利用藻类制备生物汽油.doc

克默迪博睿科技（北京）有限公司利用藻类制备生物原油（两种方法）项目简介克默迪博睿科技（北京）有限公司 董事长 杨子中第一种方法：干燥藻类水热液化技术 藻类中获得原油，需要先对藻类进行干燥，然后进行提取。水热液化技术“具有能完全利用整个藻体的优点，因此具有显著的优势，因为不再需要单纯追求脂类含量的积累，或脂类的提取了，这种黏液由水和藻类组成，后者的重量占总重的10%到20%。在转化的时候，黏液被连续输送进一个高科技压力锅，锅内的温度大约为350摄氏度，压强达到近204个标准大气压。高温高压可以使混合物保持液态。 依据水热液化（HTL）反应设计了一套反应装置。在这套系统中，藻类和水的混合物被连续的加入到反应釜中进行反应。反应釜中的高压使得水的温度能够达到300-400摄氏度，此时的水处于介于液相和气相之间的超临界态。在这样的条件下，藻类中的生物质能够被快速降解。之后利用一系列收集和过滤装置，即可得到原油及一系列副产物。 在一次HTL反应中，每100克藻类最终可以产生41克原油。这样的转化效率令人满意。图片来源：D.C. Elliott et al.（2013）Algal Research. KMD在寻找替代能源方面已经进行了多年的努力，而利用海藻生产原油或将成为这一问题的更好答案。相较于之前的生物燃料，藻类原油有着更大的优势。除去更高的产量，相对于汽油而言利用藻类生产燃油更为清洁。藻类在生长过程中能够吸收大气中的二氧化碳，这一定程度上降低了碳排放。且由于藻类可以在废水中大量繁殖，其产物也可以生物降解。在整个生产过程中对环境造成的负担都较小。 相对于粮食作物产生的生物燃料来说，藻类转化生产的燃油具有高热值的优点。 埃利奥特表示：“由玉米等粮食作物生产得到的乙醇在用作燃料时需要与汽油进行混合，而藻类原油则可以直接用来燃烧。 KMD设计的循环系统，经由回收装置，反应中分离的磷酸盐和纯净水可以被回收用于下一轮的藻类繁殖。1.藻类样本脱水；2.水热液化反应；3.固态沉淀物分离；4.油相/水相分离；5.油相产物加氢处理生成烃类；6.水相碳催化转化为气体燃料及可回收肥料。 藻类生长在各种水环境中，所以非常容易获得。但实际上收集足够多的用于原油生产的藻类是一件很困难的事。克默迪的系统不仅可以使得藻类的繁殖更为简便，其优化的设计也使得更多种类的藻类得以被用于原油转化。第二方法（光合作用卡尔文循环）藻类汽油藻类是光合效率最高的原始植物之一，与农作物相比，单位面积的产率可高出数十倍。微藻生物柴油技术首先包括微藻的筛选和培育，获得性状优良的高含油量藻种，然后在光生物反应器中吸收阳光、CO2 等，生成微藻生物质，最后经过采收、加工，转化为微藻生物汽油。原理是利用藻类光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为藻类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藻类细胞内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物汽油。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。“这是一个变废为宝的产业，而且还可以生产更多的下游产品。”在石油价格大幅上升，粮食短缺问题日渐突出的今天，该产业有着广阔的发展前景。“在显微镜下，海藻就像一个油葫芦，比油菜籽、花生的含油量高78倍，比玉米高十几倍。”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍，海洋微藻制取生物汽油是国际新能源领域的新方向。专家指出，我国盐碱地面积达1.5亿亩。如果用14%的盐碱地培养藻类，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。藻类资源丰富，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，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20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物汽油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。减排二氧化碳的微藻制油新技术，并准备将成果率先应用于治理燃煤电厂废气。全世界已知的藻类有近3万种，让微藻能大量吸收二氧化碳，并通过叶绿素的光合作用制造生长所需的养分，从中提取出油脂，再制备出生物汽油。这种生物汽油与传统石化汽油的性质和成分相似，某些指标如发动机低温启动性能甚至更好。为实现微藻柴油产业化，工业化生产的连续采收、能源消耗低的脱水干燥和微藻制油技术，建立规模化的微藻制油工厂，在大型容器中养殖微藻。白天，阳光和工业二氧化碳废气将为微藻创造出适宜的生长条件；夜晚，光合作用停止，但依然可以给微藻“喂食”工业废水，让它们利用废水中的糖制造养分；“榨油”之后的微藻残渣，则可以作为新型生物质能锅炉的燃料。经过这一轮的绿色循环，微藻汽油能做到让汽车的碳排放降为零。