微藻生物能源

關(guān)于微藻生物能源海洋微藻生物柴油

（1）熟悉海洋微藻生物柴油研究歷史及現(xiàn)狀（2）掌握海洋微藻生物柴油關(guān)鍵技術(shù)（3）了解目前存在的問題和發(fā)展方向第2頁,共44頁，2024年2月25日，星期天*石油：儲量1500億噸

可用40年

*天然氣：儲量1100億噸

可用50

年*煤炭：儲量5500億噸

可用200年

全球化石能源儲量能源消費(fèi)能源供給

2006年國內(nèi)外生物能源的研究背景第3頁,共44頁，2024年2月25日，星期天我國能源消費(fèi)與供給趨勢第4頁,共44頁，2024年2月25日，星期天化石能源不可持續(xù)性馬爾代夫總統(tǒng)納希德在水下內(nèi)閣會議上簽署環(huán)保倡議書第5頁,共44頁，2024年2月25日，星期天10001400120016001800200000.5-0.51.0年北半球地表溫度變化1998年溫度距平(℃)20世紀(jì)是過去1000年中最溫暖的100年。第6頁,共44頁，2024年2月25日，星期天*可再生能源.*清潔能源,環(huán)境污染相對較少.*易于儲存和運(yùn)輸.*分布廣泛.新能源太陽能、生物能源、風(fēng)能…新能源－可再生能源－生物能源生物氫能生物柴油燃料酒精生物燃?xì)獾?頁,共44頁，2024年2月25日，星期天我國能源儲量及可利用能源資源煤炭：9883石油：46天然氣：9鈾礦：25可再生能源（億噸標(biāo)煤／年）化石能源儲量（億噸標(biāo)煤）太陽能：13543生物質(zhì)能：8水能：4.1風(fēng)能：1.7潮汐能：0.22005年我國能源消費(fèi)的總量為22億T標(biāo)準(zhǔn)煤第8頁,共44頁，2024年2月25日，星期天1992年5月9日通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》；1994年3月21日生效。1997年12月11日，通過了《聯(lián)合國氣候變化框架公約京都議定書》；2005年2月16日生效。國際社會為對付氣候變化而制定的公約第9頁,共44頁，2024年2月25日，星期天在2008年至2012年，需將其人為溫室氣體排放水平在1990年基礎(chǔ)上平均減少5.2%。其中，歐盟為8％，美國7％，日本6％，澳大利亞增長8％。向發(fā)展中國家提供新的和額外的資金和技術(shù)援助。幫助發(fā)展中國家提高應(yīng)對氣候變化的能力建設(shè)。

發(fā)達(dá)國家在京都議定書下的義務(wù)第10頁,共44頁，2024年2月25日，星期天減少溫室氣體排放的成本差異發(fā)達(dá)國家國內(nèi)減排成本平均在100美元/噸碳以上發(fā)展中國家的平均減排成本只有幾美元至幾十美元

這種巨大的減排成本差異，推動了清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）的發(fā)展：氣候公約和京都議定書允許發(fā)達(dá)國家通過境外減排方式履行在氣候公約和京都議定書下的義務(wù)。第11頁,共44頁，2024年2月25日，星期天清潔發(fā)展機(jī)制基本內(nèi)容

清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）系京都議定書第12條確立的機(jī)制，其核心內(nèi)涵是：發(fā)達(dá)國家通過提供資金和技術(shù)的方式，與發(fā)展中國家合作，在發(fā)展中國家實(shí)施具有溫室氣體減排效果的項(xiàng)目，項(xiàng)目所產(chǎn)生的溫室氣體減排量用于發(fā)達(dá)國家履行京都議定書的承諾。

簡言之，就是“資金＋技術(shù)”換取更多的溫室氣體排放權(quán)第12頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

