海洋微藻與生物柴油

1、海洋微藻與生物柴油海洋微藻與生物柴油 研究背景研究背景生產(chǎn)方法生產(chǎn)方法 最新成果最新成果 意義與展望意義與展望目錄目錄海洋新生物海洋新生物材料材料一、研究背景一、研究背景能源危機(jī)能源危機(jī)環(huán)境問題環(huán)境問題開發(fā)新能源開發(fā)新能源傳統(tǒng)生物材料傳統(tǒng)生物材料能源危機(jī)與環(huán)境問題能源危機(jī)與環(huán)境問題能源緊張！能源緊張！氣候變暖！氣候變暖！傳統(tǒng)生物材料傳統(tǒng)生物材料新生物燃料新生物燃料 在眾多的可提取生物燃料的材料中，海洋藻類脫穎而出。在眾多的可提取生物燃料的材料中，海洋藻類脫穎而出。海藻的能源價(jià)值比陸生原料高出很多！海藻的能源價(jià)值比陸生原料高出很多！生物柴油與石化柴油比較生物柴油與石化柴油比較二、生產(chǎn)方法二、生產(chǎn)

2、方法 微藻的大規(guī)模培微藻的大規(guī)模培養(yǎng)養(yǎng)微藻的采收微藻的采收生物燃料的提取生物燃料的提取藻種的篩選藻種的篩選1 1 、藻種的篩選、藻種的篩選( (基礎(chǔ)基礎(chǔ)) ) 分離與篩選分離與篩選(1)微吸管分離法微吸管分離法(2)水滴分離法水滴分離法(3)稀釋分離法稀釋分離法(4)平板分離法平板分離法(1)富油微藻的富油微藻的篩選篩選(2)產(chǎn)油機(jī)理的產(chǎn)油機(jī)理的研究研究(3)微藻加工關(guān)微藻加工關(guān)鍵技術(shù)的研究鍵技術(shù)的研究 傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)2 2 、微藻的大規(guī)模培養(yǎng)（關(guān)鍵）、微藻的大規(guī)模培養(yǎng)（關(guān)鍵）培養(yǎng)方法培養(yǎng)方法 傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)

3、傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng) 傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)具有設(shè)施簡易、投傳統(tǒng)的敞開式跑道式培養(yǎng)具有設(shè)施簡易、投資低、成本小等特點(diǎn)，但產(chǎn)量低、培養(yǎng)面積大、資低、成本小等特點(diǎn)，但產(chǎn)量低、培養(yǎng)面積大、生長因子難控制、二氧化碳，補(bǔ)加困難、收獲成生長因子難控制、二氧化碳，補(bǔ)加困難、收獲成本高、易被其他生物污染和產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點(diǎn)限本高、易被其他生物污染和產(chǎn)品質(zhì)量低等缺點(diǎn)限制了這種開放式的培養(yǎng)方式。制了這種開放式的培養(yǎng)方式。封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng) 封閉式的光生物反應(yīng)器培封閉式的光生物反應(yīng)器培養(yǎng)可以使藻細(xì)胞的密度提高了養(yǎng)可以使藻細(xì)胞的密度提高了6 -12倍，總體積相對減少，分離倍，總體積相對減

4、少，分離成本大大降低，各種生長因子成本大大降低，各種生長因子及工藝可以采用自動(dòng)化、集約及工藝可以采用自動(dòng)化、集約化管理，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)化管理，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，避免受其他生物和非品質(zhì)量，避免受其他生物和非生物物質(zhì)的污染生物物質(zhì)的污染 。 但是該種方法也有其不足的但是該種方法也有其不足的地方，國內(nèi)外研究生產(chǎn)了各種地方，國內(nèi)外研究生產(chǎn)了各種各樣的生物反應(yīng)器，大部分都各樣的生物反應(yīng)器，大部分都存在造價(jià)高這一特點(diǎn)。存在造價(jià)高這一特點(diǎn)。 全球真正商業(yè)全球真正商業(yè)化的光生物反應(yīng)化的光生物反應(yīng)器裝置器裝置僅僅AlgaeLinkAlgaeLink公司公司一家，一家，其他公司其他公司實(shí)際上都還在小實(shí)

