藻类——未来能源之光

藻类未来能源之光藻类生物质能的开发利用汪增涛、陈启航、梦寒、廖如军、王志杰、唐浩轩、常国庆指导员王如柱徐苑本文论述了藻类作为可再生能源原料的优势以及藻类能源的主要利用途径。综述了国内外藻类能源的开发利用现状，并对藻类生物质能的发展前景和建议进行了展望。关键词：藻类可再生能源生物质能开发利用一、导言随着全球经济的快速发展，对能源的需求越来越大。然而，化石能源的短缺及其带来的环境问题使人们更加重视可再生能源的开发和利用。藻类具有分布广、含油量高、生命力强等优点。它们还能在能源利用过程中有效吸收二氧化碳，这对环境有益。因此，以藻类生物质能为代表的第三代生物质能具有广阔的发展前景。二。藻类可再生能源的优势2.1。藻类分布广泛，原料丰富藻类分布广泛。除了海洋、湖泊、河流和溪流之外，藻类也可以在短期死水或潮湿地区生长。从热带到极地，从雪山到温泉，从湿地到稍深的土壤，藻类几乎无处不在。这无疑为生物质能提供了大量的原材料，从而降低了能源开发的成本。2.2。藻类生命力强，生长周期短藻类不需要特殊的营养物质，只需要水、阳光和空气，因此它们可以在沙漠、旱地、半干旱地等极端条件下生长，不占用粮食耕地，减少对粮食作物的影响，弥补了前两代生物燃料将占用耕地的缺陷，也降低了养殖成本。此外，藻类的生长周期很短。藻类是世界上生长最快的植物。如果条件合适，藻类的数量可以在一夜之间增加一倍。不同于大豆和玉米等根据季节收获的作物，藻类可以日复一日地收获。因此，生产效率极高，为能源开发利用提供了充足的原料。2.3。海藻含油量高，热解油利用价值高微藻的含油量一般可达20%-50%，且微藻油的组成类似于植物油，因此现有技术可直接用于生产生物柴油1。同时，藻类中的油、可溶性糖和蛋白质不同于木材中的木质素和纤维素，容易热解。因此，藻类的热解条件相对较低，大大降低了热解技术的成本2。此外，研究发现藻类热解油的氢含量高于木材或农作物秸秆，氧含量相对较低，导致热解油的热值是普通木材或秸秆的1.5倍，能量利用率高。热解油还含有许多常规路线难以合成的物质，因此现有技术可用于提取一些具有工业或药用价值的有机物质，如蛋白质、色素、酒精、动物饲料等。2.4。环境友好藻类生长可以吸收大量的二氧化碳气体和氮、磷等无机盐离子，因此可以起到净化空气和处理工业废水的作用。这不仅为能源开发和利用提供了必要的原材料，而且在保护环境方面发挥了重要作用，这是其他能源技术所不具备的优势。此外，能源利用过程中产生的温室气体也能为藻类的生长提供养分，形成良性循环，一举实现多种效益。所制备的生物柴油具有不添加硫和芳烃的潜在可能性，从而使能量利用过程中的污染最小化。三、利用藻类能源的主要途径3.1。燃料油生产利用藻类生产燃料油的方法主要有两种：热解和直接液化。高温分解热解是指在高温下将生物质降解成气体、固体和液体等多种产物的过程。藻类含有的化学成分易于热解，技术成本低。同时，由于藻类的相对表面积大，易于粉碎和干燥，从而降低了原料的预处理成本。这两者都是藻类作为第三代生物燃料的独特优势。根据热解反应条件的不同，热解可分为快速热解和慢速热解。快速热解的产物主要是生物油和可燃气体，转化率高。气体产品既可用作燃料，也可用作工业原料。固体产物可直接用作燃料，液体产物为热解油，具有很高的利用价值。缓慢热解的产物是焦炭，副产物是植物油，但转化率低，成本相对较低。直接液化直接液化，也称为加压液化，是生物质在高压下的热转化过程。反应温度低于热解温度。在液化过程中，需要引入高压还原气体，需要溶剂甚至催化剂，对生产设备有一定的要求，因此也增加了成本，限制了使用。然而，对于一些高含水量的藻类，直接液化技术不需要干燥过程，从而大大降低了预处理的成本，获得了高热值和高利用率的液体燃料。