第五章微藻生物能源

第五章微藻生物能源1.背景介绍2.产业化关键技术3.微藻生物炼制4.我们的工作微藻生物能源------低碳经济的突破口微藻生物能源------全球的热点藻类植物(大型藻和微藻)蓝藻门红藻门隐藻门甲藻门金藻门黄藻门硅藻门褐藻门裸藻门绿藻门轮藻门小球藻等有些学者把藻类分为11个门，有些分为8个门；门是植物分类中的一个级别。藻类植物的分类微藻（Ｍicroalgae）是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰富且光合利用度高的微型自养植物。地球上微藻种类繁多，但目前被人类发现并利用的种类不多，特别是海洋微藻，目前开发的更是微乎其微。绿藻红藻硅藻物种已发现数量已发现占估计数比例（%）淡水微藻２.２×10490海洋微藻０.7×10４＜10什么是微藻？微藻在地球演化中扮演着重要角色微藻（海洋单细胞藻类）是地球上最早的生物物种，已经在地球上生存了35亿年之久，能在水中进行光合作用释放出氧气，在自然界物质和能量循环中发挥了极其重要的作用，因此微藻的出现为地球上其他生物的出现奠定了物质和气候基础。生物质+O2CO2+H2O+光为什么是微藻？光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用所吸收的光能的比值。光合作用效率高植物：1%藻：3.5%•1、反应物浓度更高•2、产物浓度更低1L空气中含有约5.9×10-4gCO21L水中含有约1.7gCO21L空气中含有约0.3gO2近3000倍1L水中含有约0.008gO21/40微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高•3、光照几率更多微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高折射衍射水散射由于水对光具有折射、衍射、散射等效应，使得微藻所有表面都有可能受光照，然而陆生植物只有向光面才有可能受光照。等量1g干物质树叶比表面积:10-3m2微藻比表面积:1.3×103m2相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3×106倍，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。•4、比表面积更大微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高微藻光合色素含量占其干重的2.5%分布于整个细胞，整个细胞就是一个光合反应器，有利于光合产物的合成与转运。植物光合色素含量占其干重约0.05%,分布于树叶、树干等组织中细胞的特定部位，不有利于光合产物的合成与转运。50倍微藻光合天线植物光合天线几十倍植物的捕光天线是类囊体膜内的叶绿素,而藻类的捕光天线色素主要集中于紧连在类囊体膜外的藻胆蛋白内。天线系统的功能是将所吸收的光能高效地传递到与之相联系的光反应中心。•5、更高含量的光合作用单位微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高微藻固定二氧化碳及产油途径微藻具有独特的CO2浓缩机制CCM（CO2-Concentrationmechanism）：即为CO2浓缩机制。当藻类细胞由高浓度CO2培养转入低浓度CO2，细胞可不断地从外部环境中把无机碳或CO2运输到体内，使体内的CO2浓度高于外界环境，以有利于光合作用碳循环第一个关键酶Rubisco羧化反应，从而能提高光合速率。。微藻光合作用温度更恒定的水环境有利于微藻的光合作用海洋是地球固定CO2的主要场所海洋面积：3.61亿平方千米占地球表面：71%陆地面积：1.49亿平方千米占地球表面：29%CO2O2固定全球60%以上的CO2固定全球40%的CO2森林固定CO2变成煤炭；海洋微藻固定CO2变成石油在已知能固定CO2的微生物中微藻能力最强微藻核酮糖-1，5-二磷酸6CO23-磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸甘油脂肪酸产甲烷菌四氢叶酸（THF）2CO2CHO-THFCH3-CO-X乙酰-CoA脂肪酸草酰乙酸2CO2异柠檬酸柠檬酸乙酰-CoA脂肪酸泥生绿菌绿色硫细菌羟基丙酰-CoA2CO2甲基丙二酰-CoA苹果酰-CoA乙酰-CoA脂肪酸微藻固定CO2能力是其他微生物的3倍以上。