5、際上都還在小試階段。試階段。 AlgaeLink公司公司 3 3 、微藻的采收、微藻的采收特點(diǎn)特點(diǎn)方法方法正常生產(chǎn)中的藻濃度相對較低，約正常生產(chǎn)中的藻濃度相對較低，約為為0110 g/L，藻細(xì)胞很小，藻細(xì)胞很小，很脆弱，易受到損傷破裂很脆弱，易受到損傷破裂化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法離心法離心法氣浮法氣浮法化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法絮凝機(jī)理：絮凝機(jī)理： (1)(1)膠體理論膠體理論，把細(xì)胞直接當(dāng)作膠體溶液中的膠粒來解，把細(xì)胞直接當(dāng)作膠體溶液中的膠粒來解釋絮凝過程。認(rèn)為絮凝過程是由于細(xì)胞表面的極性基釋絮凝過程。認(rèn)為絮凝過程是由于細(xì)胞表面的極性基團(tuán)引起的表面吸附使表面吸附自由能降低的過程團(tuán)引起的表面吸附使表面吸

6、附自由能降低的過程 。 (2)(2)高聚物架橋理論高聚物架橋理論，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面分泌出許多高聚物，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面分泌出許多高聚物，如蛋白質(zhì)、多糖等，這些高聚物在細(xì)胞表面形成胞外如蛋白質(zhì)、多糖等，這些高聚物在細(xì)胞表面形成胞外纖絲，認(rèn)為細(xì)胞的絮凝是由于這些胞外纖絲相互架橋纖絲，認(rèn)為細(xì)胞的絮凝是由于這些胞外纖絲相互架橋交聯(lián)而形成。交聯(lián)而形成。 (3)(3)雙電層理論雙電層理論，大多數(shù)生物細(xì)胞表面都帶有一定的電，大多數(shù)生物細(xì)胞表面都帶有一定的電荷，絮凝過程是加入電解質(zhì)后，相同電荷排斥以及細(xì)荷，絮凝過程是加入電解質(zhì)后，相同電荷排斥以及細(xì)胞表面水合程度不同而產(chǎn)生聚并；同時(shí)細(xì)胞表面的離胞表面水合程度不同而產(chǎn)生聚

7、并；同時(shí)細(xì)胞表面的離子鍵和氫鍵參與了細(xì)胞的絮凝過程子鍵和氫鍵參與了細(xì)胞的絮凝過程離心法離心法 目前在微藻分離中應(yīng)用較多的是自動(dòng)卸渣的碟式離目前在微藻分離中應(yīng)用較多的是自動(dòng)卸渣的碟式離心分離機(jī)，易于操作，并能連續(xù)工作，這對大規(guī)模的水量心分離機(jī)，易于操作，并能連續(xù)工作，這對大規(guī)模的水量處理來說是必要的。處理來說是必要的。 日本天然日本天然技術(shù)公司采用離心法采收鹽藻，其鹽藻技術(shù)公司采用離心法采收鹽藻，其鹽藻養(yǎng)殖生產(chǎn)過程全部參數(shù)由計(jì)算機(jī)來顯示和自動(dòng)控制，當(dāng)鹽養(yǎng)殖生產(chǎn)過程全部參數(shù)由計(jì)算機(jī)來顯示和自動(dòng)控制，當(dāng)鹽藻生長的生物量濃度達(dá)到一定量時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，以藻生長的生物量濃度達(dá)到一定量時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制