因此，藻类直接液化生产液体燃料是藻类未来能源利用的主要研究方向。3.2。生物法制氢微藻制氢主要包括蓝藻固氮酶制氢和绿藻可逆氢酶光水解制氢。固氮氢酶产氢率低，能耗高，因此绿藻可逆氢酶光水解技术目前主要集中在产氢方面。然而，该技术分为两种方法：直接光水解和间接光水解。这两种方法都必须在无氧条件下进行，因此直接光水解产生的氧气会抑制反应。间接光水解可以在空间或时间上分离氧和氢，但总体技术成本相对较高，需要进一步研究和突破才能实现生物制氢的实际应用。3.3。生物乙醇的制备生物乙醇具有毒性低、易降解、燃烧后排放污染小的特点。它将在未来的发电、燃料电池和混合动力系统中发挥重要作用。然而，大型藻类和微藻都有能力储存碳水化合物，如淀粉和纤维素。通过工程培养可以获得大量制备乙醇燃料的原料，然后通过物理方法(超声波、机械剪切)或细胞壁的酶水解可以获得藻类中的糖。最后，乙醇燃料可以通过糖化或发酵技术获得，并且一些藻类可以在黑暗条件下直接发酵自身来生产乙醇3。因此，以藻类为原料生产生物乙醇燃料将成为未来藻类能源利用的重点研究方向。四.藻类生物质能的发展现状4.1。国内发展状况中国具有强大的藻类基础研究能力，是世界上最早大规模培养藻类技术的国家之一。在生物柴油在世界范围内越来越受欢迎的背景下，我国越来越多的企业和科研机构积极投资藻类能源的研究。科研机构与企业真诚合作、共赢合作，为我国实现藻类生物质能源产业化注入了源源不断的动力。例如，山东海洋工程学院在实验室培养了含油率高达68%的富油微藻，并应用基因工程技术进行定向转化，这无疑为提高能源原料的利用率和转化率带来了好消息。新奥科技发展有限公司申报的二氧化碳减排技术研发项目，利用热电厂和化工厂排放的二氧化碳等废气培养微藻，提取海藻油制备生物柴油。该项目利用热电厂、化工厂等二氧化碳排放量高的场所作为生产基地，实现二氧化碳的就地吸收，生产可再生能源。同时，也解决了环境污染问题。这是藻类生物质能利用的一个很好的例子。然而，由于成本高，我国藻类生物质能的产业化还处于起步阶段。为了消除这一成本“瓶颈”，还需要交叉整合和共同创新多学科，如藻类基础研究、材料科学、环境科学等。4.2。国外发展状况早在20世纪80年代初，美国就开展了基础研究，如调查和筛选可用于生产生物柴油的微藻资源。2007年后，微藻能源的开发成为热点。现在，已经使用现代生物技术开发了海洋工程微藻。在实验室条件下，微藻的脂肪含量可超过60%。总部位于旧金山的索拉酶公司拥有独特的黑暗发酵技术，可以高效快速地将大规模藻类转化为生物燃料。2010年，该公司向美国海军4号提供了超过20，000加仑的燃料；日本两家公司联合开发了利用微藻将二氧化碳转化为燃料乙醇的新技术，并于2010年开发了相关设备，采用催化热解技术将微藻转化为高芳烃含量和高辛烷值的燃料油。2006年，英国政府全额资助的碳基金公司宣布投资2600英镑，开发以藻类为原料的新一代生物燃料。2007年，荷兰壳牌公司和美国人力资源生物石油公司联合成立了Cellana公司，该公司将利用浅海池塘和阳光在10万公顷的土地上培育藻类。西班牙的BFS生物燃料系统有限公司和阿利坎特大学联合开发了一项独特的海藻养殖专利技术。其产品不含硫，碳排放减少率为20% 5。从这个角度来看，在化石能源日益短缺的背景下，世界各国都在加大对可再生能源的研发，其中藻类生物质能备受青睐，藻类生物质能产业蓬勃发展。五、藻类生物质能源未来发展前景及建议5.1。发展方向展望5.1.1。藻类生物质能的开发利用应与控制海洋污染相结合。据调查，一些微藻具有降解某些有机物的功能，如中肋骨条藻和菱形藻可以同时富集和降解两种典型的多环芳烃6。