在美國宣布減排目標(biāo)之后不到24小時(shí)，中國政府便作出了國務(wù)院總理溫家寶將出席哥本哈根氣候變化大會的聲明，與此同時(shí)，宣布了到2020年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目標(biāo)。作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃，并制定相應(yīng)的國內(nèi)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測、考核辦法。會議還決定，通過大力發(fā)展可再生能源、積極推進(jìn)核電建設(shè)等行動，到2020年我國非化石能源占一次能源消費(fèi)的比重達(dá)到15%左右；通過植樹造林和加強(qiáng)森林管理，森林面積比2005年增加4000萬公頃，森林蓄積量比2005年增加13億立方米。這是我國根據(jù)國情采取的自主行動，是我國為全球應(yīng)對氣候變化做出的巨大努力。”中國CO2減排壓力第13頁,共44頁，2024年2月25日，星期天減少溫室氣體排放的主要途徑提高生產(chǎn)效率尤其是提高能源效率；削減化石燃料消費(fèi)；尋找替代化石燃料的能源二氧化碳的收集和儲存第14頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物質(zhì)能的研究概況早在20世紀(jì)70年代美國、日本、西歐等國家就開始了生物質(zhì)能的前期探索和研究工作，如美國的海洋生物質(zhì)能源計(jì)劃（1974）、水生物種計(jì)劃（1978）；日本的新能源開發(fā)計(jì)劃（陽光計(jì)劃，1974）、節(jié)能技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（月光計(jì)劃，1978）、環(huán)境保護(hù)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（1989）、能源與環(huán)境領(lǐng)域綜合技術(shù)開發(fā)推進(jìn)計(jì)劃（新陽光計(jì)劃，1993）；印度的乙醇利用計(jì)劃（1975）、巴西的乙醇能源計(jì)劃—普洛阿爾庫爾計(jì)劃（1976）等。經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，很多國家以糧油作物為資源的生物質(zhì)能開發(fā)已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。第15頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

生物乙醇生物乙醇

---應(yīng)用很久源于生物的內(nèi)燃機(jī)燃料,現(xiàn)在巴西和美國已廣泛采用,我國也已在幾個(gè)省份試用,屬于環(huán)境友好的燃料組分。一般以10%的比例摻入汽油,因乙醇發(fā)熱量較低,大約1噸乙醇可節(jié)約0.9噸汽油。通常以玉米、甜高粱等糧食作物為原料經(jīng)發(fā)酵過程生產(chǎn)。當(dāng)汽油價(jià)位低時(shí)難與競爭，需政府補(bǔ)貼。正在開發(fā)中的利用玉米秸稈的纖維素、半纖維素加酸或酶水解轉(zhuǎn)化成葡萄糖然后發(fā)酵的工藝可免與糧食爭原料，但成本偏高。第16頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物柴油的概念生物柴油是清潔的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。第17頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物柴油1已在歐洲和美國等地使用多年，屬于源于生物的環(huán)保型清潔燃料。2原料為油菜籽油、大豆油、葵花籽油、棕櫚油以及廚房回收油，將其與甲醇進(jìn)行酯交換反應(yīng)，得到脂肪酸甲酯（FAME）即生物柴油，并副產(chǎn)甘油。第18頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物柴油的制備方法第19頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物柴油3通常摻入柴油中的比例10%--20%，性能變化不大，如100%代替，則存在寒冷地區(qū)或季節(jié)流動性能不良和對橡膠材料侵蝕問題。4

原料中含不飽和脂肪酸多時(shí)，所制得的FAME氧化穩(wěn)定性差。5生物柴油潤滑性能好6生物柴油成本視原料價(jià)格而有差異，一般比石油柴油高（除非原油價(jià)位高時(shí)），有些國家對城市公交客車使用給予補(bǔ)貼。第20頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

