海藻生物能源

1、会计学1海藻生物能源海藻生物能源第1页/共69页内容概要内容概要微藻生物质能源综述 (徐骏宇)微藻采收技术 （王旗）微藻生物质柴油 （何彦康）微藻制氢 （陈欣宁）总结与展望 （邓兆方）第2页/共69页藻类藻类按按细胞大小细胞大小 大藻大藻 (如海带、紫菜、裙带等如海带、紫菜、裙带等) 微藻微藻 (如小球藻、螺旋藻、盐藻、栅藻、如小球藻、螺旋藻、盐藻、栅藻、 紫球藻、雨生红球藻、鱼腥藻等紫球藻、雨生红球藻、鱼腥藻等)按按生长的环境生长的环境水生微藻水生微藻 陆生微藻陆生微藻 气生微藻气生微藻 按按生活方式生活方式 浮游微藻浮游微藻 底栖微藻底栖微藻 第3页/共69页第4页/共69页第5页/共69

2、页第6页/共69页第7页/共69页第8页/共69页第9页/共69页第10页/共69页第11页/共69页第12页/共69页第13页/共69页第14页/共69页第15页/共69页第16页/共69页第17页/共69页小型喷雾干燥机小型喷雾干燥机管式离心机管式离心机第18页/共69页第19页/共69页第20页/共69页第21页/共69页微微 藻藻 生生 物物 质质 能能 源源第22页/共69页微藻生物柴油微藻生物柴油-开发背景开发背景获得微藻生物质柴油的具体途径获得微藻生物质柴油的具体途径我国微藻生物质柴油的研究现状我国微藻生物质柴油的研究现状微藻生物柴油的应用与发展展望微藻生物柴油的应用与发展展望内

3、容概要内容概要第23页/共69页随着日益严重的环境恶化, 控制汽车尾气排放和温室效应, 保护人类赖以生存的自然环境成为人类急需解决的问题。同时全球能源需求不断扩大, 寻求可以替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能源是目前普遍关注的热点。化石能源不可持续！化石能源不可持续！生物柴油开发背景生物柴油开发背景第24页/共69页目前, 生物柴油主要是以植物和动物脂肪酸为原料来生产的, 而不是微藻。在美国, 生物柴油主要以大豆为原料, 其他来源包括棕榈油、菜籽油、动物脂肪酸、玉米油、废食用油和麻疯树油。一些东南亚国家则以一些热带植物的种子为原料, 如棕榈等, 废弃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、废食用油和动物脂肪酸生产的生物柴油尚不能满足当前车用燃料需求量的一小部分。同时使用植物原料在所有的国家都存在共同的问题。一是是否适合当地气候, 实现高产稳产; 二是种植过程中产生的土地资源紧缺的问题以及由此引起的其他农作物价格上涨的问题。特别在我国人多地少的情况下, 这些问题尤为突出。第25页/共69页微藻生物柴油的优势微藻生物柴油的优势面对植物原料生产生物柴油的诸多问题, 利用微藻产油具有不与农业争地的明显优势, 而且可用海水作为天然培养基进行大量繁殖。跟植物一样, 微藻也是利用光照产油, 但却比植物作物的效率高很多。大多数微藻的产油量远远超过了最好的油料作物。不像其他

5、油料作物, 微藻生长极为迅速, 而且含有极其丰富的油脂。藻类光合作用转化效率可达10%以上, 含油量达30% 。微藻的生物柴油产量是最好的油料作物的8 24倍。第26页/共69页表7 主要微藻种类含油量表8 微藻生物质柴油占有的优势表4 各种植物含油量横向对比第27页/共69页微藻生物柴油的独特优势微藻生物柴油的独特优势第28页/共69页生产工艺总路线图生产工艺总路线图甘油三酯转化生物柴油微藻采收技术光自养培养分离纯化技术第29页/共69页微藻生物柴油生产工艺流程微藻生物柴油生产工艺流程微藻经培养，采收，提取得到的油脂为甘油三酯。甘油三酯黏度较大，不能直接用作柴油，须将其转化为较低粘度的燃料，

6、目前生产生物柴油的最主要的方法为酯交换法。采用酯交换法可以使油脂的分子量降至原来的三分之一，粘度降至八分之一，该方法生产出来的生物柴油的黏度与石化柴油非常接近，十六烷值达到50，可以直接用来作为燃料。 第30页/共69页 以光作为能量还原CO2同化为碳水化合物，而获得生物量。光合成反应如下： CO2 + NO3- + PO43- + H2O + 太阳能 CH2ONP + O2 目前国内外微藻的大规模培养均属光自养培养。 微藻光自养培养微藻光自养培养 第31页/共69页微藻微藻采收技术采收技术利用物质特性通过离心、过滤、沉降等分離方法。Isochrysis sp.及Spirulina sp.皆可

