微藻制油
微藻制油
一、 目前的能源现状
1. 石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源接近枯竭，而且这些传统能源造成大量的环境污染如
2. 新能源太阳能、风能、地热能、生物质能等应用极具有局限性不能大规模的应用，不足以满足人们的需要。
3.生物能源不仅具有资源再生、技术可靠的特点，而且还具有对环境无害、经济可行、利国利农的发展优势。 
总而言之，未来将是生物能源的天下。生物能源将会是人类不二的选择，未来生源的前景将不可估量。
二、 微藻概述
1.海洋单细胞藻类，即微藻，是地球上最早的生物物种，它们中的某些物种已经在地球上生存了35亿年之久。它们能十分有效地利用太阳能将H2O、CO2和无机盐类转化为有机资源，是地球有机资源的最初级生产力，有了它们才有了大气中的氧气，才有了海洋和陆地的其他生物，也才有了人类。
2．微藻的特点
(1)微藻具有叶绿素等光合器官，是非常有效的生物系统，能有效地利用太阳能通过光合作用将H2O、CO2和无机盐转化为有机化合物,因其固定和利用CO2可以减少温室效应。
(2) 微藻一般是以简单的分裂式繁殖，细胞周期较短，易于进行大规模培养，由于微藻通常无复杂的生殖器官，使整体生物量容易采收和利用。
(3)可以用海水、咸水或半咸水培养微藻，因此是淡水短缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。
(4) 微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，某些种类还富含油料、微量元素和矿物质，是人类未来重要的食品及油料的来源。
(5)微藻，尤其是海洋微藻，因其独特的生存环境使其能合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质。特别是经过一定的诱导手段微藻可以高浓度地合成这些具有商业化生产价值的化合物，是人类未来医药品、保健品和化工原料的重要资源。
3.微藻的种类
微藻的国内外研究发展概况,重点探讨了4种主要的可利用微藻螺旋藻、小球藻、杜氏藻和红球藻
三  微藻制油的优势
1.含油量高，易于培养，生长周期短单位面积产量大；2.充分利用太阳能，将水、二氧化碳等无机物质合成有机物质；3.能用海水培养，能耐受沙漠干旱半干旱地等极端环境，不占用耕地；4.能生产出高附加值的副产品，如生物高聚物、蛋白质、素、动物饲料、酒精、氢气等；5.高效环保；生产出的生物柴油不含硫，燃烧产物不污染环境；排入环境可被微生物降解；6.生物柴油无毒, 有较大的环境价值和社会价值. 是典型的“绿能源”。
四、微藻制油的过程
1.微藻制油的原理
微藻制油的原理是利用微藻光合作用，将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为微藻自身的生物质从而固定了碳元素，再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂，然后利用物理或化学方法把微藻细胞 内的油脂转化到细胞外，再进行提炼加工，从而生产出生物柴油。 即通过藻类的光合作用，将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料，蛋白质。
CO2+H2O    糖类+能量
糖类          乙醇+水 
2.微藻生物柴油开发的技术流程
微藻生物柴油成套技术涵盖多个技术环节，是一个复杂的系统工程，包括微藻的筛选和培育，获得性状优良的高含油量藻种，在光生物反应器中吸收阳光、CO2等，生成微藻生物质，最后经过采收、加工，转化为微藻生物柴油。技术流程如下图
微藻生物柴油开发技术流程
1 微藻的筛选和培育
优良富油藻种的选育是微藻生物柴油效率提高与成本降低的首个关键环节，涉及微藻含油量
、光合效率、生长速率的研究等，其影响的因素包括微藻种类、研究温度、pH值、盐碱度、光照等环境因子，N、Si、P、S和微量元素等营养因子，以及基因工程改造等。一方面，从经济效益上看，较高水平的含油量是微藻生物柴油技术可行的必要条件。目前，葡萄藻(Botryococcusbraunii)、裂殖壶藻(Schizochytriumsp．)等微藻的含油量可达50％以上，这是对自然界中的微藻生物资源进行普查和系统的收集、表征、筛选、整理和保存的参考标准。另一方面，快速的生长条件也是降低微藻生物柴油开发成本的必然要求，即选育和基因工程改造后要符合耐高浓度的CO2、高温以及高强度光照的条件。由于空气中的CO2只有0.03％-0.06％，而环境中一定浓度的CO2含量又是微藻快速生长的基本条件，因此工业废气等非自然条件下的环境就成为了常见的选择。
表2 不同微藻的耐受性和生长速度
微藻
CO2％
T*C
Pg／Ud
Chlorococcumlittorale
40
30
-
Chlorella kessleri
18
30
0.087
Chlorella sp.UK001
15