在当今日益严重的海洋污染形势下，我们可以利用藻类的降解来处理有机污染物。一方面，有机物为藻类的生长和繁殖提供了必要的营养，然后利用现有技术对藻类进行生化处理，从而制备燃油、乙醇、氢气等重要能源；另一方面，藻类可以有效减少海洋中的有机污染，保护海洋生态环境，一举两得。5.1.2。藻类生物量与食品和医药工业的结合藻类细胞中的油可以用来生产生物柴油，但藻类也含有其他对人类有益的化学成分，如藻类色素、不饱和脂肪酸、藻类多糖和藻类蛋白等。这些是对人体健康危害极小的天然物质。因此，我们可以在食品加工或药物制备过程中使用它，例如，使用海藻色素作为食品添加剂；利用海藻蛋白制备保健食品和药物；海藻多糖和脂肪酸用于药物研发，无疑是解决目前公众所担心的食品和药品安全问题的有效方法。5.1.3。藻类生物质能的开发利用应与景观相结合。一个优秀的景观园林不仅在于它的美观，还在于它的生态功能和附加值。作为一种植物，藻类有其自身的观赏价值。因此，当建造景观花园时，可以在其中种植藻类，定期收获和处理以产生生物质能。这样，除了装饰美化和生态功能外，藻类在整个园林系统中具有更重要的能源供应价值，相关技术可以推广到房地产行业，使藻类生物质能利用的商业化更加成熟。5.1.4。藻类生物质能与房屋建筑和智能家居的结合一些巨大的海藻如此之大，以至于它们可以种植在房子表面阳光充足的一侧，在阳光下生长。这样，藻类首先可以起到一定的美化作用，然后可以起到房子的遮挡作用，使房间冬暖夏凉。最后，在家庭能源系统的处理下，茂盛的藻类可以定期收获并转化为生物燃料，为智能家庭提供可再生能源，使整个家庭变得三维智能。5.2。对未来发展的建议5.2.1。增加藻类筛选和转化的研究虽然目前中国的藻类养殖技术已经达到世界先进水平，但面对种类繁多的藻类，很难高效筛选高含油量的目标产品。我们的监控方法需要更加自动化，以满足快速、经济和高通量监控的要求。同时，在研究藻类的代谢条件、代谢产物和生长规律等生理特性的基础上，利用基因工程技术对藻类基因进行定向修饰，可以获得高产油的目标植物，降低能源原料成本。5.2.2。藻类生物制氢技术有待突破氢能由于其燃烧产物的清洁和可回收性，一直是科研人员关注的焦点。然而，藻类产氢面临许多技术瓶颈，例如氢化酶对氧的敏感性、由过量的三磷酸腺苷产生引起的调节问题，以及在铁氧化还原蛋白上对光合还原剂的其他代谢途径的竞争。面对这些技术挑战，我们应该积极采取措施来应对它们，如使用工程方法改变氢化酶对氧的耐受性，确定与光合还原剂竞争的代谢途径，以及使用生物酶来抑制这些代谢途径，调节光合生物膜和减少三磷酸腺苷的产生7。5.2.3。建立和完善促进藻类能源商业化的法律和政策目前，我国藻类生物质能商业化程度低的主要原因是相关政策不完善。政府应出台一系列政策促进藻类生物燃料的商业化，如为致力于藻类能源研究的企业提供优惠政策和金融支持，鼓励能源公司与科研机构合作，共同推动藻类能源进入能源市场，逐步成为市场的主角。六.结论藻类生物质能作为一种新型可再生能源具有广阔的发展前景，特别是其吸收和利用二氧化碳的环保潜力巨大，对各国的能源发展具有极其重要的战略意义。中国在藻类养殖领域拥有先进的技术，但在藻油提取和综合利用技术方面仍需进一步研究。与化石燃料和其他可再生能源相比，能源技术的成本仍处于较高水平，有许多交叉技术需要合作和改进。同时，政府和公众应该更加重视海藻能源产业的商业化。然而，我们高兴地看到，藻类生物质能的开发和利用在国内外都在蓬勃发展。我们有理由相信，在不久的将来，藻类生物质能将成为新一代能源的主要参与者之一，未来的能源之光将照耀全世界，造福全人类。参考1余国柱藻类生物质能的开发利用J石油化工技术，2010，17 (4): 34-382