7、採高速离心方式回收，另Spirulina sp. 具凝聚特性可使用筛网回收。2L光合反应器高速离心机筛网第32页/共69页酯交换反应酯交换反应第33页/共69页酯交换反应酯交换反应根据催化剂的不同，酯交换法可分为： 液体碱催化法 液体酸催化法 非均相催化法 酶催化法 超临界法第34页/共69页时间单位名称主要工作立立项项机机构构2009中石化 近期拟对中石化和中科院的相关机构予以立项支持2008国家海洋局 对下属相关科研机构予以立项支持2008上海市科委 对上海市相关科研机构予以立项支持2009科技部 主要对相关企业予以立项支持：863计划重点项目“CO2-油藻-生物柴油关键技术研究”、国家科

8、技支撑计划课题“微藻二氧化碳减排技术研发及示范” 针对微藻生物质柴油的国家级项目针对微藻生物质柴油的国家级项目第35页/共69页时间单位名称主要工作科科研研单单位位清华大学吴庆余教授课题组 利用异养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。国家海洋局第一研究所郑力研究员课题组 从事油藻藻种筛选等 中科院海洋所、南海所、武汉植物所、武汉水生所、青岛生物能源所、遗传与发育所 从事油藻藻种筛选与分子生物学改造等中科院过程工程研究所丛威研究员课题组 从事光生物反应器与微藻培养技术研究中科院大连化物所张卫研究员课题组 从事微藻光自养培养北京化工大学谭天伟教授课题组近年开始从事微藻及其和微生

9、物联合培养等研究 南京工业大学黄河教授课题组 近年开始从事微藻培养研究华东理工大学李元广教授课题组 自1995年以来，在科技部863、科技攻关、科技支撑等项目支持下，一直开展微藻高密度高产率培养技术、新型光生物反应器开发与产业化研究。第36页/共69页生物柴油的应用生物柴油的应用第37页/共69页世界上首架使用微藻类生物燃料的“绿色”飞机。这架飞机是欧洲航空防务和航天公司用奥地利钻石公司的DA42型飞机改造而成，就在去年六月柏林航展上进行了首航。欧洲宇航防务集团发言人库尔塞利格雷戈尔称，据废气排放检测数据显示，海藻燃料排放的氮氧化物，比传统航空煤油少40，碳氢化合物少87.5，生成的硫化物则更

10、低，其浓度仅为传统燃料的六十分之一。第38页/共69页第39页/共69页微藻制氢 传统的制氢方法需要消耗大量的能量或化石原料，生传统的制氢方法需要消耗大量的能量或化石原料，生产成本普遍较高，寻找产成本普遍较高，寻找低成本、可再生、大规模低成本、可再生、大规模的清洁制的清洁制氢技术成为人们研究的热点。因此，越来越多的发达国家氢技术成为人们研究的热点。因此，越来越多的发达国家把生物产氢现象用于能源生产，并投入大量的人力物力研把生物产氢现象用于能源生产，并投入大量的人力物力研究生物制氢技术。究生物制氢技术。20 世纪世纪90年代以来，全球气候变化和年代以来，全球气候变化和环境污染使西方工业化国家更加

11、重视生物制氢技术的研究环境污染使西方工业化国家更加重视生物制氢技术的研究，国际能源局（，国际能源局（IEA）和美国能源部（）和美国能源部（DOE）投入巨额资金）投入巨额资金支持生物制氢技术开发，已经积累了大量的研究成果，为支持生物制氢技术开发，已经积累了大量的研究成果，为此项技术的可行性分析奠定了一定的基础。此项技术的可行性分析奠定了一定的基础。 生物制氢主要包括生物制氢主要包括细菌制氢细菌制氢和和微藻制氢微藻制氢。虽然部分光。虽然部分光合细菌具有利用有机物或还原硫化合物产生氢气的能力，合细菌具有利用有机物或还原硫化合物产生氢气的能力，但是光合产氢细菌没有光合系统！不能利用太阳光和水产但是光合

12、产氢细菌没有光合系统！不能利用太阳光和水产氢，同时由于可用于产氢的有机物的产地和数量等因素也氢，同时由于可用于产氢的有机物的产地和数量等因素也决定了其应用范围有限，难以为人类大规模提供氢源。微决定了其应用范围有限，难以为人类大规模提供氢源。微藻太阳能光水解制氢是通过微藻光合作用系统及其特有的藻太阳能光水解制氢是通过微藻光合作用系统及其特有的产氢酶系把水分解为氢气和氧气。根据所利用的酶系的不产氢酶系把水分解为氢气和氧气。根据所利用的酶系的不同，可分为同，可分为固氮酶制氢固氮酶制氢、可逆产氢酶可逆产氢酶制氢。制氢。第40页/共69页两种用于制氢的藻类第41页/共69页第42页/共69页第43页/共

13、69页第44页/共69页叶绿体叶绿体光分解光分解水产生氢气，水产生氢气，为光合作用；为光合作用；线粒体线粒体消耗氧消耗氧气产生水，为气产生水，为呼吸作用。呼吸作用。第45页/共69页叶绿体基质叶绿体基质类囊体膜类囊体膜类囊体腔类囊体腔线粒体线粒体 这张图是这张图是去除去除硫的环境下硫的环境下的氢的氢代谢机制图。代谢机制图。 黄色箭头表示黄色箭头表示氢产生过程中主氢产生过程中主要的电子传递。要的电子传递。 黑色箭头表示黑色箭头表示呼吸时的氧化作呼吸时的氧化作用。用。 PS光合作光合作用放氧用虚线描用放氧用虚线描绘，因为在去硫绘，因为在去硫环境下，它几乎环境下，它几乎全部被抑制。全部被抑制。 研究