生物乙醇和生物柴油的擴(kuò)大應(yīng)用1從生物來源和清潔燃料的角度，生物柴油和乙醇汽油是很好的代用燃料。2原料的來源與各國國情密切相關(guān)，要具體分析。3乙醇的生產(chǎn)原料可擴(kuò)大到多種含纖維素物料，比較容易得到。FAME原料僅限于油料作物，數(shù)量有限。4專家估計(jì)在歐盟替代5%汽油，需占用5%耕地，替代5%柴油，需占用15%耕地；而在美國上述占用比例分別為8%和13%。5美國目標(biāo)是將生物源的替代運(yùn)輸燃料所占比例從目前的不足5%提高到2020年的10%和2030年的20%。第21頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生物質(zhì)能開發(fā)存在的問題生物質(zhì)能規(guī)?；a(chǎn)逐漸引發(fā)了糧食、耕地和水資源危機(jī)，以及土壤結(jié)構(gòu)和植被生物多樣性破壞等生態(tài)問題。聯(lián)合國近期公布的分析報(bào)告指出，生物質(zhì)能的開發(fā)對糧食漲價(jià)的貢獻(xiàn)達(dá)到了75％。由于上述原因，2008年，美國與歐盟相繼修正甚至中止了利用農(nóng)作物開發(fā)生物質(zhì)能的項(xiàng)目。美國、歐盟、澳大利亞、日本、印度等國政府和企業(yè)都投入了大量資金來進(jìn)行海洋生物質(zhì)能的開發(fā)，力圖改變當(dāng)前以糧食作物為主要原料的局面，試圖提出一種全新的解決思路。第22頁,共44頁，2024年2月25日，星期天1.生物柴油機(jī)遇與挑戰(zhàn)生物柴油已成為國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的環(huán)保可再生能源，但制約其大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵問題是原料嚴(yán)重不足。近年來，人們普遍認(rèn)為微藻光自養(yǎng)生長過程合成的油脂是一種極有希望的制備生物柴油的大宗原料。第23頁,共44頁，2024年2月25日，星期天藻類生物質(zhì)能源的獨(dú)特優(yōu)勢第24頁,共44頁，2024年2月25日，星期天2.微藻生物柴油的獨(dú)特優(yōu)勢微藻光自養(yǎng)生長過程可合成大量油脂，與其他生物質(zhì)相比，具有5大優(yōu)點(diǎn)：

光合作用效率高、含油量高、微藻生物柴油的面積產(chǎn)率非常高可固定大量的CO2，這不僅對于CO2減排問題的解決具有重要的潛在價(jià)值，且可使微藻生長所需碳源成本（1萬元/噸螺旋藻）降為0可利用廢水中的N、P等營養(yǎng)，不僅可降低水體富營養(yǎng)化，且可使微藻生長所需N源成本（0.3~0.4萬元/噸螺旋藻）、P源成本（0.3萬元/噸螺旋藻）降為0不與農(nóng)作物爭地(可用灘涂、鹽堿地、荒漠、海面等)、爭水(可用海水、鹽堿水和荒漠地區(qū)地下水等)：如利用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻，生產(chǎn)相同量的生物質(zhì)，其耗水量僅為農(nóng)作物的１％。微藻個(gè)體小、木質(zhì)素含量很低，易粉碎、干燥，用微藻來生產(chǎn)液體燃料所需的后處理?xiàng)l件相對較低第25頁,共44頁，2024年2月25日，星期天生產(chǎn)生物柴油的資源比較資源油產(chǎn)量(L/ha)所需耕地面積(Mha)a占美國現(xiàn)有耕地面積的比例（%）玉米1721540846大豆446594326油菜1190223122麻風(fēng)樹189214077椰子26899954油棕櫚59504524微藻b136,90021.1微藻c58,7004.52.5a滿足美國交通燃油需求量的50%b油含量達(dá)到細(xì)胞干重的70%c油含量達(dá)到細(xì)胞干重的30%Back微藻生物柴油的優(yōu)勢第26頁,共44頁，2024年2月25日，星期天(1)生長速度快，光合效率高：微藻是光合效率最高的光合生物之一，可能提供足以解決全球需求的非糧食可再生的生物質(zhì)能。(2)適應(yīng)能力強(qiáng)，不爭地，不爭水：一些微藻具有鹽堿適應(yīng)能力，可利用海水、地下鹵水等在灘涂、鹽堿地進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)；利用封閉式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻，生產(chǎn)相同量的生物質(zhì)，其耗水量僅為農(nóng)作物的1％。(3)大量積累脂質(zhì)，因而可高效生產(chǎn)生物燃油：一些產(chǎn)油微藻的脂肪酸總量可達(dá)干重的50％-90％，有望成為最有前景的生物燃油來源。(4)具有減排效應(yīng)，可以直接處理工業(yè)廢氣：微藻可以通過光合作用利用廢氣(CO2、NO2)和廢水，不僅能緩解溫室氣體的排放，而且可以通過利用廢水廢氣降低生產(chǎn)成本，一些微藻還可以通過胞外CO2濃縮機(jī)制直接吸收CO2并轉(zhuǎn)化為碳酸氫(鹽)，具有顯著減排效應(yīng)，有望進(jìn)行商業(yè)化減排。(5)可高值化綜合利用：微藻含有豐富的生物活性物質(zhì)，在制備生物燃油的同時(shí)可進(jìn)行高值化綜合利用，相對降低微藻產(chǎn)油的成本?？砷_發(fā)的高值產(chǎn)品包括蝦青素、活性蛋白、活性多糖、不飽和脂肪酸、天然色素、生物肥料和餌料等。海洋微藻生物質(zhì)能開發(fā)具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢

