薇藻制油可行性报告.pptx

薇藻制油可行性报告,制作：中国矿业大学,一、薇藻制油概述,微藻是指一些微观的单细胞群体，是最低等的、自养的释氧植物。它是低等植物中种类繁多、分布及其广泛的一个类群。无论是在海洋、淡水湖泊等水域，或在潮湿的土壤、树干等处，几乎在有光和潮湿的任何地方，微藻都能生存。若要大规模地利用藻类生物质来制取生物柴油，就必须保证有充分的藻类生物质。目前藻类的来源主要有2个途径，意识收集湖泊、河湾、水库、池塘等富营养化水体中天然生长的大量浮游藻类；二是人工户外养殖制备，这也是获取藻类生物质的最主要和最有效的方法。微藻制油是利用微藻光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。 即通过藻类的光合作用，将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、蛋白质。,二、薇藻制油的背景,近年来，国际市场石油价格不断高企，我国从年起已经成为一个石油进口国。进口原油不但用去大量外汇，而且主要从局势不稳定的中东地区进口，一旦有突发事件发生，就会造成石油供应减少或中断，将严重威胁国家安全和国民经济的发展。 在世界能源形势日趋紧张的大背景下，寻找一种绿色的可持续发展的新能源，成为各国普遍关注的科学问题。其中利用海洋微型藻类制取柴油、乙醇等，已在日美等国科学界开始探索。我国也应立即启动微藻制油技术的研究，以应对“后石油时代”的能源危机。 据了解，我国的有机碳组成中，海洋藻类占了，藻类是一种数量巨大的可再生资源，也是生产生物质能源的潜在资源，其中微型藻类的含油量非常高，可以用于制取生物柴油。 中国海洋大学管斌认为，利用藻类生物质生产液体燃料，对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机，有着巨大的潜力，对于减少对石油的依赖、保证国家能源安全具有深远意义。,三、薇藻制油的意义,微藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机物转化为氢、高不饱和烷烃、油脂等能源物质；而且微藻生物能源可以再生，燃烧后不排放有毒有害物质，对大气二氧化碳没有净增加。 微藻的种质资源丰富，不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地；另外，它的光合作用效率高，生长周期短，倍增时间约3-5天，有的藻种甚至一天可以收获两季，单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。而且微藻脂类含量在，这是陆地植物远远达不到的，可用于生产生物柴油或乙醇，还可望成为生产氢气的一条新途径。 微藻的产油效率相当高，在一年的生长期内，一公顷玉米能产升生物质燃油，一公顷大豆能产升，一公顷油菜籽能产升，一公顷棕榈树能产升，而一公顷的微藻能产生物质燃油升。 据专家介绍，微藻的个体小，木素含量很低，易被粉碎和干燥，用微藻来生产液体燃料所需的处理和加工条件相对较低，生产成本低。而且微藻热解所得生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg，是木材或农作物秸秆的1.6倍。,微藻在生长过程中还可利用废弃二氧化碳，从而与二氧化碳的处理和减排相结合，国外已经有利用发电厂排放的废弃二氧化碳生产微藻的尝试，占地1平方公里的养藻场一年可以处理5万吨二氧化碳。 微藻比植物有更高的光能转化效率，据估计，微藻生物质产量可达到陆地植物的300倍。而且微藻生长的适应性强，海水、淡水都可以养殖，微藻农场可设于任何地点，可以在盐碱地、粘土地、滩涂以及浅海、湖泊养殖，不与粮争地，不与人争粮。“我国盐碱地面积达亿亩，如果用的盐碱地种植微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国的用油需求。” 我国在薯干、玉米等发酵生产酒精技术上已比较成熟，但每生产一吨酒精需要3吨粮食作为原料。如果每年生产一千万吨酒精，就需要三千万吨玉米，这比我国玉米生产基地吉林年产量还要大。随着可利用的土地不断减少，在世界范围内，粮食供给越来越成为影响人类生存的大问题，如果每年生产几千万吨酒精，都以粮食为原料，显然是不可能的，而利用微藻来制取酒精和生物柴油，显然是“一举数得”。,四、薇藻制油研发单位概述 -河北廊坊新奥集团,1、公司简介：新奥于1989年成立时还是一家小型出租车公司，后来成功地进入了天然气行业，现又进入可再生能源领域。这家私营公司目前有约20,000名员工，并在其河北省的总部附近拥有一个高尔夫球场及一家宾馆，同时一个新的研究中心正在河北境内兴建中。该公司同时还是世界上极少数能批量生产薄膜太阳能电池板的公司之一。去年年底，世界银行国际融资公司（International Financing Corporation）宣布给新奥集团旗下的新奥太阳能有限公司提供1.36亿美元的贷款。