微藻通过光合作用生产生物质能源具有更高的原子经济性产品乙醇乳酸丁二酸生物柴油CO2/mol产品排放1mol0mol吸收1mol吸收６mol微生物酵母乳酸菌琥珀酸放线杆菌微藻产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的CO2微藻是理想的燃料藻粉≈热值相同质量煤炭微藻生物质热解所得热值高，平均高达33MJ/kg，而且微藻燃烧后没有SO2等有害气体，使用后排出CO2可以被微藻本身所固定，不会增加CO2的净排放。微藻含有丰富的蛋白、色素、维生素、多糖等生物活性物质，可直接用作饵料、饲料及其添加剂。微藻是理想的饲料、饵料及其添加剂微藻是理想的高蛋白饲料乌克兰我国纯蛋白大豆高质纯牛奶三聚氰胺牛奶混合饲料乌克兰种牛造成我国目前牛奶质量不高的主要原因是饲料，微藻蛋白质含量为３０～８０％，因此是良好的蛋白替代饲料。出路：高蛋白微藻饲料替代为什么选择微藻？微藻光自养生长过程与其他生物质相比，具有5大优点：光合固碳效率高，同样条件下，藻类光合生产率最高可达到50g/m2/d，相当于森林固碳能力的10~50倍。油脂面积产率高，单位面积的产油率是其他油料作物的20~400倍。光合固定CO2，不仅有助于CO2减排，且可大幅降低微藻生长所需碳源成本（1万元/吨螺旋藻）利用废水中的N、P等营养元素，不仅有助于缓解水体富营养化程度降低废水处理成本，且可大幅降低微藻生长所需N源成本（0.3~0.4万元/吨螺旋藻）及P源成本（0.3万元/吨螺旋藻）不与农作物争地(可用滩涂、盐碱地、荒漠等)、争水(可用生活污水、海水和盐碱水等)21(OhioCoalResearchCenter)氧气(0.57kg)废气CO2N、P废水阳光生物质(CH1.8N0.17O0.56)(0.73kg)微藻产能二氧化碳光合作用转换1kg微藻低碳生物经济—微藻生物能源我国水泥行业年排CO2９亿吨微藻约年产２亿吨藻粉相当于２亿吨煤炭产6.6×1013MJ热量相当于0.6亿吨生物燃料相当于产值4200亿元微藻培养和我国水泥、火力发电等重污染行业联产，实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。CO2排出吸收低碳工业微藻低碳生物经济—微藻生物能源我国味精行业年排放废水约5亿吨微藻低碳工业约年产2000万吨生物柴油约年产6000万吨蛋白饲料产1500万吨肉微藻工业、味精废水处理行业和饲料行业联产，实现饲料、副食、生物柴油多联产，达到废弃物资源化，基本上消除了水污染，每年可净减排废水约5亿吨。谷氨酸等排出处理火电厂28.24亿吨（40.1%）微藻约年产10亿吨生物质相当于3亿吨生物燃料相当于产值2万亿元2010年我国总CO2排放量70亿吨，位居世界第一。微藻培养与重污染行业联产，实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。CO2排出吸收低碳工业石油加工业11.07亿吨（15.7%）黑色金属冶炼工业5.80亿吨（7.3%）微藻与火电厂等重污染工业联产低碳生物经济微藻生产生物柴油的优势020000400006000080000100000120000微藻棕榈麻疯树油菜大豆棉籽产油能力（升/公顷/年）不同植物产油能力比较5X107公顷1X109公顷3X109公顷4X109公顷1.1X1010公顷2X1010公顷棕榈大豆油菜麻疯树微藻棉花20倍PeerMS,etal.SecondGenerationBiofuels:High-EfficiencyMicroalgaeforBiodieselProduction.BioenergyResearch,2008,1:20~43美国：-“水生生物种计划”（1978-1996），07年重新启动。