微藻生物质能源

1、2018年秋季学期研究生课程考核考核科目:绿色黄金-微藻生物质液态能源学生所在院（系）:学生所在学科:学生姓名:学号:学生类别:考核结果阅卷人微藻生物质能源立项报告（一）立项背景能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。与世界相比，中国资源总量虽大，却不易开发。中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非

2、常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。而且中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。因而如今处于二十一世纪的中国正面临着严峻的能源短缺问题，也正是上述原因，开发新能源，发掘新型能源的潜力我们势在必行。2009年11月在珠海举行的中国藻类学会议上，利用微藻生产生物能源的研究十分抢眼。从会议报告来看，许多学者的研究甚至达到了一定的深度。而其中微藻大规模快速培养技术的研究发展得更是十分迅速。从研究规模和投入看，目前已有中国科学院水生生物所、中国科学院武汉植物园、过程工程研究

3、所、中国科学院南海海洋所、中国科学院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。不仅中国如此，世界各国都在摩拳擦掌。1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）最早启动了这项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划。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。2009年日本再次启动利用微藻生产生物能源的计划。进入21世纪，石油价格一度大幅上扬，刺激了微藻生物柴

4、油技术的研究。目前各国的总投入达到数百亿美元。从目前的研究进展和热衷程度看，一个能够替代石油的新能源似乎已经被找到，利用微藻生产生物燃料的产业化道路也似乎已经被开辟，让我们相信一个高效、清洁、环保的新能源时代已经到来。微藻就是浮游植物，遍布全球各种水体。其类群繁多，种类丰富。作为生态系统中初级生产者，在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。微藻能够把光合作用产物转化成油贮藏起来，在细胞内形成油滴，如葡萄藻、小球藻。有些藻类在缺氮等条件下，可大量积累油脂，含油量可高达70。首先通过萃取、热裂解等方法从这些微藻中将油提取出来，再通过转酯化后可转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。因此，微藻确实能够生产

5、生物能源。由于微藻的生物量大，可利用滩涂、盐碱地、荒漠进行大规模培养，可利用海水、盐碱水和荒漠地区地下水进行培养，不与农作物争地、争水。微藻培养还可利用工业废气中的二氧化碳和氮氧化合物，缓解温室气体的排放，减少环境污染。此外，与柴油相比，生物柴油除了具有较好的燃料性能、润滑性能和安全性能，还具有二氧化硫和硫化物排放低、不含芳香族烷烃等环保特性。因此利用微藻生产生物能源确实是一个高效、清洁、环保的新能源途径，具有广阔的发展的潜力和优势。（摘自虞功亮科学网博客环 HYPERLINK /blog-40415-299856.html /blog-40415-299856.html）（二）项目研究内容及

6、实施方案然而尽管微藻生物质能源拥有广阔的前景，但如何提取微藻中蕴藏的能源却是一大难题，本文中我们课题组将对微藻的生长、收获、加工等方面进行综述。并对其潜在应用进行简要讨论。2.1微藻的简介微藻的定义涵盖了所有单细胞和简单的多细胞微生物，包括原核微藻，即蓝藻和真核生物。原核细胞（蓝藻）缺乏膜结合的细胞器（质体、线粒体、细胞核、高尔基体和鞭毛），更接近细菌而不是藻类。真核细胞许多不同种类的普通藻类，确实有这些细胞器控制细胞的功能，使它能够生存和繁殖。真核生物被分为多种CLA。SSE主要由色素沉着、生命周期和基本细胞结构决定36。最重要的是：绿藻（绿藻门）、红藻（红藻门）和硅藻（硅藻门）。藻类可以是

7、自养的，也可以是异养的；前者只需要二氧化碳、盐类和光能源等无机物才能生长；而后者则是非光合的。Re需要有机化合物的外部来源以及作为能源的营养物质。有些光合藻类是混合营养的，即它们既能进行光合作用，又能进行交流。查询外源有机养分35。对于自养藻类来说，光合作用是它们生存的关键组成部分，通过光合作用将叶绿体吸收的太阳辐射和二氧化碳转化为腺苷。三磷酸（ATP）和02是细胞水平上可用的能量货币，然后用于呼吸，产生能量来支持生长。对我们而言，自养的微藻是我们最好的选择。光、温度、盐度、营养盐、酸碱度、碳源、有机营养物质和生物因子等，都是影响微藻生长的主要因素。2.2微藻的培养1）光在温度和营养不限制微藻