有很多大型燃煤电厂，其气体排放组成中有99%是二氧化碳，运用这项技术可使微藻制油在本地循环起来。藻类含有大量生物油脂，部分品种含油量达70%。它们的光合作用效率高，生长迅速，最多两周就可以完成一个生长周期。研究表明，每公顷土地玉米年产油量只有120升，大豆为440升，而藻类可达1.5万至8万升。藻类将是非常有潜力的生物汽油来源。壳牌、雪佛龙等石油巨头以及正致力于新能源开发的微软董事长比尔盖茨，近两年已投入巨资启动微藻制油研发。我公司微藻基础研究方面拥有很强的研发力量，与众多高校和科研院所承担了藻类分类、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。目前我国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列。国外藻类研究美国从1976年起就启动了微藻能源研究，但美国科学家已经培育出了富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高了312倍)，户外生产也可增加到40%以上，为后来的研究提供了坚实基础。2006年，美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国宣布由国家能源局支持的微型曼哈顿计划，计划在2010年实现微藻制备生物汽油工业化，各项技术研发全面提速。2007年，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物质能的技术，每5千克藻类可生产1升燃料。此外，在微藻制乙醇方面，美国已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利；日本两家公司联合开发出了利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术，且投入工业化生产。藻类优点 浮游藻类过多虽然会导致湖沼的富营养化，威胁水质，从而破坏生态系统，但这些藻类具有很强的吸收二氧化碳并合成有机物的能力，有望作为生物燃料的原料。然而，蒸发浮游藻类所含的大量水分需要消耗大量能源，因此利用浮游藻类生产生物燃料尚缺乏可行，通过向浮游藻类中添加能与油脂成分紧密结合的液化二甲醚，成功提取出了可供燃烧的油脂。当二甲醚与藻类细胞中的油脂成分结合后，只要在常温下使二甲醚蒸发，就能将油脂成分提取出来。 利用上述方法所提取的油脂成分相当于干燥藻类重量的约40，其燃烧后的发热量与汽油相当，可望成为有价值的“绿色原油”创造了一个连续的化学过程中，使海藻产生有用的原油。 在实验过程中，湿海藻浆液被注入化学反应器的前端。一旦系统运行起来，将在不到一个小时，生产出原油。除此之外还产生出水和含磷材料等副产品，可以回收并促进更多的藻类生长。与其他传统精炼相比，粗藻类油转化成航空燃料，汽油或柴油，废水可以进一步处理，产生可燃气体和钾和氮等物质，随之被净化的水，还可以回收并使更多的藻类生长。虽然海藻一直被认为是生物燃料的潜在来源，并有已经有几家公司进行以藻类为基础的燃料的规模化研究，KMD技术有效地驾驭藻类的能源潜力，并采用了许多方法来降低生产藻类燃料的成本。KMD通过结合多种化学步骤为一个连续的过程，大大简化简化了从藻类到原油的生产程序。最重要的节约成本的步骤是该方法适用于湿的藻类。目前大多数进程需要藻类进行干燥这个过程，需要大量的精力和昂贵的费用。新的工作过程可以应用于含水量80至90的藻浆。“不需要进行干燥是过程中的一个巨大的胜利，可以大规模削减成本。” 比如能够从水中提取有用的气体，然后回收剩余的水分和养分，帮助种植更多的藻类，这进一步降低了成本。”从湿藻类生物创造燃料，大部分工作在同一时间完成一个批次。KMD系统连续运行，每小时处理约1.5升藻浆。虽然这似乎不是很多，但它更接近于大规模商业化生产所需的连续系统的类型。在KMD系统还消除了在当今最常见的藻类处理方法中所需要另一个步骤：复杂地处理从藻类的其余部分。相反，KMD团队在高压下撕开的物质使其经受温度非常高的水，将大部分的生物质转化为液体和气体燃料。“这个系统有点像是高压锅，只不过我们使用高得多的压力和温度，” “从某种意义上说，我们正在重复在地球上的藻类转化成石油的超过数百万年的这一历程，我们只是做的更多、更快。”该过程的产品有：粗油状物：可以被转换为航空燃料，汽油或柴油燃料。实验中，海藻的碳一般超过50转化为能源原油 - 有时高达70。干净的水：它可以被重新使用，以生长更多的藻类。气体燃料：它可以燃烧发电或者使用于燃烧压缩天然气的汽车。营养物：如氮，磷，钾 用于藻类生长的关键营养物质。发明出一种能将藻类短时间内变成可用原油的连续性化学方法，这种海藻是一种与豌豆十分类似的翠绿色糊状物。将藻浆放入化学反应器的前端。设备启动后不到一小时就会流出原油，伴随流出的含有水和含磷物质的液体，这种液体可以循环利用种植更多的藻类。再经过一道传统的炼油过程，原油就会转化为航空燃油、汽油或柴油燃料。废水经过进一步加工就产生可燃气体和钾、氮物质，与纯净水混合后也能回收再利用种植海藻。海藻一直被认为是一种生物燃料的潜在资源，KMD公司在实验研制出海藻基燃料。美国又在赶超世界据报道，马布斯自2009年5月就任美国海军部长以来，一直致力于推动海军使用生物燃料。