)模式、培養(yǎng)基為20%的Zarrouk培養(yǎng)基、生物量為0.40g/L、更新速率為40%60%時(shí)，螺旋藻生長(zhǎng)最優(yōu)。然而,在大規(guī)模開放池培養(yǎng)中難以將生物量控制在恒定水平，40%60%的更新速率也會(huì)提高生產(chǎn)能耗及操作成本。要提高規(guī)模化微藻培養(yǎng)的單位面積產(chǎn)量，其根本是進(jìn)行高密度培養(yǎng)。Doucha等用傾斜式光生物反應(yīng)器戶外

16、高密度(初始接種密度為1g/L2g/L)培養(yǎng)小球藻(Chlorellasp.)，單位面積產(chǎn)量可達(dá)24.5g/(m2.d)，同時(shí)光能利用率可達(dá)6.48%。進(jìn)行微藻高密度培養(yǎng)時(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽的控制顯得尤為重要。碳源、氮源、磷源等營(yíng)養(yǎng)鹽是微藻生長(zhǎng)所必須的底物，與營(yíng)養(yǎng)鹽相關(guān)的一系列操作(如CO2補(bǔ)加、pH控制、氮磷源補(bǔ)加)都直接影響微藻生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)組成，最終影響到微藻培養(yǎng)的產(chǎn)量及產(chǎn)率。營(yíng)養(yǎng)鹽成本占微藻生產(chǎn)總成本的比重很大，在開放池培養(yǎng)中，為了有效降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量，可以從培養(yǎng)模式、CO2的有效利用與pH控制以及營(yíng)養(yǎng)鹽優(yōu)化這幾方面考慮。b.封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)封閉式培養(yǎng)系統(tǒng)是用透光材料建造的生物反應(yīng)器，除了能采集

17、光能外，其它諸多方面與傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵用生物反應(yīng)器相似。在設(shè)計(jì)藻類封閉式光生物反應(yīng)器時(shí)，光能利用和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。自COOK研制出第一臺(tái)垂直管狀光生物反應(yīng)器以來(lái)，各類封閉式光生物反應(yīng)器相繼問(wèn)世，其設(shè)計(jì)都基于一個(gè)基本的原理:在保證合理的工作體積、充分的混合、合適的碳濃度的同時(shí)盡可能的使反應(yīng)器的面積體積比最大。封閉式光生物反應(yīng)器通常由光吸收單元、氣體交換單元、循環(huán)系統(tǒng)組成。目前，封閉式光生物反應(yīng)器的類型包括管道式、攪拌式發(fā)酵罐、平板式、柱狀氣升式、浮式薄膜袋等26。這幾種封閉式光生物反應(yīng)器雖然技術(shù)成熟、易于控制，但是造價(jià)成本高、難以放大用于規(guī)?；⒃迮囵B(yǎng)。近年來(lái)，開發(fā)出一種新型的浮式薄

18、膜袋光生物反應(yīng)器用于微藻的封閉式培養(yǎng)，其具有受光面積大、保溫性能好、污染機(jī)會(huì)小、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在提高藻種的密度和純度上取得了良好的效果，是微藻規(guī)?；忾]培養(yǎng)的趨勢(shì)。2.3微藻油脂的提取微藻油脂的提取一般可采用具有良好滲透性的溶劑進(jìn)行提取，提取方法有傳統(tǒng)的溶劑提取法、索氏提取法、超臨界CO2萃取法、反復(fù)凍融乙醇提取法等等。溶劑提取法溶劑提取法是一種傳統(tǒng)的、使用較為普遍的微藻油脂提取方法。一般是使用單一的正己烷、氯仿和甲醇等或幾種溶劑的混合物作為提取劑。不同的溶劑提取法對(duì)不飽和脂肪酸的總提取量影響較大。由于有機(jī)溶劑滲透性較差，微藻細(xì)胞內(nèi)油脂提取不完全，從而造成油脂提取率不高。因此，在使用有機(jī)溶劑提取微藻油脂時(shí)，為提高油脂的提取效率，可與超微粉碎技術(shù)、熱化學(xué)破壁技術(shù)、化學(xué)酶法破壁技術(shù)、超聲波粉碎法和凍融破碎法等細(xì)胞破碎方法相結(jié)合以達(dá)到較為理想的提取效果。索氏提取法索氏提取法是一種較簡(jiǎn)單、常用的一種提取方法，在實(shí)驗(yàn)室大都采用此方法。索氏提取法測(cè)定微藻總脂時(shí)結(jié)果較準(zhǔn)確，但抽提時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)，且所需溶劑和樣品量大。超臨界CO2萃取法超臨界CO2萃取法是一種新型的微藻油脂提取技術(shù)，提取效率高于傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑提取法，可提取出微藻樣品中幾乎全部的油脂，且此方法無(wú)毒安全，同時(shí)，其提取過(guò)程不影響萃取物有效成分。與傳統(tǒng)的提取方法相比，超臨界C