8、生长的情况下，影响微藻生长的因子即光。光源除可利用人工光源，太阳光是微藻培养的主要光源。在室外大规模培养和室内小型培养，都可有效利用太阳光源。但极端易变是太阳光源的特点，这给在培养中控制最适光照强度带来较大困难。室内小型培养可利用白炽灯或白色日光灯等人工光源。白炽灯产生的温度很高，能使培养液水温上升，在夏天气温高时不宜使用。使用人工光源，可较好控制光照强度和时间，但存在成本高的问题，因此生产上二级培养很少使用。光质光的颜色即是光质，是指不同波长的光线。盐藻在300700nm光谱区内，出现436nm和679nm两个吸收主峰和470nm个肩。三角褐指藻在红、黄、蓝、白和紫等5种不同的光质下的生长速

9、度大小依次为蓝光、紫光、白光、红光和黄光，在蓝光下的生长常数约为0.44，而在黄光下仅为0.26；培养8d其多糖含量在红光下最高。在光照强度低于13.20口mol/（m2/s）时，螺旋藻的生物量在红光下是最咼的。C光在细胞悬浮液中的穿透当光线进入藻液中，由于藻细胞的散射和吸收，随着深度的增加，光照强度迅速降低。藻细胞的密度取决光投入的深度，密度愈低，光透入愈深。大部分细胞吸收到的光照强度往往不足，这是由于在高密度下，仅仅表层细胞能吸收到可进行光合作用的饱和光照强度,下层细胞实际处于“黑暗”之中。2)营养物质碳、氮、磷等营养元素是微藻细胞合成的基础。微藻光合作用的底物为CO2和水,产物除了糖类之

10、外,还合成蛋白质、核酸及脂类等一系列生物活性物质,因此,需要氮、磷等元素的参与。碳源、氮源、磷源以及一些微量元素的种类和供应水平,在一定程度上影响着微藻光合作用的能力和水平,从而直接影响微藻的生长。营养盐的形态会影响微藻的生长。分别在BBM培养基中添加0.1%的乙酸钠、柠檬酸钠、碳酸氢钠作为碳源培养卷曲纤维藻,发现添加乙酸钠作为碳源有利于藻细胞的生长,而添加柠檬酸钠和碳酸氢钠作为碳源对藻细胞的生长没有促进作用。Berman等采用N03-N,NH3-N以及次黄嘿吟、尿素、赖氨酸等有机氮源培养微藻,发现当使用尿素作为氮源时,蓝藻的生长最快且氮源得率系数最高。许多研究表明,培养基中碳源、氮源、磷源的

11、水平是影响微藻营养组成的主要因素。微藻对碳源的需求量很大,碳源主要影响藻细胞生长和脂类、糖类等物质的积累。Tang等研究了不同CO2浓度对斜生和蛋白核小球藻总脂含量的影响，发现高CO2水平(30%50%)有利于总脂和不饱和脂肪酸的积累。然而,Chen等研究异养小球藻。在不同的碳氮比(C/N)下细胞内总脂含量和脂肪酸组成时发现:碳源限制或者氮源限制均能促进细胞内油脂合成,且前者更为明显。高碳浓度能够促使微藻油脂积累可以用碳储存机制解释,但低碳浓度促使微藻油脂积累的机制,目前尚不明确。微藻对氮源的需求仅次于碳源。氮源的形态及浓度都会对微藻的营养组成产生影响。骆育敏等研究发现，当以浓度为0.1g/L

12、0.8g/L的尿素代替Zarrouk培养基中的硝酸盐作为氮源时，能够提高螺旋藻中叶绿素含量。Caudhury等对比采用NaN03,NH4N03,NH4C1和(NH4)2HP04作为氮源培养螺旋藻,发现(NH4)2HP04更有利于细胞内Y-亚麻酸的积累。在氮源限制条件下，藻细胞中需要氮元素参与合成的营养组成如蛋白质、叶绿素等含量会下降,而糖类、脂类等不需要氮元素参与合成的营养组成含量会明显上升。此外,缺氮还能诱导某些藻类细胞内抗氧化性的类胡萝卜素积累氮源限制条件下,特殊细胞营养组成的积累可能与藻细胞在抗逆反应中的自我保护机制相关。磷源也是微藻生长所必须的重要营养盐之一,己有研究表明,低磷浓度能够

13、促进藻细胞油脂、叶绿素a及微藻囊毒素的积累。氮磷比是影响微藻营养组成的重要因子之一,合适的氮磷比能够促进藻的生长以及某种特定产物(如叶绿素、脂类)含量的积累。微藻最适氮磷比没有一个定值,一般因藻种而异,例如小球藻的最适氮磷比为3.5,四尾栅藻的最适氮磷比是20,而聚球藻的最适氮磷比为45。3)微藻的大规模培养a.开放式培养系统开放式培养系统是微藻培养系统中开发最早、应用最为普遍的一种培养方式,目前世界各国仍然将其作为微藻工业化培养的主要方式。开放式培养系统最突出的优点就是构建简单、成本低廉及操作简便,主要有两种基本类型:(1)水平式开放池培养:其特点是光生物反应器水平放置,培养液主要靠桨轮或者