35
N/A
Chlorella vulgaris
15
N/A
Chlorella vulgaris
空气
25
0.040
Chlorella vulgaris
空气
25
0.024
Chlorellasp．
40
42
-
Dunaliella
3
27
0.17
Haematococcuspluvialis
l6-34
20
0.076
Scenedesmusobliquus
空气
-
0.009
Scenedesmusobliquus
空气
-
0.016
Botryococcusbraunii
-
25-30
1.1
ScenedesmusobliquuS
18
30
0.14
Spirulinasp．
12
30
0.22
目前，已有较多的研究者对微藻生长条件进行了研究，部分微藻分别在耐受的CO2浓度、耐受温度以及产率等方面表现出较好的特性(表2)。此外，考虑到微藻培育的条件，大规模的生产、在燃油和燃煤设备(如燃烧电厂、汽车尾气排放装置)中固定CO2，以及水和养分的循环都是降低成本的必要措施。
2 光生物反应器的研究
光生物反应器是指用于微藻培养的一类装置，与一般的生物反应器具有相似的结构，是具有光、温度、溶解氧、CO2、pH值等培养条件的调节与控制系统。目前，研究者已经设计了多种形式的光生物反应器(表3)。
表3 各种光反应器的优缺点
光生物反应器
优点
缺点
跑道池
(Raceway pond)
生物能源
成本相对较低、培养后易清理，大规模培养方便
光控制少、较难长时间培养、生产率低、占地面积大、只限于少数微藻、易污染
垂直柱
(Vertical-column)
大规模移动、混合好且剪应力低、宜大规模应用、易灭菌、适应范围广、易固定化微藻、光抑制和光氧化少
表面照射面积少、需精细材料、照射面积随规模扩大而
减少
平板式
(Flat-plate)
大规模照射面积、易户外培养、易固定化微藻、光路径好、高生产率、成本相对较低、易清理
规模生产需大量支持材料、难控制温度、一定程度的壁
生长、对微藻株的水力压
封闭管
(Tubu1ar)
大面积照射、适于户外培养、相对高产、成本相对较低
pH梯度、管内溶解氧和CO2、污垢、一定程度的壁生长、需大量土地空间
从成本的角度看，由于封闭管式光生物反应器在单位区域的利用面积、生物质浓度(如果浓度过低，采收成本会大幅升高)都比跑道池式生物反应器高出至少一个数量级，因此在当前的微藻生物柴油成本需大幅降低的前提下，封闭管式相对于跑道池式更优。目前，封闭管的直径往往小于0.1m，以使反应器的光源充足。然而，封闭管式反应器造价高，并且在应用中也存在受pH值限制等缺点。
尽管各种反应器类型不同，但从理论上看，都是微藻细胞所经历的光照射路径过程，以及在这个过程中所承受的剪应力和光/暗周期。光衰减模型(light attenuation model)和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)可用于评估光生物反应器的设计，从而使微藻单细胞的生长与光照、CO2利用最优化。例如，典型的封闭管长度不超过80m，且通过夜连续不断的培养基补给以弥补夜间微藻消耗。在反应器的物理设计中，为最大限度地利用阳光，封闭管的方向往往是南一北方向，且反应器所处地面往往涂成白，以增强反光。此外，由于机械泵易损伤微藻，因此，在进口处往往采用空气提升泵，而反应器每隔一段则设排气区以抑制反应过程中产生的溶解氧毒害，进口处和封闭管中设CO2输入装置来控制pH值。
3 微藻生物质采收、加工与转化技术
微藻生物质通过加工提炼与转化才能得到所需要的生物柴油，其成本可占约总成本的50％。目前，已经研究的技术仍未很好地解决采收成本过高的难题，因此，发展新的采收方法是未来研究发展的必由之路。由于藻油提取也需大量耗能，不经过机械压榨或干燥而直接从微藻生物质中获取脂肪成为主要的研究方向，细胞破碎技术的直接应用成为了研究前沿。其他生物质(木质生物质等)的预处理技术可以为微藻生物质的采收与采取提供借鉴。其中，碱处理是最为常用的方法，虽然会影响蛋白加工等生物质综合利用，但对于微藻游离脂肪酸的分离却效果明显。提取过程则可以考虑流动反应器甲酯化一酯交换反应一分离一体化工艺，或联合微藻采收实现细胞破碎一甲酯化一酯交换反应一分离一体化工艺，并在此过程中处理好水和养分循环，以及副产品和废物利用。
在油脂转化的过程中，“酯交换”是成熟的、已工业化的生物柴油加工技术。不同于常见的植物油脂，微藻生物柴油含有非常丰富的含有4个或更多双键的多不饱和脂肪酸，如二十碳五烯酸(EPA，C20：5n-3，5个双键)、二十二碳六烯酸(DHA，C22：6n-3，6个双键)。这些双键的存在会导致微藻生物柴油在储运的过程中被氧化而不稳定。因此，酯交换工艺的选择，取决于微藻油脂的性质。
表3 微藻生物柴油开发的各环节要求
技术环节
技术要求
技术选择
微藻的筛
选和培育
(1)含油量高;
(2)生长快速;
(3)耐高浓度的CO2、高温以及高强度的光照等环境条件;
(4)易于基因工程改造.