从那时起，除与农业部开展合作外，美国海军试验生物燃料的步伐明显加快。2010年4月22日，美国海军在马里兰州帕图森河海军航空站对一架使用生物燃料的F/A-18F“超级大黄蜂”战斗攻击机进行了试飞。该机所用燃料为JP-5航空煤油和亚麻籽提炼油按1:1比例混合而成。2010年11月18日，美国海军对一架用了同样燃料的MH-60S“海鹰”直升机进行了试飞。2011年8月24日，美国海军用同样燃料在帕图森河海军航空站对一架T-45“苍鹰”舰载教练机进行了试飞。2011年10月3日，美国海军在帕克斯基地对一架使用生物燃料的MQ-8B“火力侦察兵”舰载无人直升机进行了试飞，该机所用燃料为JP-5航空煤油与骆驼刺提炼油混合而成。在舰艇领域，美国的试验也取得了突破。2011年10月20日，美国海军在一艘1600通用登陆艇上进行了生物燃料试验。该燃料为海藻油和F-76航海燃油按1:1比例混合而成。一个月后，美国海军用“福斯特”号驱逐舰对同样燃油进行了试验。随着美国海军试验不断取得进展，越来越多的美国公司也日渐看好生物燃料的商业前景。据悉，通用原子能公司、蓝宝石能源公司、SG生物燃料公司、Solazyme公司等企业目前都在生物燃料研制领域取得了不小进展。按马布斯的设想，到2020年美国海军的所有武器装备的50%燃料将使用非传统化石燃料。众所周知，使用生物燃料的好处之一就是能够减少碳排放。但美军对生物燃料如此热心绝不仅仅是为了环保。有军事专家指出，随着人类越来越依仗工业化成果，能源安全的重要性越来越突出。而能源安全最直接的表现就是军用能源的安全，这一点早在二战期间就已经表现得极为明显。而美国显然已经在生物燃料领域走在了世界前列。值得注意的是，这样的进展将绝不仅仅惠及美国海军，而是将带动整个美军燃料供给体系发生变革。对于很多同样面临能源保障问题的国家和军队而言，美军在此领域的进展值得高度关注。生物燃料 可能没有想象的“绿”煤、石油等传统化石能源是目前全球消耗的最主要能源。随着人类不断开采，化石能源的枯竭不可避免，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。另一方面，化石能源在使用过程中会新增大量温室气体二氧化碳，同时产生一些有污染的烟气，从而威胁全球生态。生物燃料一般是泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。由于利用的是自然界原本就存在的自然生物，生物燃料被认为可以替代化石燃料，成为可再生能源开发利用的重要方向。作为生物燃料的一种，乙醇的生产原料为玉米、甘蔗等生物源，是可再生能源。其燃烧所排放的二氧化碳和含硫气体较汽油燃烧所产生的要低，其中二氧化碳排放量可降低30%左右。因而，燃料乙醇被称为“绿色能源”或“清洁燃料”。而且，燃料乙醇燃烧所排放的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳在数量上基本持平，可减少大气污染及抑制温室效应。很长一段时间，生物燃料一直被人们视为“绿色能源”，备受追捧。不过，近年来的一些科学研究已对生物燃料的“绿色”头衔提出质疑。增加臭氧浓度导致肺部受损美国的研究人员发现，作为生物燃料来源的树木，它们在生长过程中会释放高浓度的有机化合物异戊二烯，该物质会与空气中其他污染物（如氮氧化物）混合，增加种植地附近空气中的臭氧浓度。这些臭氧可能对人造成伤害，导致生活在附近的人出现肺部疾病，严重的会导致人们吸入臭氧死亡，另外还会降低作物的产量。消耗大量粮食促使粮价上涨除了影响健康之外，制造生物燃料要消耗大量的粮食，导致粮价上涨。以美国为例，大量的玉米变成了乙醇汽油的原料，而非人们盘中的食物。经济法则很明显地在这个生产制作过程中起到作用用于生物燃料的玉米越多，食物的价格将越高。世界银行的一份报告称，生物燃料对全球粮价上涨的“贡献率”达70%75%，相当于将全球3000万人推向贫困。整个生长加工过程 由于种种问题，依托于淀粉、纤维素以及油脂的第一代、第二代生物能源均有很大的局限，难以大规模应用。作为第三代生物能源的产油藻类是未来一种有前途的生物能源，同时产油藻类若想取得高产，需要极富营养化的水体环境，因此可用于污水处理。随生活和工业污废水，我国每年排放到天然水体中氮素多达几百万吨，这足以支持几千万吨海藻油的生产规模。 利用藻类，特别是微藻，发展“生物原油”还具有其他陆地植物不具备的许多特殊意义。第一，生长环境要求简单，几乎能适应各种生长环境。不管是海水、淡水，室内、室外，还是一些荒芜的滩涂盐碱地、废弃的沼泽、鱼塘、盐池等都可以种植微藻。可利用不同类型水资源、开拓荒山丘陵和盐碱滩涂等非耕作水土资源，具有不与传统农业争地的优势。第二，微藻产量非常高。一般陆地能源植物一年只能收获一到两季，而微藻几天就可收获一代，而且不因收获而破坏生态系统，就单位面积产量来说比玉米高几十倍。第三，产油率极高，达20%70%。中科院海洋研究所获得了多株系油脂含量在30%40%的高产能藻株，微藻产油研究取得前期重要成果，如：细胞密度达到20克/升，产油量7克/平方米；雪藻每天能在1平方米光照面积内生产35.3克AFDW(去灰分干重)，该生物量相当于46.4克植物种子量，是目前高产农田产量的11倍。