14、旋转臂的转动实现循环;(2)倾斜式开放池培养:光生物反应器被放置于一个倾斜面上,通过泵的动力使培养液在斜面上形成湍流完成循环过程。微藻大规模培养的开放池的占地面积为1000m25000m2,培养液深度通常在15cm30cm之间。在开放池培养中，由于培养液层浅,CO2作为碳源的利用率不会超过20%,直接导致微藻开放池培养成本升高。开放池培养系统存在着易受污染、培养条件不稳定、光合效率低等难以克服的弱点。目前,采用开放池进行户外大规模培养的藻种只有螺旋藻(Spirulina)、小球藻(Chlorella)、盐藻(Dunaliella)等少数几种,但都存在着生物量低(0.5g/L1.0g/L左右),

15、单位面积产率低2g/(m2.d10g/(m2.d),采收成本较高的问题。降低开放池培养成本的有效方法是选择适当的培养模式,提高光能及营养盐利用率，从而提高单位面积产量。Radmann等在培养体积为6L的微型跑道式开放池中用Box-Behnken设计优化了螺旋藻的培养条件,采用半连续的培养模式、培养基为20%的Zarrouk培养基、生物量为0.40g/L、更新速率为40%60%时，螺旋藻生长最优。然而,在大规模开放池培养中难以将生物量控制在恒定水平，40%60%的更新速率也会提高生产能耗及操作成本。要提高规模化微藻培养的单位面积产量，其根本是进行高密度培养。Doucha等用倾斜式光生物反应器户外

16、高密度(初始接种密度为1g/L2g/L)培养小球藻(Chlorellasp.)，单位面积产量可达24.5g/(m2.d)，同时光能利用率可达6.48%。进行微藻高密度培养时，营养盐的控制显得尤为重要。碳源、氮源、磷源等营养盐是微藻生长所必须的底物，与营养盐相关的一系列操作(如CO2补加、pH控制、氮磷源补加)都直接影响微藻生长及营养组成，最终影响到微藻培养的产量及产率。营养盐成本占微藻生产总成本的比重很大，在开放池培养中，为了有效降低生产成本，提高产量，可以从培养模式、CO2的有效利用与pH控制以及营养盐优化这几方面考虑。b.封闭式培养系统封闭式培养系统是用透光材料建造的生物反应器，除了能采集

17、光能外，其它诸多方面与传统的微生物发酵用生物反应器相似。在设计藻类封闭式光生物反应器时，光能利用和无机营养盐供应是设计的重点。自COOK研制出第一台垂直管状光生物反应器以来，各类封闭式光生物反应器相继问世，其设计都基于一个基本的原理:在保证合理的工作体积、充分的混合、合适的碳浓度的同时尽可能的使反应器的面积体积比最大。封闭式光生物反应器通常由光吸收单元、气体交换单元、循环系统组成。目前，封闭式光生物反应器的类型包括管道式、搅拌式发酵罐、平板式、柱状气升式、浮式薄膜袋等26。这几种封闭式光生物反应器虽然技术成熟、易于控制，但是造价成本高、难以放大用于规模化微藻培养。近年来，开发出一种新型的浮式薄

18、膜袋光生物反应器用于微藻的封闭式培养，其具有受光面积大、保温性能好、污染机会小、成本低、操作简单等优点，在提高藻种的密度和纯度上取得了良好的效果，是微藻规模化封闭培养的趋势。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渗透性的溶剂进行提取，提取方法有传统的溶剂提取法、索氏提取法、超临界CO2萃取法、反复冻融乙醇提取法等等。溶剂提取法溶剂提取法是一种传统的、使用较为普遍的微藻油脂提取方法。一般是使用单一的正己烷、氯仿和甲醇等或几种溶剂的混合物作为提取剂。不同的溶剂提取法对不饱和脂肪酸的总提取量影响较大。由于有机溶剂渗透性较差，微藻细胞内油脂提取不完全，从而造成油脂提取率不高。因此，在使用有机溶剂提取微藻油脂时，为提高油脂的提取效率，可与超微粉碎技术、热化学破壁技术、化学酶法破壁技术、超声波粉碎法和冻融破碎法等细胞破碎方法相结合以达到较为理想的提取效果。索氏提取法索氏提取法是一种较简单、常用的一种提取方法，在实验室大都采用此方法。索氏提取法测定微藻总脂时结果较准确，但抽提时耗时较长，且所需溶剂和样品量大。超临界CO2萃取法超临界CO2萃取法是一种新型的微藻油脂提取技术，提取效率高于传统的有机溶剂提取法，可提取出微藻样品中几乎全部的油脂，且此方法无毒安全，同时，其提取过程不影响萃取物有效成分。与传统的提取方法相比，超临界C