微藻固定CO2与生物产能技术现状与展望

毕业论文（设计）论文（设计）题目：微藻固定CO2与生物产能技术现状与展望姓名学号120220203院系化学与化工学院专业化学工程与工艺年级指导教师2014年5月5日目录摘要..................................................1ABSTRACT................................................2第1章前言.............................................3第2章微藻生物固定CO2技术..............................42.1微藻固定CO2的背景................................62.1.1CO2的排放与环境问题........................42.1.2CO2的减排途径..............................42.2微藻固定CO2的原理及其应用........................52.2.1微藻.......................................52.2.2微藻固碳功能与用途.........................62.3微藻固定CO2技术的研究进展........................62.3.1藻种的选育.................................62.3.2固碳的机制.................................72.3.3固碳工艺的研究.............................72.3.4微藻固碳技术研究的发展思路.................8第3章微藻生物产能——生物柴油制备技术.................103.1微藻生产生物柴油概述............................103.1.1微藻生物柴油与CO2减排的耦合...............103.1.2微藻合成生物油脂的机理....................103.1.3微藻生产生物油脂的过程及优势..............113.2微藻生物柴油的制备..............................113.2.1微藻的培养................................113.2.2微藻制备生物柴油的工艺....................123.3微藻生物柴油的影响因素..........................133.3.1光照强度的影响............................133.3.2温度和pH值的影响.........................133.3.3CO2浓度的影响.............................143.4微藻生物柴油制备技术在工业中的应用..............143.5微藻生物柴油制备技术存在的问题与前景............15第4章结论............................................17参考文献...............................................18致谢.................................................21新乡学院本科毕业论文（设计）1摘要21世纪以来，由于能源危机和全球气候变暖等问题，使得二氧化碳的减排与可再生能源的开发和利用成为研究的热点。而利用微藻固定CO2的同时合成油脂——生物柴油的原料，对于解决能源问题和全球气候问题具有重大的意义。本文对微藻固定CO2的技术、研究现状及存在的问题进行了分析，并将固碳与微藻合成生物油脂的机制及工艺、影响微藻油脂积累的因素、生物油脂的提取到最终的生物柴油以及微藻在工业上的应用等进行综合研究，最后对微藻生物柴油技术的发展前景进行了探讨。关键词：微藻；CO2减排；固碳；生物柴油新乡学院本科毕业论文（设计）2ABSTRACTCO2emissionreductionandthedevelopmentandutilizationofrenewableenergyhavebecomehotresearchspotsduetotheenergycrisisandglobalwarmingin21stcentury.ItisimportantforsolvingtheenergyshortageandglobalwarmingproblemusingmicroalgaetoreduceCO2emissionsandtosynthesizetherawmaterialforbiodieseloilproduction.Inthispaper,themicroalgaecarbontechnologyresearchstatusisanalyzed.Inaddition,themethodofcarbonsequestrationandmicroalgaebiodieselproduction,thesynthesismechanismofbiologicaloil,thefactorsinfluencingalgaeoilaccumulationandtheindustrialapplicationofmicroalgaearesummarized.Furthermore,thedevelopmentprospectsofmicroalgaebiodieseltechnologyarediscussed.Keywords:microalgae;CO2emissionreduction;carbonsequestration;biodiesel新乡学院本科毕业论文（设计）3第1章前言温室气体的过度排放引起全球气候变暖，这已经成为世界各国需要共同应对的环境问题，其中由化石燃料燃烧排放的二氧化碳被认为是引起全球气候变暖的主要因素，所以减少二氧化碳排放是缓解全球气候变暖的主要措施[1]。