中国海洋大学拥有海洋藻类种质资源库，已收集600余株海洋藻类种质资源，目前保有油脂含量接近70%的微藻品种，在山东无棣县实施的裂壶藻(油脂含量50%，DHA含量40%)养殖项目正在建设一期工程。但是，藻类含水量大，不好干燥炼油，不过粉碎制浆后，应该可以采用溶剂油浸提萃取，就像现在的豆油一样。余下的纤维素的可以发酵制取沼气，剩下的沼渣可生产生物肥料。 另外除藻类外，富营养化的开阔水面还可以放养水葫芦等浮水植物，收获后打浆发酵制取沼气和生物肥料。KMD认为，防止潜在能源危机和减少温室气体必需要开发出可替代的再生燃料来源。科学家们已经尝试了各种来源，例如从玉米乙醇到大豆生物柴油。但是，要真正满足世界的燃料需求，研究人员必须想出一个尽可能在最小空间使用最少量资源产生尽可能多生物燃料的办法。 藻类，不象诸如玉米或大豆的其他农作物，它不仅能用从污水到咸水的各种水资源，也能在小而密集的裸露土地上生长。尽管藻类燃烧时还是会产生一些CO2，但它在生长期间能分离二氧化碳，而矿物燃料源性能源显然不行。 佛吉尼亚生物信息学研究所（VBI）数据分析中心(DAC)的科学家们辅助完成藻类Nannochloropis gaditana 的基因组装配，Nannochloropis gaditana是一种海洋藻类，可能能生产脂质，从而为活性燃料来源生产必需品。中国藻类学研究日渐深入 藻类是无根、茎、叶分化的孢子植物，从淡水到盐湖、从极地到温泉、从陆地到海洋，极具广布性和多样性。早在35亿年前，藻类就出现在地球上，对大气层中氧的形成起到关键作用。十几亿年前真核藻类出现，演化出十多个门类、数万个种类，在全球二氧化碳固定和环境自净中起到十分重要的作用。 我国藻类分子生物学和基因的研究工作已经在多种藻类上开展并取得进展。中科院武汉植物园研究员胡鸿均介绍说，电子显微镜技术、分子生物学理论与方法在藻类学各分支学科中的应用，不仅揭示了很多以往未观察到的新现象，同时还发现了许多新类型。 中科院海洋研究所研究员费修绠在题为藻类学研究的历史与未来的主题评述报告中说，20世纪90年代中期以来，我国的藻类学研究进入了分子生物学和传统藻类学研究相结合的新时期，这一时期不仅传统的藻类学研究继续活跃开展，国家“863”计划、“973”计划等都对藻类分子生物学和生物技术的研究给予了支持，藻类学研究的深度和广度不断扩大。目前，藻类生物技术研究的主要领域有：对传统的蓝色农业进行技术改造及遗传改良；海藻栽培、海洋药物、活性物质的研究和提取相结合；藻类栽培和改善海洋与湖泊水体生态环境相结合；藻类对全球气候变暖、降低大气CO2浓度已经起到和可能起到的巨大作用受到关注；利用微藻和大型海藻生产生物质能源的研究启动。产业化前景广阔 许多藻类富含蛋白质、维生素和各种微量元素，以及胡萝卜素、高度不饱和脂肪酸等生物活性物质，是人类重要的营养源。藻类资源在国民经济和人民生活中占有日益重要的地位，成为蛋白、药物和化工产品的宝库。我国已建立了世界上规模最大的藻类养殖业和海藻栽培业。 中科院南海海洋研究所研究员向文洲在报告中说，近年来极端生物学的研究得到了国际上的高度关注，其不仅涉及许多生命科学的重大问题，而且有着巨大的应用和开发价值，有关技术和产品有望在医疗保健、食品、精细加工、环境保护与治理以及太空生命维持系统等方面得以广泛应用。广泛筛选具有极端适应特征的微藻（螺旋藻、盐藻），充分利用阳光、沿海滩涂和盐碱沙漠荒地，建立低成本和开放式光合反应器产业化技术，已经成为微藻生物技术应用研究的重要方向。以极端适应的螺旋藻为基础，我国已建成国际上最大的藻类养殖基地。2006年我国有螺旋藻生产企业近60个，螺旋藻干粉的生产量达2500吨，占全世界产量的62%。与会专家认为，藻类学和藻类生物技术是发展蓝色农业、确保21世纪食品安全、提高人民生活质量的重要基石。充分利用现有藻类养殖基地，开发有巨大市场前景的极端微藻新资源与新产品，促进微藻产业的多元化发展，将是我国藻类产业健康可持续发展的必然选择。规模栽培保护环境 随着沿海地区工农业发展和城市化进程的加快，大量陆源有机物、营养盐类的排入和大规模养殖所造成的海水自身污染，都为赤潮生物的暴发性增殖提供了丰富的物质基础。仅长江输送入海的活性磷酸盐和溶解态无机氮，平均每年分别为600万吨和31万吨；2006年我国近海未达到清洁海域水质标准的面积约为13530平方公里，严重和中度污染的海域面积分别比2005年增加了约3060和730平方公里。 中国水产大学生命科学院教授何培民指出，要减少赤潮的发生频率和降低赤潮所造成的损失，人类唯一可做的只能是有效控制海水的富营养化因素，而控制海水富营养化的重任只能由大型海藻来承担。何培民等在2006年2007年承担了上海城市沙滩1.5平方公里富营养化水体的生态修复工程试验，研究结果显示，采用大型海藻江篱直接吸收氮磷，3个月内可使水体的活性磷和氨态氮几乎耗尽，治理富营养化效果十分显著。水质指标达到类水质标准，透明度最高达6米，成为我国第一例封闭型海区生态修复治理的典范。而在开放海区，何培民等从2002年起对江苏启东吕泗港口进行了连续3年的紫菜栽培生态修复跟踪研究，结果表明，在紫菜栽培期间，栽培区内营养盐含量明显下降，紫菜栽培可使海区水质由劣类达到类水质标准。