新奥集团的高层已与美国能源部洽谈过有关联合研究的事宜，这表明，低碳技术的转让已不再是一种由西渐东的单向交流。该公司藻类技术的发展落后于其他一些技术，但朱真启（音译）表示，10,000公升容积的藻类玻璃暖房的运行成果足以鼓励继续发展这一技术。 2、薇藻制油原理及技术介绍: 原理：利用光合作用，将二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外，进行提炼加工从而生产出生物柴油。,技术介绍： 该公司研发的微藻制备生物柴油技术，目前已处于世界领先地位。该技术能够在充分吸收二氧化碳的同时生产出清洁的生物柴油。 以下为技术简介：在一个玻璃暖房（即养殖微藻类生物的生物反应器）里，一种绿得耀眼而又粘乎乎的生物体流过那些占据整个暖房的透明管道，这些管道有14个上下叠在一起，排成四个长列。这种生物在流经管道时就在迅速繁殖，产生大量的该种藻类。同时煤块首先在一个模拟的地下环境中进行气化，在太阳能和风能的协助下将二氧化碳提取出来。之后将气化的煤“喂”给反应器中的藻类，然后就可以将藻类用于制造生物燃料、肥料或动物饲料。,图：在新奥集团（ENN）的研究中心，科学家们正在测试用微藻在一个更有效利用煤炭的工序的末段做最后处理。,3、微藻制油的关键：微藻大规模培养与微藻生物量的采收 微藻生产系统的具体生产过程包括几个步骤：微藻大规模培养，微藻油提取，转酯反应，生物柴油后处理。其中，最关键的步骤就是微藻的大规模培养。用于制造生物柴油的原料微藻油含甘油三酯，甘油三酯是一分子甘油和三个脂肪酸分子经酯化形成的。为了制造生物柴油，甘油三酯要与甲醇发生酯交换或者说是醇解反应。酯交换反应会产生甘油和脂肪酸价值，各种甲酯就是常说的生物柴油。 根据工程和流体力学的特性，微藻类的大规模培养系统一般可以分为两大类：开放式培养系统和封闭式培养系统。开放式培养系统一般是指室外的露天人工制造的培养池或特定环境下的小规模湖泊，其优点是造价低廉、操作简便、生产成本较低，但由于培养环境不稳定、培养条件无法控制，培养效率较低，只能用于螺旋藻、小球藻、盐藻等少数特定微藻的培养。封闭式培养系统也被称为光生物反应器，是目前流行的微藻培养系统，有柱状、平板式、管道式等多种形式，具有培养环境可人工控制、光利用效率高、操作简单等优点，可以实现微藻的高密度、大规模培养。可以说新型光生物反应器的研发与应用，是微藻生物技术快速发展的保障和前提。,表2：两种微藻培养方法的比较,与微生物发酵相比，微藻培养的生物量浓度较低，大规模培养的生物量浓度仅为0.53.0g/L左右。因此脱水是微藻采收过程中最重要的一个环节。微藻个体较小，除个别种类之外，一般只有十几个微米大小，一般的固液分离方法很难适用于微藻；另外，与一般微生物不同，微藻细胞周围大多富含糖，当微藻细胞达到一定浓度时呈现出非牛顿流体特性，给采收工作带来了很大的困难。因此，开发高效率、低能耗采收装置已成为微藻生物技术中另一个主要研究内容。,五、国内外薇藻制油技术发展史,世界上以发展生物柴油产业为目的进行较大规模的微藻产油研究始于上世纪70年代末。1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）启动了一项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划，研究人员经过10多年的努力，从美国西部、西北、西南部和夏威夷采集分离到了3000株微藻，并筛选出其中300余株具备潜力的产油藻种。该研究计划还对其中生长速度快、油含量高的微藻采用开放池系统进行室外培养试验。 年月，美国绿色能源科技公司和亚利桑那公众服务公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功地利用烟道气的二氧化碳，大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”，其产率可达到每年每英亩提供加仑生物柴油和相当量生物乙醇的水平。 年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头，美国国内十几家实验室和上百位科学家组成的联盟宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”，计划在年实现微藻制备生物柴油的工业化。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下，将微藻产油的成本于年降至美元/加仑。,从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目。该项目利用微藻来生物固定二氧化碳, 并着力开发密闭光合生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产生物质能源。