2018 年秋季学期研究生课程考核
考核科目:绿色黄金-微藻生物质液态能
源
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考核结果阅卷人
微藻生物质能源
一．立项报告
（一）立项背景
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。与世界相比，中国资源总量虽大，却不易开发。中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差，缺乏竞争力。而且中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。因而如今处于二十一世纪的中国正面临着严峻的能源短缺问题，也正是上述原因，开发新能源，发掘新型能源的潜力我们势在必行。
2009年11月在珠海举行的中国藻类学会议上，利用微藻生产生物能源的研究十分抢眼。从会议报告来看，许多学者的研究甚至达到了一定的深度。而其中微藻大规模快速培养技术的研究发展得更是十分迅速。从研究规模和投入看，目前已有中国科学院水生生物所、中国科学院武汉植物园、过程工程研究所、中国科学院南海海洋所、中国科学院青岛海洋所等单位开展了选种、育种、大量培养、收集和提油等研究，并积极开展与我国大型石油化工企业的合作。
不仅中国如此，世界各国都在摩拳擦掌。1978年，美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）最早启动了这项利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划。从1990年到2000年，日本国际贸易和工业部曾资助了一项名为“地球研究更新技术计划”的项目，该项目利用微藻来生物固定二氧化碳, 并着力开发密闭光合生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产生物质能源。2009年日本再次启动利用微藻生产生物能源的计划。进入21世纪，石油价格一度大幅上扬，刺激了微藻生物柴油技术的研究。目前各国的总投入达到数百亿美元。
从目前的研究进展和热衷程度看，一个能够替代石油的新能源似乎已经被找到，利用微藻生产生物燃料的产业化道路也似乎已经被开辟，让我们相信一个高效、清洁、环保的新能源时代已经到来。
微藻就是浮游植物，遍布全球各种水体。其类群繁多，种类丰富。作为生态系统中初级生产者，在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。微藻能够把光合作用产物转化成油贮藏起来，在细胞内形成油滴，如葡萄藻、小球藻。有些藻类在缺氮等条件下，可大量积累油脂，含油量可高达70％。首先通过萃取、热裂解等方法从这些微藻中将油提取出来，再通过转酯化后可转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。因此，微藻确实能够生产生物能源。
由于微藻的生物量大，可利用滩涂、盐碱地、荒漠进行大规模培养，可利用海水、盐碱水和荒漠地区地下水进行培养，不与农作物争地、争水。微藻培养还可利用工业废气中的二氧化碳和氮氧化合物，缓解温室气体的排放，减少环境污染。
此外，与柴油相比，生物柴油除了具有较好的燃料性能、润滑性能和安全性能，还具有二氧化硫和硫化物排放低、不含芳香族烷烃等环保特性。因此利用微藻生产生物能源确实是一个高效、清洁、环保的新能源途径，具有广阔的发展的潜力和优势。（摘自虞功亮科学网博客
/blog-40415-299856.html ）
（二）项目研究内容及实施方案
然而尽管微藻生物质能源拥有广阔的前景，但如何提取微藻中蕴藏的能源却是一大难题，本文中我们课题组将对微藻的生长、收获、加工等方面进行综述。并对其潜在应用进行简要讨论。
2.1微藻的简介
微藻的定义涵盖了所有单细胞和简单的多细胞微生物，包括原核微藻，即蓝藻和真核生物。原核细胞(蓝藻)缺乏膜结合的细胞器(质体、线粒体、细胞核、高尔基体和鞭毛)，更接近细菌而不是藻类。真核细胞许多不同种类的普通藻类，确实有这些细胞器控制细胞的功能，使它能够生存和繁殖。真核生物被分为多种CLA。SSE主要由色素沉着、生命周期和基本细胞结构决定[36]。最重要的是：绿藻(绿藻门)、红藻(红藻门)和硅藻(硅藻门)。藻类可以是自养的，也可以是异养的；前者只需要二氧化碳、盐类和光能源等无机物才能生长；而后者则是非光合的。Re需要有机化合物的外部来源以及作为能源的营养物质。有些光合藻类是混合营养的，即它们既能进行光合作用，又能进行交流。查询外源有机养分[35]。对于自养藻类来说，光合作用是它们生存的关键组成部分，通过光合作用将叶绿体吸收的太阳辐射和二氧化碳转化为腺苷。三磷酸(ATP)和O2是细胞水平上可用的能量货币，然后用于呼吸，产生能量来支持生长。对我们而言，自养的微藻是我们最好的选择。光、温度、盐度、营养盐、酸碱度、碳源、有机营养物质和生物因子等，都是影响微藻生长的主要因素。
2.2微藻的培养
1）光——在温度和营养不限制微藻生长的情况下，影响微藻生长的因子即光。
a. 光源除可利用人工光源，太阳光是微藻培养的主要光源。在室外大规模培养和室内小型培养，都可有效利用太阳光源。但极端易变是太阳光源的特点，这给在培养中控制最适光照强度带来较大困难。室内小型培养可利用白炽灯或白色日光灯等人工光源。白炽灯产生的温度很高，能使培养液水温上升，在夏天气温高时不宜使用。使用人工光源，可较好控制光照强度和时间，但存在成本高的问题，因此生产上二级培养很少使用。
b. 光质光的颜色即是光质，是指不同波长的光线。盐藻在300～700 nm 光谱区内，出现436 nm和679 nm两个吸收主峰和470 nm一个肩。三角褐指藻在红、黄、蓝、白和紫等5种不同的光质下的生长速度大小依次为蓝光、紫光、白光、红光和黄光，在蓝光下的生长常数约为0.44，而在黄光下仅为0.26；培养8 d 其多糖含量在红光下最高。在光照强度低于13.20 μmol/（m²/s）时，螺旋藻的生物量在红光下是最高的。
c.光在细胞悬浮液中的穿透当光线进入藻液中，由于藻细胞的散射和吸收，随着深度的增加，光照强度迅速降低。藻细胞的密度取决光投入的深度，密度愈低，光透入愈深。大部分细胞吸收到的光照强度往往不足，这是由于在高密度下，仅仅表层细胞能吸收到可进行光合作用的饱和光照强度，下层细胞实际处于“黑暗”之中。