8、，以連續(xù)進(jìn)料，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速離心分離藻體懸浮液，自動(dòng)排出的鹽連續(xù)進(jìn)料，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速離心分離藻體懸浮液，自動(dòng)排出的鹽藻乳液經(jīng)噴霧干燥成藻粉產(chǎn)品，培養(yǎng)鹵液循環(huán)使用。藻乳液經(jīng)噴霧干燥成藻粉產(chǎn)品，培養(yǎng)鹵液循環(huán)使用。氣浮法氣浮法 采用人為方式，向水體導(dǎo)入氣泡，使其黏附于絮粒采用人為方式，向水體導(dǎo)入氣泡，使其黏附于絮粒上，從而大幅度地降低絮粒整體密度，并借氣泡上升的速上，從而大幅度地降低絮粒整體密度，并借氣泡上升的速度，強(qiáng)行使其上浮，由此實(shí)現(xiàn)固液快速分離，這就是開拓度，強(qiáng)行使其上浮，由此實(shí)現(xiàn)固液快速分離，這就是開拓固液分離新領(lǐng)域的溶氣氣浮分離技術(shù)固液分離新領(lǐng)域的溶氣氣浮分離技術(shù)(DAF)(DAF)，簡稱氣浮法，簡稱

9、氣浮法 。 氣浮法的基本原理就是利用氣體與溶液中的懸浮物氣浮法的基本原理就是利用氣體與溶液中的懸浮物結(jié)合，從而增加懸浮物的浮力，使之與氣泡一起發(fā)生上浮。結(jié)合，從而增加懸浮物的浮力，使之與氣泡一起發(fā)生上浮。4 4、生物燃料的提取、生物燃料的提取工程微藻法工程微藻法生物酶法 化學(xué)法其他方法工程微藻法工程微藻法在實(shí)驗(yàn)室條件下，工程微藻中脂質(zhì)含量可達(dá)在實(shí)驗(yàn)室條件下，工程微藻中脂質(zhì)含量可達(dá)60 以以上，戶外生產(chǎn)也可增加到上，戶外生產(chǎn)也可增加到40 以上，以上， 自然狀態(tài)下自然狀態(tài)下微藻的脂質(zhì)含量為微藻的脂質(zhì)含量為520。工程微藻中脂質(zhì)含量的提高工程微藻中脂質(zhì)含量的提高主要由于乙酰輔酶主要由于乙酰輔酶A羧

10、羧化酶化酶(ACC)基因在微藻細(xì)胞中的高效率基因在微藻細(xì)胞中的高效率，在控制脂，在控制脂質(zhì)積累水平方面起到了重要作用。質(zhì)積累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究選擇合適的分子載體，使目前，正在研究選擇合適的分子載體，使ACC基因基因在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)，還進(jìn)一步將在細(xì)菌、酵母和植物中充分表達(dá)，還進(jìn)一步將修飾修飾的的ACC基因引入微藻中以獲得更高效率基因引入微藻中以獲得更高效率。藻液過濾離心除水藻液過濾離心除水破壁處理破壁處理化學(xué)溶劑萃取化學(xué)溶劑萃取干燥處理干燥處理 美國美國OriginOilOriginOil公司采用公司采用“量子壓裂技術(shù)量子壓裂技術(shù)”專利對海專利對海藻進(jìn)行破壁和萃取

11、海藻油。其原理是，藻進(jìn)行破壁和萃取海藻油。其原理是，藻液首先通過藻液首先通過具有電磁場的管道，先用低頻率的微波進(jìn)行處理，然具有電磁場的管道，先用低頻率的微波進(jìn)行處理，然后突然調(diào)高微波頻率，在超聲波狀態(tài)下對細(xì)胞壁破壁，后突然調(diào)高微波頻率，在超聲波狀態(tài)下對細(xì)胞壁破壁，同時(shí)向藻液中注入二氧化碳并調(diào)節(jié)同時(shí)向藻液中注入二氧化碳并調(diào)節(jié)pHpH值，將海藻油、值，將海藻油、水和海藻渣進(jìn)行分離。水和海藻渣進(jìn)行分離。 一般處理一般處理量子壓裂技術(shù)量子壓裂技術(shù)其他方法其他方法超臨界甲醇法超臨界甲醇法復(fù)合催化劑法復(fù)合催化劑法超聲波輻射法超聲波輻射法甲醇混合法甲醇混合法固體催化劑法固體催化劑法四、最新成果四、最新成果美