第27頁,共44頁，2024年2月25日，星期天3.微藻生物柴油生產(chǎn)過程與CO2減排的耦合CO2減排已成為亟待解決的全球性問題，隨著2012年的接近，中國企業(yè)CO2減排壓力越來越大，CDM市場非常巨大。微藻的光自養(yǎng)生長過程可固定大量CO2，這對于CO2減排問題的解決具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。微藻培養(yǎng)成本高（2萬元/螺旋藻、5萬元/小球藻），僅從CO2減排角度利用微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)來固定CO2的成本太高。已有微藻生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模很小（全球微藻粉的產(chǎn)量約2萬噸/年），即使全部利用CO2作為碳源，其消耗量也很少（每年不超過4萬噸CO2，但排放62億噸/47.6億噸），且利用微藻吸收CO2技術(shù)目前尚不成熟。生物柴油的市場需求量極大（中國1億噸/年），因此微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給CO2減排壓力的緩解帶來了新希望。第28頁,共44頁，2024年2月25日，星期天二、微藻生物柴油研究進(jìn)展（研究的背景、獨(dú)特優(yōu)勢、與CO2減排的耦合）第29頁,共44頁，2024年2月25日，星期天微藻生物能源的發(fā)展歷史1978~1996年，美國能源部資助“AquaticSpeciesProgram—BiodieselfromAlgae”項(xiàng)目，在能源微藻藻種篩選方面做了大量工作并在戶外敞開池大規(guī)模培養(yǎng)方面做了一定的嘗試。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室于1998年向DOE提交了一份長達(dá)328頁的工作總結(jié)報(bào)告“ALookBackattheU.S.DepartmentofEnergy’sAquaticSpeciesProgram---BiodieselfromAlgae”（被譽(yù)為“藻類圣經(jīng)”）。1990～2000年，日本國際貿(mào)易和工業(yè)部曾資助了一項(xiàng)名為“地球研究更新技術(shù)計(jì)劃”的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用微藻來固定CO2,并著力開發(fā)密閉式光生物反應(yīng)器技術(shù)，通過微藻吸收火力發(fā)電廠煙氣中的CO2來生產(chǎn)生物能源。10年間共投資約25億美元，篩選出多株耐受高CO2濃度、生長速度快、能形成高細(xì)胞密度的藻種，建立了光生物反應(yīng)器的技術(shù)平臺。

2006~2008年，石油價(jià)格一度大幅上揚(yáng)，美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家的政府和企業(yè)在該微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)方面紛紛投入大量資金進(jìn)行中試開發(fā)，在國際上掀起了一股勢不可擋的熱潮。第30頁,共44頁，2024年2月25日，星期天過去所開展的微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)研究，大多關(guān)心具有營養(yǎng)及生物活性的物質(zhì)，很少關(guān)注藻細(xì)胞內(nèi)的油脂，僅有少量研究涉及藻細(xì)胞內(nèi)的多不飽和脂肪酸。過去大多從事微藻生物技術(shù)研究的人近年來及時(shí)轉(zhuǎn)向從事微藻生物柴油方面的研究工作。這些人大多從事生物學(xué)研究及敞開式培養(yǎng)，僅有少數(shù)課題組是從生化工程角度開展微藻培養(yǎng)及光生物反應(yīng)器方面的研究。從生物柴油角度開展能源微藻藻種篩選及光自養(yǎng)培養(yǎng)技術(shù)研究，僅是近年來的事，目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段。在國際上最早從事微藻生物柴油研究工作的是清華大學(xué)吳慶余教授課題組，主要是通過異養(yǎng)培養(yǎng)小球藻獲得生物柴油。異養(yǎng)培養(yǎng)微藻生產(chǎn)生物柴油存在二大不足：一是成本高且難以和產(chǎn)油微生物競爭，二是失去了光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻生產(chǎn)生物柴油的優(yōu)點(diǎn)（如不僅不能固定CO2反而會排放出CO2）。第31頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