(1)Botryococcusbraunii(含油量25%-75%)；
(2)Chlorella sp．(含油量28%-32%)；
(3)Crypthecodiniumcohnii(含油量20%)；
(4)Cylindrothecasp．(含油量16%-37%)；
(5)Dunaliellaprimolecta(含油量23%)；
(6)Isochrysissp．(含油量25%-33%)；
(7)Monallanthussalina(含油量>20%)；
(8)Nannochlorissp．(含油量20%-35%)：
(9)Nannochloropsissp．(含油量31%-68%)：
(10)Neochlorisoleoabundans(含油量35%-54%)；
(11)Nitzschiasp．(含油量45%-47%)；
(12)Phaeodactylumtricornutum(含油量20%-30%)；
(13)Schizochytriumsp．(含油量50%-77%)；
(14)Tetraselmissueica(含油量15%-23%)
光生物反
应器
(1)传光（提高光能利用效率）；(2)传质（解决光生物反应器中反应物混和的效率与手段问题）; (3)传动（解决微藻规模养殖中的“水力学”问题，保证反应器内介质顺利流动、混合，不发生细胞损伤、沉降）；(4)传热（控制光生物反应器中的温度）;(5)清洁;(6)成本低;
(1)跑道池；
(2)垂直柱光生物反应器；
(3)平板光生物反应器；
(4)封闭管式光生物反应器
生物质采
收与提取
(1)降低采收成本;
(2)减少藻油提取耗能
(1)离心(运行成本高，设备故障多)；
(2)过滤(膜污染和堵塞)；
(3)絮凝(絮凝剂和运行设备成本高)；
(4)超声波(能耗偏高)
生物质加
工与转化
根据微藻油脂的性质选择具体的酯交换工艺
(1)以酸、碱或脂肪酶为催化剂，以甲醇与植物脂肪反应获得脂肪酸甲酯(生物柴油)和甘油；(2)超临界条件下的酯交换技术等
五、利用基因工程优化后的微藻制油
 
六、微藻生物柴油未来的核心研究方向
现有研究充分表明,基于以油脂积累为核心的代谢网络,有目的地构建富油微藻工程藻株将是未来的核心研究方向。研究的思路是: 选择特定藻种作为模式藻→构建以油脂积累为核心的代谢图→在代谢图的指导下构建富油微藻工程藻株→进行后续升级研究:在工程藻株的基础上进行高CO2 耐受能力、高光强耐受能力、高温适应能力工程藻株的构建。
七、微藻生物柴油的前景与展望
以玉米等粮食为原料大量生产生物乙醇会导致粮食危机;以大豆、油菜等油料作物为原料大量生产生物柴油会造成食用油供应紧张[ 6 ] ;以产油酵母等微生物来生产生物柴油,需要以糖类等有机物为原料,成本昂贵;富油微藻则不具有以上缺点,微藻能充分利用盐碱地等非农业用地,能通过光合作用将二氧化碳转化为有机物进行自养而不需要消耗外源糖类。因此,在能源危机与二氧化碳减排的双重压力之下,全球再一次掀起了微藻生物柴油研究的高潮。自20世纪90年代中期微藻生物柴油第一次研究高潮结束之后,生物科技已经发生了翻天覆地的变化,诞生了许多新理论、新技术,积累了更加全面丰富的油脂代谢知识,而且数据库中与微藻相关的数据越来越多,将这些新知识应用于微藻油脂代谢的研究和基因工程藻株的构建必将大大促进微藻生物柴油的产业化进程。
八、组员分工
刘敏和张晶收集资料
卓永登，张晶，刘敏，袁帅一起制作PPT
刘敏主讲PPT第一和第二部分；卓永登第三部分和第四部分的前半部分，张晶枝江第四部分，袁帅最后一部分(前景的一部分)
刘敏整理word文件部分。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。