该项计划共有大约20多个私人公司和政府的研究机构参与，10年间共投资约25亿美元，筛选出多株耐受高二氧化碳浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立起了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案。 进入21世纪，石油价格一度大幅上扬，刺激了微藻生物柴油技术的研究。2007年10月，国际能源公司宣布开发以微藻为原料生产生物燃料的新技术；12月，Shell公司宣布与美国从事生物燃料业务的HR Biopetroleum公司组建Cellena合资公司，投资70亿美元开展微藻生物柴油技术的研究。美国第二大石油公司Chevron于2007年底宣布与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。,美国PetroSun Drilling公司不断完善其开放池系统，宣布3年内将达到500万吨/年的生产规模。荷兰AlgaeLink公司2007年10月宣布开发成功新型微藻光生物反应器系统，开始向全球销售其反应器，并提供相关技术支持。其他如Solazyme、Valcent、Vertigro、CEHMM等多家公司都在积极开展相关技术研发。 随着生物柴油开发的兴起，我国一些科研机构及企业也开始关注产油微藻的研究和开发。譬如，有人利用异养生长（利用外加的葡萄糖生长）的产油小球藻进行了密闭培养、提油和生物柴油加工研究，在技术上证明是可行的。中国科学院所属相关单位曾经承担过多项国家及省部级微藻育种和生产的研究，培养了一支经验丰富的微藻生物技术研发队伍。在产油微藻的研究方面，目前已有水生生物所、武汉植物园、过程工程研究所、南海海洋所、青岛海洋所等单位开展了选种、育种、大量培养、收集和提油等研究，并积极开展与我国大型石油化工企业的合作，试图开辟适合我国国情的微藻生物柴油产业化道路。,六、薇藻制油的优势（相对于其他作物制油）,1 、 产油率高 微藻很像一个太阳光光能驱动的细胞工厂，可以源源不断地将CO2转化为潜在的生物燃料、食物、饲料以及高价值的生物活性物质。其中，最具有吸引力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。 通过对产油率的比较，我们可以发现微藻似乎是唯一的潜在的能完全替代化石燃油的来源。因为微藻不像其它油料作物，它生长极快，微藻从出生到可以制油只需要两周时间，生长周期大幅缩短，从而实现了短期内循环再生产，提高了产量。而且，微藻是可以重复生产的，有时一天就可以收获两季，其单位产量是玉米的数百倍，每公顷可以生产1.5万升-8万升生物柴油，比一般油料作物产量高出许多。 微藻的含油量也比油料作物的含油量高。大豆的含油量在20%左右，花生、芝麻的含油量大约为40%，但微藻的含油量高达60%。含油量越高，产油量相对也越高。而且大多数微藻含有丰富的油脂。微藻含油量最高可以达到生物质干重的80以上，含油水平在2050。,2 对环境有益 微藻可以旺盛地消耗高浓度的CO2和NO2，这些火力发电厂的污染物则是微藻的营养。来自化石燃料发电厂的废气可以直接通入微藻生产设备，此举既能显著地提高生产能力，还能清洁空气。研究资料表明，每生产一吨微藻，可以吸收2吨二氧化碳，生成1.5吨氧气。微藻利用光合作用固定CO2，将光能转化为化学能的形势储存于油脂，我们利用油脂生产生物柴油，燃烧后产成CO2和水，这一过程完全符合节能减排的要求。 3 不占用耕地 微藻生长不会与农业产生竞争关系，它的生产设备可以是封闭的而且不需要土壤，与传统农业相比节水99，可以建在远离水源的非农业土地上。有些微藻还能在盐碱环境下生长，所以一些盐碱化土地也能用作培养微藻的场所。 正是由于微藻在生物柴油生产中具有以上优势，目前世界各国已经投入巨资展开了相关研究工作。美国已经启动了被称为“微型曼哈顿计划”的微藻能源计划项目，英国碳基金公司也投入2600万英镑用于微藻相关技术研究和基础设施建设；中国新奥集团亦在这一领域取得了10余项具有自主知识产权的技术成果，其在内蒙古达旗的微藻生态基地在2013年将达到280公顷，3-5年内能够逐步实现藻类生物能源的产业化。,七、国内外薇藻制油技术现状,目前微藻生物柴油生产正由实验室转向小规模工厂化生产。国际微藻生物质高峰论坛于2007年11月在旧金山召开。目前数家公司正在进行微藻生物柴油商业化试生产。 1、 利用细胞工程技术制备微藻及生物柴油 清华大学缪晓玲等通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其脂含量高达细胞干重的55（质量分散），是自养藻细胞的4倍。此外，清华大学还应用细胞培养技术（异养发酵技术）控制有机与无机C、N的供给，获得叶绿素消失、细胞变黄的异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大量增加，蛋白质含量下降。与未经转化的自养藻相比，异养藻细胞和粗脂肪含量提高了4倍以上。中科院植物研究所和中科院水生生物研究所的科研人员借鉴美国的经验教训，在较短的时间内，通过基因工程开发出了高产的油藻品种。