微藻生物柴油生產(chǎn)過程所涉及的

主要技術(shù)研究概況

第32頁,共44頁，2024年2月25日，星期天

微藻的種類有幾萬種。目前世界上已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的微藻主要有螺旋藻、小球藻、杜氏藻、雨生紅球藻和寇氏隱甲藻（異養(yǎng)生產(chǎn)DHA）等五種（餌料微藻未商品化）。微藻生物技術(shù)產(chǎn)品主要包括：微藻藻粉、β-胡蘿卜素、蝦青素、

DHA等。（一）已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的微藻及其產(chǎn)品簡介螺旋藻小球藻杜氏鹽藻雨生紅球藻第33頁,共44頁，2024年2月25日，星期天（二）微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)生產(chǎn)藻粉的流程

微藻藻粉的生產(chǎn)流程：

控制培養(yǎng)條件藻種＋培養(yǎng)液逐級放大培養(yǎng)系統(tǒng)采收干燥成品

大規(guī)模生產(chǎn)中一般采用半連續(xù)流加培養(yǎng)，定期向培養(yǎng)液中補(bǔ)加消耗較大的營養(yǎng)鹽，收獲后培養(yǎng)液再循環(huán)使用

第34頁,共44頁，2024年2月25日，星期天（1）微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)以光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而獲得生物量。光合成反應(yīng)如下：

CO2+NO3-+PO43-+H2O+太陽能[CH2ONP]+O2

目前國內(nèi)外微藻的大規(guī)模培養(yǎng)均屬光自養(yǎng)培養(yǎng)。

（三）微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)與光生物反應(yīng)器微藻光自養(yǎng)生長的影響因子光照溶解氧溫度培養(yǎng)液pH營養(yǎng)鹽第35頁,共44頁，2024年2月25日，星期天必須要用光照。對于外部光源的反應(yīng)器，要求反應(yīng)器的比表面積很大，培養(yǎng)液的深度要相對小，否則藻體就得不到充足的光能。為了充分利用自然光，反應(yīng)器必須放在戶外，而戶外的光照條件受地域和氣候的影響，難以控制。從混合角度來看，在藻類培養(yǎng)過程中的混合,除了具有促進(jìn)氣液傳遞、液固傳遞、防止細(xì)胞沉降作用外，還必須使藻細(xì)胞在光照方向上能充分混合，否則藻細(xì)胞受光就不均勻。光不僅有光周期、光質(zhì)和光強(qiáng)的不同，還有明顯的時(shí)、空（緯度、水體深度）非線性變化。第36頁,共44頁，2024年2月25日，星期天（2）光生物反應(yīng)器微藻的光自養(yǎng)培養(yǎng)所用裝置，從廣義來說均可稱為光生物反應(yīng)器，但通常人們所說的光生物反應(yīng)器是指封閉式光生物反應(yīng)器（Enclcosedphotobioreactor）光生物反應(yīng)器有兩大類：一類是敞開式光生物反應(yīng)器，另一類是封閉式光生物反應(yīng)器。第37頁,共44頁，2024年2月25日，星期天國外進(jìn)行能源微藻藻種篩選工作的單位主要是美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室、新西蘭的MasseyUniversity和德國的UniversityofTübingen，加拿大、日本和英國的一些大學(xué)在藻種篩選和培養(yǎng)方面做了一些工作。篩選出的高油含量微藻主要包括綠藻門、硅藻門、藍(lán)藻門、金藻門的一些種類。第38頁,共44頁，2024年2月25日，星期天對于以獲得生物柴油為目標(biāo)的微藻培養(yǎng)而言，光自養(yǎng)培養(yǎng)積累的脂肪比異養(yǎng)培養(yǎng)要多。從脂肪含量來看，光自養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)的最高值為67%，異養(yǎng)培養(yǎng)時(shí)的最高值為69.1%。從培養(yǎng)規(guī)模上看，光自養(yǎng)培養(yǎng)的最大規(guī)模為110LGWP（GreenWallPanel），異養(yǎng)培養(yǎng)的最大規(guī)模為11000L反應(yīng)器。目前，微藻的商業(yè)化培養(yǎng)規(guī)模仍然較小，而且多以開放式大池培養(yǎng)為主，其培養(yǎng)效率低、容易受污染和天氣的影響。微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亟需一種高效率、低成本、易放大的微藻培養(yǎng)系統(tǒng)---光生物反應(yīng)器。第39頁,