-“微型曼哈顿计划”（2006-2010）-“太阳神计划”（2006）-“JP-8喷气燃料替代品计划”（2008）-“微藻生物燃料技术路线图”（2009）日本：-“地球研究更新计划技术”耗资25亿美元-2010年微藻将CO2转化成燃料乙醇英国：-“藻类生物燃料计划”耗资2600万英镑-2020年–实现利用藻类生产运输燃料微藻生物柴油已经成为当今世界的研究热点2007年10月荷兰AlgaeLink公司成功开发出新型微藻光生物反应器系统重点项目代表公司商业案例欧盟“藻类生物燃料计划”耗资5000万美元2020年–实现利用藻类生产运输燃料英国藻类生物燃料公共资助项目（2600万英镑）•荷兰AlgaeLink公司•新西兰Aquaflow生物经济公司AlgaeLink公司：工业化藻类培养设备和藻油加工技术的跨国公司日本“地球研究更新计划技术”耗资3亿美元2010年-微藻将CO2转化成燃料乙醇•DIC集团开发出利用微藻将CO2转换成燃料乙醇的新技术中国“微藻生物柴油成套技术”“CO2-油藻-生物柴油关键技术研究”“微藻二氧化碳减排技术研发及示范”。•兆凯生物工程研发•中国石化等•新奥绿色能源公司08年新奥公司微藻固定CO2生物柴油年中试成功，利用管道式及平板式光生物反应器从事能源微藻培养的中试、能源微藻分子生物学改造等世界各国研究现状微藻生物能源研究历史及现状二战期间和二战之后,德国和美国就开始研究利用微藻油脂作为食品和燃料的代用品;五十年代中期,对绿藻和硅藻在胁迫条件下中性脂肪的积累进行了广泛的研究;的七十年代,由于能源危机和阿拉伯国家实行石油禁运,美国能源部支持了一项微藻----燃料研究、开发项目”微藻废水处理----生物质----甲烷气生产”;1978年-1996年：美国ASP计划（耗资2500万美元）2006年下半年：因油价上涨等因素，微藻能源掀起研究热潮2009年：美国组织大量专家提出藻类生物燃料技术路线图2009年：中国科技部微藻能源探索性立项2010年：973立项现状：大多在实验室研究、少数开始进行初步的中试研究（无实验数据报道），尚无规模化的微藻能源制备系统方面的报道2007-2009年NATURE、SCIENCE上发表5篇微藻能源的评论0100200300400500论文数量20012002200320042005200620072008200920102001-2010年微藻能源学术论文统计2001-2010年微藻能源学术论文统计中国台湾55印度64以色列32日韩168中国大陆213美国406欧洲1000南美洲146大洋洲932001-2010年微藻能源的学术论文统计（按国家）2010年1-5月埃克森美孚启动微藻生物燃料课题组研究领域清华大学吴庆余课题组异养培养产油小球藻、油脂提取和生物柴油加工研究。国家海洋局第一研究所郑力课题组从事能源微藻藻种筛选等。暨南大学张成武课题组从事能源微藻藻种筛选、规模培养等。中国海洋大学潘克厚课题组从事能源微藻藻种筛选、分子生物学改造等。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、大规模培养等。中科院过程工程研究所丛威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课题组从事微藻产氢及微藻培养技术等研究。北京化工大学谭天伟课题组近年开始从事微藻及其和微生物联合培养等研究。南京工业大学黄和课题组近年开始从事微藻培养研究，光生物反应器和高密培养的工作南京农业大学王长海课题组从事海洋微藻生物技术方面的研究工作厦门大学高坤山课题组从事微藻光合作用机理方面的研究华东理工大学李元广课题组从事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。国内主要的研究单位微藻航空生物燃料生物柴油(Bio-diesel)航空生物燃料(Bio-jetfuel)(Bio-kerosene)据美国NREL的数据估算，利用油藻生产生物柴油替代全美运输燃料仅需少量荒地（约6000万亩）。2007年，美国启动了微型曼哈顿计划，预计到2010年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标。青岛所与波音公司联合研发微藻航空生物燃料据英国《独立报》2010年6月10日报道，空中客车公司“新一代钻石DA42”飞机，用100%微藻生物燃料作为驱动燃料，在6月8日开幕的柏林国际航空航天展览会上完成首飞。首次证明了微藻生物燃料完全可以独立为飞机的飞行提供燃料（碳氢化合