蓝藻水华的频发和大规模暴发已经成为亟须解决的我国水环境重大问题之一。今年太湖蓝藻暴发并造成无锡用水危机，虽然是一次偶然事件，但其影响却是空前的，如何发挥藻类在海洋环境保护等方面的作用，成为摆在研究人员面前的重要课题。国家中长期科技发展规划纲要把“海洋生物资源保护和高效利用技术”以及“海洋生态与环境保护技术”列为“优先主题”，其中藻类将在资源和环境领域发挥重要作用。 中科院水生生物所研究员宋立荣指出，相对于西方一些发达国家，我国对蓝藻水华的研究起步较晚，对蓝藻水华的发生机理、危害和控制对策还缺乏深入、系统的认识，对藻类毒素在与人类健康及毒素的控制规范方面尚无相应的指标。可以预测，在未来的510年，我国水体中蓝藻水华及其毒素污染总体上有加剧的趋势，制定、实施防治规划，开发出高效、廉价的控制技术迫在眉睫。提升藻类基础研究水平 近年来我国藻类多以技术性成果为主，基础性研究的内容和成果不够突出；藻类应用基础研究成果的数量和质量仍有待改进，产量世界第一，产品档次和产值偏低现象未得到根本改善，各类藻类产业的先进性和稳定性普遍存在问题，亟待改善。 开发清洁的可再生能源已成为我国能源领域的一个紧迫课题，微藻可利用太阳能和水制作氢气，不受原料限制，可望为“氢能经济”大规模提供氢源。通过关键技术突破，绿藻光解水制氢有可能达到市场可接受的生产成本，是太阳能生物制氢研究的重点。中科院植物所研究员黄芳说，微藻在自然界分布广泛，对生存环境适应性强，是固定太阳能的重要生物群体。应尽快整合各方面的优势，深入系统地开展对藻类放氢的应用基础研究，发掘我国特有的高效产氢藻株，通过关键技术攻关，建立高效持续稳定的藻类规模化产氢系统，实现能源供给的可持续发展。 专家指出，未来我国藻类学研究应首先加强前瞻性的基础研究，研究内容应覆盖分类学、形态学和系统学，系统发育与进化生态学、藻类与环境，生理学、生物化学与生物活性物质，遗传学和育种学，生物多样性的现状与保护；研究的主产物论文应当是少而精，有质量才会有生命力。同时，要加强栽培技术，改造相关的藻类生物学基础研究、藻类天然产物的研发、藻类药物产品的研发和藻类种质遗传改良的生物技术研究，利用藻类调控和改善环境的生物技术，带动更多更新的藻类食品、保健品、化妆品、药物、生物活性物质问世，藻类在改善人类的生活和环境方面应有更大的作为。微藻制油效益高目前，海洋专家已经培育出的富油微藻，最高含油比已经达到68，并在此基础上制取生物柴油。据了解，我国的有机碳组成中，海洋藻类占了13，藻类是一种数量巨大的可再生资源，也是未来提供生物质能源的潜在宝库。“在显微镜下，海藻就像一个油葫芦，比油菜籽、花生的含油量高78倍，比玉米高十几倍。”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍，海洋微藻制取生物柴油是目前国际新能源领域的新方向。微藻对环境的适应力很强，在很恶劣的条件下仍能生存，也不会因收获而破坏生态系统，可大量培养而不占用耕地。它的光合作用效率高，生长周期短，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20至70，是陆地植物远远达不到的，在一年的生长期内，一公顷玉米能产172升生物质燃油，一公顷大豆能产446升，一公顷油菜籽能产1190升，一公顷棕榈树能产5950升，而一公顷微藻能产9.5万升。微藻不仅可生产生物柴油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。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，平均高达每千克33兆焦耳，是木材或农作物秸秆的1.6倍。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。微藻固碳清洁无害山东科技大学教授田原宇表示，“现在被认为有效的二氧化碳捕集、封存方法，如海底封存、废弃煤矿封存、油田封存等，都存在成本高、难操作和可能引起其他环境灾难的问题。而生物法固定二氧化碳是地球上主要的、有效的固碳方式。与此同时，能源紧缺是全球性问题，发展低碳排放的可再生能源和生物质能源，是解决能源紧缺的重要出路。如果能用二氧化碳生产生物质油，将二氧化碳化害为利、变废为宝，一举数得。”中国海洋大学教授潘克厚说，“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。”以60万千瓦燃煤发电厂为例，年排放二氧化碳260TY吨，利用微藻技术，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。估算可处理二氧化碳195万吨，可收获物质油17.55万吨。“就这个项目而言，在封存和利用二氧化碳的同时，还能产生97.5万吨的氧气；另外，如果能把这个项目减排的二氧化碳纳入清洁发展机制(CDM)，还能获得额外收益。”田原宇对这项技术的经济效益非常看好。值得注意的是，地球上的光合作用90是由藻类进行的。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。国外大力开发微藻美国从1976年起就启动了微藻能源研究，攻关以化石燃料产生的废气生产高含脂微藻。