微藻固碳技术可以在减排二氧化碳的同时处理工业废水、生产生物燃料和合成环境友好型材料等。因此微藻固定二氧化碳技术是具有美好前景的，而利用微藻生物技术减排二氧化碳的同时生产生物柴油是微藻减排技术领域最受关注的发展方向。经过多年的技术研究，目前该技术已经逐渐进入到产业化研发的阶段，西方发达国家近几年来已投入巨资在这方面进行产业化开发研究。新乡学院本科毕业论文（设计）4第2章微藻生物固定CO2技术2.1微藻固定CO2的背景2.1.1CO2的排放与环境问题随着社会经济和工业化的迅猛发展，化石燃料的过度使用，CO2排放量与日俱增，温室效应日趋严重，CO2的大量排放已经成为全球温室效应的主要原因。据国际能源署统计，全世界2001年来自化石燃料燃烧而排放的CO2总量为236.8亿吨，预计到2025年总排放量会达到371.2亿吨。若对于CO2的排放不加以控制，则在未来100年内，大气温度将上升1.5～3℃，最终会导致海平面快速上升[2]。据报道，随着工业化进程的加快，我国CO2的排放总量也在迅速增长，在2008年，我国CO2排放总量已位居世界第一，由此CO2的控制与减排任务已变的迫在眉睫。如今要如何高效利用现有的燃料、以及研发新型的减排技术已经成为首要问题。在世界范围内实现大规模CO2减排，对于减缓温室效应与改善生态环境具有重要意义。2.1.2CO2的减排途径依据现行CO2减排技术的特性可以分三大类，为物理法、化学法和生物法。⑴物理固定法CO2的物理固定法主要是将CO2储存于海洋、地下含水层、废弃煤矿区、耗乏天然气煤矿区等。地下和海洋深处固存有巨大的潜力，减少人为的向大气中排放CO2有显著的效果，对控制全球气候变化也起到重要的作用，很多国家都参与了这种大规模固碳技术的研究。不过，这种技术除了有埋存的稳定性问题外，在CO2长期储存过程中可能对周遭环境如地下水、地层、海洋生物圈以及气候等方面产生危害[3,4]。⑵化学固定法CO2化学固定技术主要有：①利用乙醇胺类吸收剂对CO2进行吸收并分离回收；②CO2与H2、CH4、CH3OH等反应分别合成甲醇、C2烃、碳酸二甲酯等许多有价值的化学品；③将CO2插入到含有金属、硅、氢、氧、氮、磷、卤素等元素组成的化合物中，生成羧酸或羧酸盐、碳酸酯、有机硅、有机磷等化合物；④CO2和环氧化物发生聚合反应生成新型CO2树脂材料[5]。化学固定法需要CO2纯度高，而排放的CO2纯度一般较低，因此需要的分离成本较高。⑶生物固定法新乡学院本科毕业论文（设计）5CO2生物固定法是指以二氧化碳为碳源，由光合作用，将二氧化碳变成碳水化合物，放出氧气。能利用该法进行固碳的主要是植物、光合细菌以及藻类。微藻不但具有光合速率高、繁殖快、环境适应性强、处理效率高等特点，同时固碳后产生大量的有较高利用价值的藻体，具有高的工业化应用潜力。故微藻固定CO2有望成为一种具有较高经济价值的固定方法[6]。从可持续发展的角度来看，生物CO2固定技术，尤其是微藻固定CO2技术，更具环保、经济独特优势，为解决能源、环境问题提供了一条全新而有效的固碳模式。2.2微藻固定CO2原理及其应用2.2.1微藻微藻是一类形态微小、单细胞藻类的总称。其结构简单，生长周期短，通过光合作用固定CO2，以二氧化碳、碳水化合物、碳氢化合物作为碳源来合成油脂。与高等植物相比，微藻对阳光的利用效率较高，单位面积利用率是高等植物的10倍以上[7]。微藻细胞的化学组成主要是脂类、木质素、纤维素和蛋白质等，其特有的化学成分和结构是合成生物油脂的原料来源，而且微藻油脂属于单细胞油脂，其主要成分是甘油和脂肪酸[8]。植物在进行光合作用时，吸收CO2释放氧气。通过这一原理减排CO2称为生物吸附。微藻细胞內有超过50%的碳量,每生产1吨的微藻,可以消耗约1.5吨CO2。有些微藻能够合成长链烯烃，也可以转化为生物燃料；有些微藻在光合作用时还能生产出更清洁高效的能源——氢；有些微藻光合作用生成生物油脂,可转化为生物柴油。目前，微藻固定CO2和生产生物燃料技术的结合已成为研究热点。大规模的微藻生产生物质能源和传统的生物质能源生产一样，都可以将太阳能转化为化学能，以淀粉或生物油脂的形式，贮存于生物质中，再通过生物转化或化学转化合成生物燃料。传统的生物质能源生产是由于太阳能的利用效率比较低，没有潜力提供足够的生物质能源来代替化石燃料。而微藻的太阳能利用效率较高，可以在沙漠和滩涂等不能生长农作物的土地上生产。2.2.2微藻固碳功能与用途藻类光合作用不仅可以固定CO2释放O2，还可用于去除空气中的NOx和SOx，能吸收一些有机废气；同时也可用于废水处理或水体环境的修复[9]。微藻除了具有固定CO2的重要作用外，合成的产物还有以下三个方面的应用：新乡学院本科毕业论文（设计）6⑴饵料小球藻等微藻的光合作用将CO2转化为有机化合物，其富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、微量元素等，常用作鱼、虾等水生物的饵料。⑵能源不少微藻体内含有可燃性油脂，有的含量甚至高达细胞干重的40%；还有一些微藻能分解H2O产生氢气，能成为可再生生物能源，可以替代化石燃料。⑶保健品和精细化学品微藻的生长环境比较特殊，在生长过程中会合成许多具有特殊用途的生物活性物质，还有化妆品、肥料、医用品、动物和水产养殖饲料等等。不少微藻不仅富含人体所必须的EPA（二十碳五烯酸）和DHA（二十二碳六烯酸）等多种不饱和脂肪酸，还含有多种维生素、胡萝卜素以及藻胆蛋白等。因此，微藻可以作一些保健品和精细化学品的重要原料。2.3微藻固定CO2技术的研究进展近几年国内外对微藻固定CO2技术的研究主要分为3个方面：⑴筛选和培育出高效固定CO2、耐高浓度CO2的藻种；⑵结合其他领域的新技术，研发出新型高效光生物反应器以及工艺过程降低成本；⑶在固碳的过程中利用微藻自身代谢特点