12、國美國荷蘭荷蘭以色列以色列中國中國Valcent公公司利用高司利用高密度垂直密度垂直式生物反式生物反應(yīng)器每年應(yīng)器每年每英畝可每英畝可以生產(chǎn)以生產(chǎn)138t生物生物柴油柴油AlgaeLink NV公司開發(fā)公司開發(fā)的海藻光生的海藻光生物反應(yīng)器系物反應(yīng)器系統(tǒng)每立方米統(tǒng)每立方米每天可以生每天可以生產(chǎn)海藻干物產(chǎn)海藻干物質(zhì)質(zhì)1 1.4 kg。發(fā)電廠生發(fā)電廠生產(chǎn)的二氧產(chǎn)的二氧化碳，與化碳，與海藻一起海藻一起制備生物制備生物燃料。燃料。 產(chǎn)產(chǎn)量量108000噸噸/年生物年生物燃料。燃料。中國海洋大中國海洋大學(xué)擁有海洋學(xué)擁有海洋藻類種質(zhì)資藻類種質(zhì)資源庫，已收源庫，已收集集600 余株余株海洋藻類種海洋藻類種質(zhì)資源

13、，目質(zhì)資源，目前保有油脂前保有油脂含量接近含量接近70%的微藻的微藻品種。品種。荷蘭風(fēng)能發(fā)電結(jié)合海洋能源作物農(nóng)場 國際上最積極開發(fā)海洋生物質(zhì)能的國家可能非荷蘭莫屬了！國際上最積極開發(fā)海洋生物質(zhì)能的國家可能非荷蘭莫屬了！荷蘭政府已大規(guī)模推動(dòng)離岸風(fēng)能發(fā)電園區(qū)，整個(gè)風(fēng)能發(fā)電荷蘭政府已大規(guī)模推動(dòng)離岸風(fēng)能發(fā)電園區(qū)，整個(gè)風(fēng)能發(fā)電的裝置容量將達(dá)到的裝置容量將達(dá)到6000MW,6000MW,預(yù)計(jì)海上風(fēng)機(jī)園區(qū)覆蓋的面積預(yù)計(jì)海上風(fēng)機(jī)園區(qū)覆蓋的面積將達(dá)將達(dá)10001000平方公里，因此，該國政府計(jì)劃利用風(fēng)機(jī)基地設(shè)平方公里，因此，該國政府計(jì)劃利用風(fēng)機(jī)基地設(shè)備作為培植綠藻、紅藻與褐藻等能源作物的場所，減少海備作為培植綠

14、藻、紅藻與褐藻等能源作物的場所，減少海浪破壞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低整個(gè)園區(qū)海洋工程開發(fā)與建置的成浪破壞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低整個(gè)園區(qū)海洋工程開發(fā)與建置的成本。本。除了突破建置海洋農(nóng)除了突破建置海洋農(nóng)場相關(guān)海洋工程難題場相關(guān)海洋工程難題外海洋作物在天然環(huán)外海洋作物在天然環(huán)境中生長，不易收割境中生長，不易收割的困境也因?yàn)椴墒沾睦Ь骋惨驗(yàn)椴墒沾瑱C(jī)械化收割技術(shù)的發(fā)機(jī)械化收割技術(shù)的發(fā)明以及巨藻的葉片比明以及巨藻的葉片比較集中于海水表面而較集中于海水表面而得到有效落實(shí)！得到有效落實(shí)！美國美國“微型曼哈頓計(jì)劃微型曼哈頓計(jì)劃”引領(lǐng)潮流引領(lǐng)潮流 2007 2007 年，美國推出微型曼哈頓計(jì)劃，其宗旨是向海洋藻年，美國推出微型