这一计划虽然因经费精简、藻类制油成本过高于1996年终止，但美国科学家已经培育出了富油的工程小环藻。这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60以上(比自然状态下微藻的脂质含量提高了312倍)，户外生产也可增加到4以上，为后来的研究提供了坚实基础。2006年，美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国宣布由国家能源局支持的微型曼哈顿计划，计划在2010年实现微藻制备生物柴油工业化，各项技术研发全面提速。2007年，以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物质能的技术，每5千克藻类可生产1升燃料。此外，在微藻制乙醇方面，美国已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利；日本两家公司联合开发出了利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术，计划在2010年研制出有关设备，并投入工业化生产。如果在中国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程高油藻类，生物柴油的生产规模可以达到数千万吨。这并非遥不可及。在科研人员的积极探索下，国内在海洋微藻制取生物柴油方面已取得可喜成果，更宏大的项目正在酝酿之中。微藻汽油可望满足全国一半用油 “在显微镜下，海藻就像一个油葫芦，比油菜籽、花生的含油量高78倍，比玉米高十几倍。”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍，海洋微藻制取生物柴油是目前国际新能源领域的新方向。 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。 中国海洋大学教授潘克厚说，微藻资源丰富，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，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20%至70%，是陆地植物远远达不到的，不仅可生产生物汽柴油或乙醇，还有望成为生产氢气的新原料。微藻制油需国家立项支持 鉴于微藻的重要能源价值以及世界各国对能源微藻研究不断深入，有专家建议，中国应立即启动微藻产乙醇、产油技术的研究，对微藻产氢也要注意动态跟踪，作好长远规划。 中国在能源微藻基础研究方面拥有很强的研发力量，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。目前中国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列。 专家建议，利用微藻制取生物汽油，具有重要的政治、经济、科学意义，国家对此应加大科技支持力度，使之上升为国家项目。微藻制油需要国家立项支持，科技部、发改委、财政部、能源局等部委在科技立项时，要向微藻制油倾斜，鼓励相关企业开发微藻制油自动化设备，大力促进微藻制油产业化。卡尔文循环卡尔文循环(Calvin cycle)，一译开尔文循环，又称光合碳循环（碳反应）。是一种类似于克雷布斯循环（Krebs cycle，或称柠檬酸循环）的新陈代谢过程，可使其动物质以分子的形态进入和离开此循环后发生再生。碳以二氧化碳的形态进入并以糖的形态离开卡尔文循环。整个循环是利用ATP作为能量来源，并以降低能阶的方式来消耗NADPH，如此可增加高能电子来制造糖。从卡尔文循环中所直接制造出来的碳水化合物并不是葡萄糖，而是一种称为卡尔文循环glyceraldehyde 3-phosphate (G3P)的三碳糖。为了要合成一摩尔这种糖，整个循环过程必须发生6次的取代作用，固定三摩尔二氧化碳。当我们在追踪循环的每一个步骤时，就是要注意这三摩尔二氧化碳在整个反应过程中的变化情形。生物意义卡尔文循环是光合作用中碳反应的一部分。反应场所为叶绿体内的基质。循环可分为三个阶段: 羧化、还原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物会将吸收到的一分子二氧化碳通过一种叫1，5-二磷酸核酮糖羧化酶的作用整合到一个五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位碳原子上。此过程称为二氧化碳的固定。这一步反应的意义是，把原本并不活泼的二氧化碳分子活化，使之随后能被还原。但这种六碳化合物极不稳定，会立刻分解为两分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者被光反应中生成的NADPH还原，此过程需要消耗ATP，产物是3-磷酸丙糖。后来经过一系列复杂的生化反应，一个碳原子将会被用于合成葡萄糖而离开循环。剩下的五个碳原子经一系列变化，最后再生成一个1，5-二磷酸核酮糖，循环重新开始。循环运行六次，生成一分子的葡萄糖。碳的固定卡尔文将每个个别的CO2附着在一个称为ribulose-1,5-bisphosphate(简称RuBP)的五碳糖上以合并之。