第五章微藻生物能源

阳光
微藻产能
废气CO2
1kg
(0.57kg)
( ) 生物质 CH1.8N0.17O0.56
N、P废水
二氧化碳光合作用转换
(0.73kg) 氧气
( Ohio Coal Research Center)
21
微藻低碳生物经济—微藻生物能源
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。
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。
微藻航空生物燃料
➢ 生物柴油 (Bio-diesel) ➢航空生物燃料 (Bio-jet fuel) (Bio-kerosene)
什么是微藻？
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。
物种 淡水微藻 海洋微藻
绿 藻
已发现数量 ２.２×104 ０.7×10４
红
硅
藻
藻
已发现占估计数比例（%） >90 ＜10
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 CO2/mol产品
微生物
乙醇 排放1 mol
酵母
乳酸 0 mol 乳酸菌
丁二酸
吸收1 mol
琥珀酸 放线杆菌
生物柴油 吸收６mol
微藻
产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的CO2
微藻在地球演化中扮演着重要角色
CO
2
生物质
+
+
H2 O
O2
+
微光藻（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。
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
植物：1%
率 高
藻：3.5%
微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高 • 1、反应物浓度更高
近3000倍
1L空气中含有约5.9×10-4 g CO2
• 2、产物浓度更低
1L水中含有约1.7gCO2
1/40
1L空气中含有约0.3g O2
1L水中含有约0.008gO2
微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高
微藻是理想的高蛋白饲料
纯蛋白大豆
乌克兰
高质纯牛奶
乌克兰种牛
我国
三聚氰胺牛奶
混合饲料
出路：高蛋白微藻饲料替代
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。
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。
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 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
世界各国研究现状
重点项目
代表公司
商业案例
欧 “藻类生物燃料计划” 盟 耗资5000万美元
2020年 –实现利用藻 类生产运输燃料
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 )
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
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
500
2010年 1-5月
400
300
以色列32 日韩168
80000
60000
40000
20000
20倍
0 棉籽 大豆 油菜 麻疯树 棕榈 微藻
油菜
麻疯树
大豆
2X1010公顷
1.1X1010公顷
微藻
4X109公顷
棕榈
3X109公顷
1X109公顷 5X107公顷
Peer M S , et al.Second Generation Biofuels: High-Efficiency Microalgae for Biodiesel Production.Bioenergy Research,2008,1:20~43
我国味精行业 年排放废水约5亿吨
排出
处理
谷氨酸等
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
微藻与火电厂等重污染工业联产低碳生物经济
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。
微藻光合天线
几十倍
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。
现状：大多在实验评论室研究、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
埃克森美孚启动微藻生物燃料
国内主要的研究单位
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。
中 “微藻生物柴油成套技 •兆凯生物工程研发 ✓08年新奥公司微藻固定CO2生物
国 术”
•中国石化等
柴油年中试成功，利用管道式及
“CO2-油藻-生物柴油关 键技术研究”
•新奥绿色能源公司
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
“微藻二氧化碳减排技
物学改造等
术研发及示范”。
微藻生物能源研究历史及现状
我国水泥行业 年排CO2９亿吨
排出
吸收
CO2
低碳工业
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
微藻低碳生物经济—微藻生物能源
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。
火电厂
28.24亿吨（40.1%）
CO2
排出
吸收
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%
）
低碳工业
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
微藻生产生物柴油的优势
棉花
产油能力
（升/公顷/年） 120000
不同植物产油能力比较
100000
•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
英国藻类生物燃料公共 资助项目（2600万英镑）
日 “地球研究更新计划技 本 术”耗资3亿美元
•DIC集团
2010年 -微藻将CO2转化 成燃料乙醇
开发出利用微藻将CO2转换成燃料 乙醇的新技术
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-Concentration mechanism）： 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。
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。
微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高
• 5、更高含量的光合作用单位
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
植物光合天线
论文数量
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”;
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
藻类植物的分类
蓝藻门
红藻门
(
藻
隐藻门
类
植
甲藻门
物
金藻门
大
型
黄藻门
藻 和
硅藻门
微 藻
褐藻门
裸藻门
)
绿藻门
小球藻等
轮藻门
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。
微藻生物柴油已经成为当今世界的研究热点
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
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 从事油藻藻种筛选与分子生物学改造、大规模
所、青岛生物能源所、遗传与发育所
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。
微藻是理想的燃料
热值
≈
藻粉
煤炭
相同质量
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。
微藻是理想的饲料、饵料及其添加剂
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。
• 3、光照几率更多
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。
微藻通过光合作用固定CO2的效率比陆生植物更高 • 4、比表面积更大
等量
树叶 比表面积:10-3 m2
1 g干 物质
微藻 比表面积:1.3×103 m2
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 6CO2 3-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）
2CO2
CHO-THF
CH3-CO-X
乙酰-CBaidu NhomakorabeaA
泥生绿菌
草酰乙酸
2CO2
异柠檬酸
柠檬酸
乙酰-CoA
脂肪酸 脂肪酸
绿色硫细菌 羟基丙酰-CoA
2CO2 甲基丙二酰-CoA
印度64 中国台湾 55
大洋洲93
南美洲 146
200
中国大陆
100 0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
213 美国 406
欧洲 1000
2007-22020000109-12年-0201N100年A年T微微U藻R藻E能能、源源SC学学I术术EN论论C文文E上统统计发计表5篇微藻能源的2001-2010年微藻能源的学术论文统计（按国家）
。
水环境有利于微藻的光合作用
微藻光合作用温度更恒定的
海洋是地球固定CO2的主要场所
CO
2
海洋面积：3.61亿平方千米 占地球表面：71%
固定全球60%以上的CO2
陆地面积：1.49亿平方千米 占地球表面：29%
固定全球40%的CO2
O2
森林固定 CO2 变成 煤炭； 海洋微藻 固定CO2 变成石油