青岛海洋大学经过十几年的淡水及海水藻类物质的研究，也已积累了丰富的海洋藻类开发和产业化的经验。,图1：油脂转化为生物柴油的方程式（R和R1-3是碳链） 2 、利用分子生物学和基因工程技术制备微藻 19781996年，美国能源部从微藻中开发可再生燃油的科技项目中投资2500多万美元。美国能源部的研究项目已经确切证实了硅藻具有极高的生长能力，确定了微藻在单位面积及单位时间上比陆生作物能提供更多的能量。更重要的是，微藻生产不必占用粮食生产土地。美国的研究首先从收集微藻样本开始，通过筛选、表征，再进行统计分析，得出制约微藻产量和产油量的关键因素，并探明了微藻细胞的生理和生化特征，最终采用分子生物学和基因工程技术，改变微藻细胞的生理结构，制备出高产量、高含油量的工程微藻，并实现了工业放大。,除了美国能源部的相关研究之外，美国圣地亚哥国家实验室在美国LiveFuels公司资助下，已经进行了将近7年的研究，其研究内容也是关于利用分子生物学反应工程技术，来增加微藻细胞的含油量和产量，其目标是到2010年可得到经济可行的生物柴油。目前，他们已经积累了丰富经验，制得的海藻油与大豆油类似，完全可以用来生产生物燃料。经研究发现，海藻可以在不适合种植庄稼的土地上种植，甚至可以生长在咸水里。他们通过对一种特种海藻的研究表明，仅需美国土地的0.3就可生产出满足全美国需要的运输用燃料，且与商用海藻如螺旋藻相比，该工程微藻油脂含量要丰富得多。,八、薇藻制油的应用前景,我国利用微藻生产生物能源具有潜在的应用前景。 1、目前，在山东省的实验室获得了初步成果，培育出的富油微藻，最高含油比已经达到68%，可在此基础上制取生物柴油。有专家认为，海洋微藻的能源化利用，有望成为“后石油时代”破解能源危机的一把钥匙。 据了解，山东有十几个课题组在从事微藻研究，已发现、筛选、培育几十个富油藻种，并开始运用基因工程技术来改造藻种。还有一些技术力量正在进行微藻生物柴油制备技术的研究。 2、经济效益高：以60万千瓦燃煤发电厂为例，年排放二氧化碳260万吨，利用这项技术，二氧化碳的捕集封存率为75，微藻转化率是30，微藻液化油的收率也是30，估算二氧化碳处理综合成本小于200元/吨。捕集二氧化碳:26075=195万吨；转化微藻:19530=58.5万吨；生产微藻液化油:58.530=17.55万吨；产值:17.550.25=4.39亿元(油价:2500元/吨)；成本:1950.02=3.9亿元；毛利:4.393.9=0.49亿元。专家指出，中国盐碱地面积达1.5亿亩。如果用14%的盐碱地培养微藻，在技术成熟的条件下，生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。 3、 我国的有机碳组成中，海洋藻类占了1/3，藻类是一种数量巨大的可再生资源，也是生产生物质能源的潜在资源，其中微型藻类的含油量非常高，可以用于制取生物柴油。,中科院海洋研究所专家韩笑天说，微藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机物转化为氢、高不饱和烷烃、油脂等能源物质；而且微藻生物能源可以再生，燃烧后不排放有毒有害物质，对大气二氧化碳没有净增加。此外，微藻的产油效率相当高，在一年的生长期内，每公顷玉米能产172升生物质燃油，大豆能产446升，油菜籽能产1190升，棕榈树能产5950升，而每公顷的微藻能产生物质燃油95000升。 4、 我国在能源微藻基础研究方面有很强的力量：国内众多高校和科研院所承担了多项国家及省部级微藻分类、育种和保存技术研究，拥有一大批淡水和海水微藻种质资源。另外，大连化物所等单位在产氢微藻，中国海洋大学、清华大学等单位在产油微藻方面具有一定工作基础。目前，我国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列，养殖的微藻种类包括螺旋藻、小球藻、盐藻、栅藻、雨生红球藻等。 5、 我国 在产油微藻的研究方面，目前已有水生生物所、武汉植物园、过程工程研究所、南海海洋所、青岛海洋所等单位开展了选种、育种、大量培养、收集和提油等研究，并积极开展与我国大型石油化工企业的合作，试图开辟适合我国国情的微藻生物柴油产业化道路。,九、薇藻制油面临的问题及对策,面临的问题： 利用微藻生产生物柴油是现在最新的“绿色”燃油技术，不过技术虽已成熟，但微藻燃油生产系统的投产还需要时间。要让普通交通工具都“喝”上微藻生物柴油，还必须跨越五道槛：首先是成本。微藻燃油项目的产业链很长，藻类的培养成本很高，制成品的价格是目前石油的不止4倍。因为成本不仅涉及藻类的培养、基因的改造，还涉及土地、人员管理和维护费用等；其次，微藻生物柴油项目要投产，规模要很大才能做，而现在各个研究机构的生产规模都很小；再次，难以找到合适的生产场地。在藻类培养中，藻类的密度只能到1%2%，如果太密藻类就无法吸收阳光。微藻生长对阳光和水的高要求，决定了需要大型的场地；第四，微藻培养液