催化起始步骤的酶是RuBP carboxylase（1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶），或 rubisco。(这是在叶绿体中最丰富的蛋白质，而且也可能是地球上最丰富的蛋白质)这个反应的产物是一种含六个碳而且非常不稳定的中间产物，其立即就会分裂为二摩尔的3-phosphoglycerate(PGA，3-磷酸甘油酸）。3-磷酸甘油醛(G3P(PGAL)的合成每摩尔的3-phosphoglycerate接收一个额外的磷酸盐基，接着有一种酶会将此磷酸盐基转换为ATP。然后，一由NADPH所捐出的电子对3-bisphosphoglycerate 变成G3P (glyceraldehyde-3-phosphate)。非常明确地，由NADPH而来的电子减少了3-phosphoglyce-rate中的carboyxl group而形成了G3P中的carbonyl group，如此可驻留更多的位能。G3P 是一种糖类由葡萄糖经过糖原酵解而分裂所产生的三碳糖。注意，每三摩尔的CO2就可产生六摩尔的G3P，但是只有一摩尔的这种三碳糖能够真正被获得。循环一开始是以具有15个碳的价值的碳水合化物去形成三摩尔的五碳糖RuBP。现在具有18个碳的价值的碳水化合物形成了六摩尔的G3P，一摩尔脱离了循环而被植物细胞所使用，但是其他的五摩尔则必须被回收以形成三摩尔的RuBP。二磷酸核酮糖(RuBP)的再形成在一连串复杂的反应中，此五摩尔G3P的碳的骨架在Calvin cycle的最后一个步骤被重新分配为三摩尔的RuBP。为了完成这个步骤，此循环多耗费了三摩尔的ATP，然后现在RuBP又准备好了要再度接收CO2，整个循环又可以继续。在合成一摩尔G3P方面，卡尔文循环总共需消耗九摩尔的ATP和六摩尔的 NADPH，然后借助光反应可再补充这些ATP和NADPH。G3P是Calvin cycle中的副产品，然后又成为整个新陈代谢步骤的起动物质，以合成其他的有机化合物，包括葡萄糖和其他碳水化合物。既不是单独的光反应也不是单独的卡尔文循环就可以利用CO2来制造葡萄糖。光合作用是一种在完整的叶绿体中会自然发生的现象，而且叶绿体整合了光合作用的两个阶段。美国生物化学家卡尔文在二十世纪50年代中后期发现了有关植物光合作用的“卡尔文循环”，即植物的叶绿体如何通过光合作用把二氧化碳转化为机体内的碳水化合物的循环过程。首次揭示了自然界最基本的生命过程，对生命起源的研究具有重要意义。卡尔文因此获得了1961年诺贝尔化学奖。1卡尔文循环又称光合碳循环是一种类似于Kerbs cycle的新陈代谢过程，其可使起动物质以分子的形态进入和离开这循环后发生再生。碳以二氧化碳的形态进入并以糖的形态离开Calvin cycle。整个循环是利用ATP作为能量来源，并以降低能阶的方式来消耗NADPH，如此可增加高能电子来制造糖。从Calvin cycle中所直接制造出来的碳水化合物并不是葡萄糖，而是一种称为glyceraldehyde 3-phosphate (G3P)的三碳糖。为了要合成一摩尔这种碳，整个循环过程必须发生三次的取代作用，固定三摩尔二氧化碳。卡尔文循环（Calvin Cycle）是光合作用的暗反应的一部分。藻类文献微藻水热液化生物油物理性质与测量方法综述 张冀翔; 王东; 魏耀东 化工进展 分享 分享到2微藻水热液化生物油化学性质与表征方法综述 优先出版 张冀翔; 蒋宝辉; 王东; 魏耀东 化工学报 分享 分享到3生物油在亚临界、超临界流体中的制备与提质改性研究 张冀翔 浙江大学 分享 分享到4低脂微藻水热液化生物油实验研究与机理分析 盖超 山东大学 分享 分享到5微藻在不同波长光谱下生长规律及水热液化制备生物质油的优化工艺研究 魏萱 浙江大学 分享 分享到6典型微藻生物油的制备及其摩擦学特性研究 徐玉福 合肥工业大学 分享 分享到7富营养化藻的特性与水热液化成油的研究 田纯焱 中国农业大学 分享 分享到8浒苔热液化制备生物油的基础研究 黄付彬 中国海洋大学 分享 分享到9大型海藻生物质热解动力学及热解液化工艺研究 赵辉 中国科学院研究生院（海洋研究所） 分享 分享到10拉曼光谱与微型毛细管反应器联用研究微藻及其模型化合物的水热液化产物 高志鹏 浙江工业大学 分享 分享到11微藻水热液化制备生物油的过程控制及分析的研究 方丽娜 石河子大学 分享 分享到12生物质水热液化制备生物油及其性质分析的研究 朱哲 天津大学 分享 分享到13生物油催化提质合成车用燃料 冯刚 浙江大学 分享 分享到14微藻对水热液化废水养分的循环利用及代谢途径研究 张丽 中国农业大学 美国微藻生物柴油产业环境分析来源：中国科学院上海科技查新咨询中心由于全球能源需求不断扩大，寻求能够替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能源，一直是世界各国普遍关注的热点。而生物柴油是一种已经得到证明的燃料，以其为可再生性的环保燃料能源而得到各国的广泛关注。从上世纪六十年代末开始至今，生产和使用生物柴油的技术已经发展了50余年。大量事实证明，在包括油料作物、回收烹饪油、动物油以及微生物油等用以提炼新燃料的各类物品中，又以微藻最具优势。