15、曼哈頓計(jì)劃，其宗旨是向海洋藻類要能源，以幫助美國擺脫嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油的窘境。能類要能源，以幫助美國擺脫嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油的窘境。能以以“微型曼哈頓計(jì)劃微型曼哈頓計(jì)劃”命名，其重要性可見一斑。命名，其重要性可見一斑。微型曼哈頓計(jì)劃由美國點(diǎn)燃燃料公司倡導(dǎo)發(fā)起，以美國國微型曼哈頓計(jì)劃由美國點(diǎn)燃燃料公司倡導(dǎo)發(fā)起，以美國國家實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家的聯(lián)盟為主體，到家實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家的聯(lián)盟為主體，到2010 2010 年實(shí)現(xiàn)藻類產(chǎn)年實(shí)現(xiàn)藻類產(chǎn)油的工業(yè)化，達(dá)到每天生產(chǎn)百萬桶生物原油的目標(biāo)。為此，油的工業(yè)化，達(dá)到每天生產(chǎn)百萬桶生物原油的目標(biāo)。為此，美國能源部以圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室牽頭，組織十幾家科研機(jī)美國能源部以圣地亞國家實(shí)驗(yàn)

16、室牽頭，組織十幾家科研機(jī)構(gòu)的上百位專家參與這一宏偉工程。構(gòu)的上百位專家參與這一宏偉工程。 理論上說，如果種植理論上說，如果種植2000 2000 萬至萬至4000 4000 萬英畝的藻類，它萬英畝的藻類，它們產(chǎn)生的生物原油總量可以達(dá)到目前美國原油進(jìn)口數(shù)量，們產(chǎn)生的生物原油總量可以達(dá)到目前美國原油進(jìn)口數(shù)量，也就是說，可以真正起到替代進(jìn)口的作用。微型曼哈頓計(jì)也就是說，可以真正起到替代進(jìn)口的作用。微型曼哈頓計(jì)劃的目標(biāo)就是要將這一設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。根據(jù)計(jì)劃，一部分劃的目標(biāo)就是要將這一設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。根據(jù)計(jì)劃，一部分科學(xué)家將尋找并培育產(chǎn)油率高的藻類植物；一部分科學(xué)家科學(xué)家將尋找并培育產(chǎn)油率高的藻類植物；一部分

17、科學(xué)家將致力于研究如何降低藻類植物的收獲成本；另一部分人將致力于研究如何降低藻類植物的收獲成本；另一部分人則研究如何從藻類植物中提取油脂。則研究如何從藻類植物中提取油脂。 以色列以色列用海藻研制生物燃料用海藻研制生物燃料 以色列的研究人員試圖研發(fā)出能夠利用海藻制造油的技術(shù)，以色列的研究人員試圖研發(fā)出能夠利用海藻制造油的技術(shù)，然后利用這種油制成生物燃料。然后利用這種油制成生物燃料。這一技術(shù)的基本思路是將這一技術(shù)的基本思路是將發(fā)電廠排出的氣體收集起來，然后把它們導(dǎo)入一個(gè)有海藻發(fā)電廠排出的氣體收集起來，然后把它們導(dǎo)入一個(gè)有海藻能生存的系統(tǒng)。肥料和煙囪中排放出的碳能幫助它們大量能生存的系統(tǒng)。肥料和煙囪中排放出的碳能幫助它們大量繁殖。繁殖。海藻體重的大約四分之一為植物油，然后再利用這海藻體重的大約四分之一為植物油，然后再利用這種植物油制造生物燃料。以色列本種植物油制造生物燃料。以色列本- -古里安大學(xué)的穆古里安大學(xué)的穆提提赫什科維茨教授說赫什科維茨教授說“我們的燃料來自植物，因此更為我們的燃料來自植物，因此更為清潔，造成的污染更小。汽車排放的溫室氣體的確不會(huì)減清潔，造成的污染更小。汽車排放的溫室氣體的確不會(huì)減少，因?yàn)槠嚾詫⑴欧懦龆趸?。但我們用以制造這種少，因?yàn)槠嚾詫⑴欧懦龆趸?。但我們用以制造這種油的