14、发现，当绿藻缺少研究发现，当绿藻缺少硫硫这种关键性的营养成分，它的这种关键性的营养成分，它的PSII的光化学的光化学活性降低，光合放氧速率就会下降到比呼吸作用耗氧速率还低。这样活性降低，光合放氧速率就会下降到比呼吸作用耗氧速率还低。这样，在封闭环境下绿藻就能，在封闭环境下绿藻就能处于无氧环境处于无氧环境，从而诱导线粒体中电子传递，从而诱导线粒体中电子传递的的“氢化酶途径氢化酶途径”产生氢。产生氢。第46页/共69页第47页/共69页第48页/共69页第49页/共69页参数（因素）参数（因素）挑战挑战克服挑战的方法克服挑战的方法 技术发展水平技术发展水平未来展望未来展望光合器官的太光合器官的太阳

15、能转化效率阳能转化效率在很强的太阳光在很强的太阳光照射下绿藻的太照射下绿藻的太阳能转化效率低阳能转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线叶绿素的长度线叶绿素的长度以限制光吸收的以限制光吸收的速度速度能调控天线叶绿能调控天线叶绿素长度并成功截素长度并成功截短其短其50%长的长的TLA1基因已被基因已被克隆克隆要鉴定出更多要鉴定出更多能截短天线叶能截短天线叶绿素长度的基绿素长度的基因因氢气的产生氢气的产生产氢过程中对产氢过程中对氧的敏感性对于氧的敏感性对于产氢饱和要低光产氢饱和要低光强强短暂的分离氧短暂的分离氧气和氢气的产生气和氢气的产生这两过程，通过这两过程，通过过度

16、表达来增加过度表达来增加绿藻中铁氢化酶绿藻中铁氢化酶产量产量“两步法两步法”制氢制氢无氧无硫环境的无氧无硫环境的发展发展发展生产氢气的发展生产氢气的可持续性可持续性光生物反应器光生物反应器材料价格每平米材料价格每平米0.75美元营养素美元营养素价格每平米价格每平米0.65美元，成本太高美元，成本太高回收利用材料尽回收利用材料尽量少的使用或回量少的使用或回收利用营养素收利用营养素正在测试一个规正在测试一个规模达模达500L用柔用柔韧、坚固并且透韧、坚固并且透明的材料制成的明的材料制成的光生物反应器光生物反应器更先进的的机械更先进的的机械和化学工程技术和化学工程技术陆地面积陆地面积由于太阳光照射由

17、于太阳光照射的扩散性质需要的扩散性质需要大面积土地大面积土地合理布置设备安合理布置设备安放地点，最大化放地点，最大化的利用到土地每的利用到土地每一处面积一处面积对晴朗、干旱气对晴朗、干旱气候，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选择合适的国内选择合适的国内或国际地区作为或国际地区作为建造工厂的厂址建造工厂的厂址第50页/共69页第51页/共69页一.筛选高效的藻株第52页/共69页第53页/共69页第54页/共69页第55页/共69页早在30多年前（1976？），美国卡特政府就曾支持启动一个水生生物计划（ASP），斥资2500万美元，支持试验以高油含量的海藻炼油

18、。而1996年石油价格下跌到20美元一桶后，克林顿政府关闭了这一项目，因为他们看不到藻类炼油的竞争力。如今原油价格不断上涨，已近突破了每桶110美元大关（即42加仑），而微藻炼油的成本为每加仑 。同时微藻产油不仅不需要担心油井的安全隐患和废气污染等问题，相反还可以转化工业生产的CO2等废气，即是说是绿色理念的能源也不为过。微藻产油VS传统石油开采第56页/共69页第57页/共69页氢气燃烧不会产生任何的有毒有害气体，而传统制氢方法由于会在产氢和纯化过程中产生大量的毒害气体，使得氢气始终无法成为一种能够替代化石燃料的能源。而通过微藻光合作用来产氢不仅成本低，而且生产过程中的三废排量明显减少，可以想象产业化后的微藻制氢技术将成为人类将来主要的日常能源。微藻制氢第58页/共69页微生物光反应器VS光能发电设备当前的研究阶段，微藻的光能转化效率远低于一般的光能发电设备，前者约为1%5%，后者则高达20%以上。同时就绿藻制氢而言，由于存在诸如循环培养、连续培养的问题，使得微藻制氢的成本居高不下。但相比于传统的光能发电器，微藻制氢依然有着无限的潜力。微藻的代谢途径可以通过基因工程的手段加以完善，使其产氢量和产氢速率大幅提高。微藻的光透过率远高于太阳能电池板，因此可以设想在解决了养殖密度的问题后，微藻的光能利用率将会超过传统的光能发电器。同时，诸如趋光性等生物特性和环境适应性也是普通的光能发电