近年来，各国纷纷加大对微藻生物柴油的支持力度。美国是生物能源最积极的倡导者。金融危机爆发后，由于生物燃料可创造新的就业机会、促进经济增长、加强能源结构多元化，以及减少温室气体排放等因素，促使美国更加积极地发展生物燃料。早在20世纪70年代，美国对利用微藻生产生物柴油就产生了浓厚的兴趣，并在80年代初由国家可再生能源实验室（NREL）牵头并联合多个单位进行了可用于生产生物柴油的微藻资源调查与筛选等基础研究。1978年，美国能源部通过国家可再生能源实验室启动的一项利用微藻生产生物柴油的“水生生物种计划”（U.S. Department of Energys Aquatic Species Program: Biodiesel from Algae），耗资近5亿美元，研究人员经过十多年的努力，开展了从微藻生物资源普查，到藻种选育，再到微藻规模培养等一系列卓有成效的探索工作。这一项目的启动与开展，大大推动了微藻可再生能源的研究与开发。相应的研究发展过程如下图1所示。2006年11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连接的商业化系统，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”，每年每英亩可提供500010000加仑生物柴油。2007年，由美国能源部圣地亚国家实验室牵头，美国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2010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，2015年将微藻产油的成本下降至23美元加仑。最近，美国肯塔基能源应用研究中心宣布投资350万美元，用于研究如何利用藻类来清洁火电厂排放的二氧化碳和烟尘。图1“水生生物种计划”微藻生物柴油研发流程2006年，雪佛龙公司与美国联邦研究人员组成了伙伴关系，共同进行藻类燃料的研究。荷兰皇家壳牌公司宣布将与位于美国夏威夷的HR生物石油公司(HR BioPetroleum)合资建立一家名为Cellana的公司，通过使用海洋浅塘和日光在10万公顷的地方培育水藻。包括霍尼韦尔、波音和Raytheon公司在内的世界500强公司也都在着手研发藻类燃料。埃克森美孚公司计划在未来5到6年里投资6亿美元，与美国加州的合成基因公司合作，利用可进行光合作用的海藻，研究和开发与现有汽油和柴油燃料兼容的先进生物质燃料，这是迄今为止对生物质燃料最大的投资之一。2008年奥巴马在竞选美国总统时宣称：生物燃料特别是生物柴油是一个关键的资源，再使美国富强，由于使用在本土生长的可再生原料，它将创造新的“绿色就业机会”(Green Jobs),同时减少对国外石油的依赖。2009年6月报导(ICIs Chemical Business)：美国将投资和贷款保证来支持生物炼油厂和生物化工。2008年12月910日，美国DOE能效与可再生能源办公室的生物质项目组在马里兰大学召开了“藻类生物燃料技术路线图”研讨会，收集关于建立以藻类为基础的大规模生物燃料产业所存在的潜在障碍以及实现这一目标的战略，该路线图草图于2009年6月在网上发布，进行广泛的意见征询。2010年6月28日，美国枟藻类生物燃料技术路线图枠（N ational A lgal Bio f uels Technology Roadmap）正式发布（表2），对目前以藻类为原料进行液态运输燃料生产的研发现状、面临的挑战及解决途径进行了描述，从科学、经济、政策前景等方面对藻类生物燃料的研发投资进行支持与指导。表2美国枟藻类生物燃料技术路线图枠跨越藻类生物燃料研发壁垒：技术目标过程步骤研发挑战原料藻类生物学u从大量环境野生菌株中分离模式菌株；u开发小规模、高通量筛选技术；u开发开放式存取的数据库，收集现有的具有详细特征的菌株；u探索燃料原料生产的遗传学和生化途径；u通过基因手段和育种技术得到标准菌株藻类培养u整合多种方法（如开放、闭合、混合系统；光能自养、厌氧等培养方式）；u实现健全稳定的商业化规模培养；u优化操作系统，提高藻类燃料的原料生产力；u对土地、水源和营养的利用进行可持续、低成本的管理；u鉴定并解决环境风险和影响问题。收获与脱水u整合多种收获方法（如沉淀、絮凝、溶气气浮、过滤、离心等）；u尽可能地减少过程能耗；u降低生产与运营成本；u从整个系统的兼容性和可持续性方面评估每一项技术。转化提取与分馏u整合多种方法（如声波降解法、超临界流体、亚临界水、选择性萃取等）；u提高预期中间体的产量，保留副产物；u尽可能地减少过程能耗；u探索循环机制，减少废弃物；u克服过程放大壁垒，如操作温度、压力、容量、副反应和分离等。燃料转化u研究多种方法实现液体运输燃料生产；u提高催化剂的特异性、活性和耐受性；u减少杂质和反应抑制物；u尽可能地降低过程能耗和尾气排放；u提高放大条件下的转化速率。副产物u鉴定、评估藻类残余物中的高附加值化学品、能源、材料等副产物；u优化副产物的提取和复原过程；u进行市场分析，包括质量和安全性试验，确保达到适用性标准基础设施分配与利用u确定不同存储和运输条件下污染物、气候对藻类生物质、中间体、生