(5.2)--微藻生活中的新能源.ppt

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1、微藻（微藻（icroalgaeicroalgae）是一类在陆地、海洋分布广泛，营养丰）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，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。前开发的更是微乎其微。绿藻红藻硅藻物种物种已发现数量已发现数量已发现占估计数比例（已发现占估计数比例（%）淡水微藻淡水微藻.10490海洋微藻海洋微藻.71010 微藻（海洋单细胞藻类）是地球上最早的生物物种，微藻（海洋单细胞藻类）是地球上最早的生物

2、物种，已经在地球上生存了已经在地球上生存了3535亿年之久，能在水中进行光合作用亿年之久，能在水中进行光合作用释放出氧气，在释放出氧气，在自然界物质和能量循环自然界物质和能量循环自然界物质和能量循环自然界物质和能量循环中发挥了极其重要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的作用，因此微藻的出现为地球上其他生物的出现奠定了奠定了奠定了奠定了物质和气候基础物质和气候基础物质和气候基础物质和气候基础。生物质生物质+O2CO2 +H2O+光光光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制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造的有机物中所含有的能

3、量与光合作用所吸收的光能的比值光能的比值。光光光光合合合合作作作作用用用用效效效效率率率率高高高高植物：1%1%藻：3.5%3.5%1 1、反应物浓度更高、反应物浓度更高、反应物浓度更高、反应物浓度更高2 2、产物浓度更低、产物浓度更低、产物浓度更低、产物浓度更低1L空气中含有约5.910-4 g CO21L水中含有约1.7gCO21L空气中含有约0.3g O2近近3000倍倍1L水中含有约0.008gO21/403 3、光照几率更多、光照几率更多、光照几率更多、光照几率更多折射折射衍射衍射水水散射散射 由于水对光具有折射由于水对光具有折射、衍射、散射等效应，使得微藻所衍射、散射等效应，使得微

4、藻所有表面都有可能受光照，然有表面都有可能受光照，然而而陆生植物只有向光面才有可能陆生植物只有向光面才有可能受光照。受光照。等量等量等量等量1 g干干物质物质树叶比表面积:10-3 m2微藻比表面积:1.3103 m2 相同质量的微藻比表面积是树叶的相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3101.3106 6倍倍倍倍，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。4 4、比表面积更大、比表面积更大、比表面积更大、比表面积更大微藻光合色素含量占其干微藻光合色素含量占其干重的重的2.5%分布于整个细胞，分布于整个细胞，整个细胞就是一个光合反整个细胞就是一个

5、光合反应器，有利于光合产物的应器，有利于光合产物的合成与转运合成与转运。植物光合色素含量占植物光合色素含量占其干重约其干重约0.05%,分布分布于树叶于树叶、树干等组织树干等组织中细胞的特定部位，中细胞的特定部位，不有利于光合产物的不有利于光合产物的合成与转运合成与转运。微藻光合天线植物光合天线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。5 5 5 5、更高含量的光合作用单位、更高含量的光合作用单位、更高含量的光合作用单位、更高含量的光合作用单位微藻光合作用温度更恒定的微藻光合

6、作用温度更恒定的水环境有利于微藻的光合作用水环境有利于微藻的光合作用微藻通过光合作用生产生物质能源具有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更高的原子经济性产品产品乙醇乙醇乳酸乳酸丁二酸丁二酸生物柴油生物柴油CO2/mol产品产品排放排放1 mol0 mol吸收吸收1 mol吸收吸收mol微生物微生物酵母酵母 乳酸菌乳酸菌 琥珀酸琥珀酸放线杆菌放线杆菌 微藻微藻产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的产相同量的产品，微藻较其他微生物固定更多的CO2藻粉藻粉热值热值相同质量相同质量煤炭煤炭微藻生物质热解所得热值高，平均高达微藻生物质热解所得热值高，平均高达33MJ/kg33MJ/k

7、g，而且微，而且微藻燃烧后没有藻燃烧后没有SOSO2 2等有害气体，使用后排出等有害气体，使用后排出COCO2 2可以被微藻可以被微藻本身所固定，不会增加本身所固定，不会增加COCO2 2的净排放。的净排放。微藻含有丰富的蛋白、色素、维生素、多糖等生物活性物质，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。可直接用作饵料、饲料及其添加剂。乌克兰乌克兰我国我国纯蛋白大豆纯蛋白大豆高质纯牛奶高质纯牛奶三聚氰胺牛奶三聚氰胺牛奶混合饲料混合饲料乌克兰种牛乌克兰种牛造成我国目前牛奶质量不高的主要原因是饲料，微藻蛋白质造成我国目前牛奶质量不高的主要原因是饲料，微藻蛋

8、白质含量为，因此是良好的蛋白替代饲料。含量为，因此是良好的蛋白替代饲料。出路：高蛋白微藻饲料替代出路：高蛋白微藻饲料替代微藻光自养生微藻光自养生长过长过程与其他生物程与其他生物质质相比，具有相比，具有5大大优优点：点：l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1050倍。l油脂面积产率高，单位面积的产油率是其他油料作物的20400倍。l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）l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（0.30

9、.4万元/吨螺旋藻）及及P源成本（0.3万元/吨螺旋藻）l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)l美国：美国：-“水生生物种计划水生生物种计划”（1978-1996），），07年重新启动。年重新启动。-“微型曼哈顿计划微型曼哈顿计划”（2006-2010）-“太阳神计划太阳神计划”（2006）-“JP-8喷气燃料替代品计划喷气燃料替代品计划”（2008）-“微藻生物燃料技术路线图微藻生物燃料技术路线图”（2009）l日本：日本：-“地球研究更新计划技术地球研究更新计划技术”耗资耗资2525亿亿美元美元 -20102010年年 微藻将微藻将COCO2 2

10、转化成燃料乙醇转化成燃料乙醇l英国：英国：-“藻类生物燃料计划藻类生物燃料计划”耗资耗资26002600万英镑万英镑 -2020-2020年年 实现利用藻类生产运输燃料实现利用藻类生产运输燃料微藻生物柴油已经成为当今世界的研究热点微藻生物柴油已经成为当今世界的研究热点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新型微藻光生物反应器系统 微藻航空生物燃料微藻航空生物燃料 生物柴油生物柴油(Bio-diesel)航空生物燃料航空生物燃料(Bio-jet fuel)(Bio-kerosene)据美国据美国NREL的数据估算，利用油藻生产生物柴油替代全美运输燃料的数据估

11、算，利用油藻生产生物柴油替代全美运输燃料仅需仅需少量荒地（约少量荒地（约6000万亩）万亩）。2007年，美国启动了年，美国启动了微型曼哈顿计划微型曼哈顿计划，预，预计到计到2010年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标。年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标。l据英国据英国独立报独立报2010年年6月月10日报日报道，空中客车公司道，空中客车公司“新一代钻石新一代钻石DA42”飞机，用飞机，用100%微藻生物燃料微藻生物燃料作为驱动燃料，在作为驱动燃料，在6月月8日开幕的日开幕的柏柏林国际航空航天林国际航空航天展览会上展览会上完成首飞完成首飞。l首次证明了首次证明了微藻生物燃

12、料微藻生物燃料完全可以完全可以独立独立为飞机的飞行提供燃料为飞机的飞行提供燃料（碳氢化碳氢化合物合物1/8、氮氧化合物、氮氧化合物60%、硫氧化物、硫氧化物1/60）。）。l加速了微藻能源产业化开发进程加速了微藻能源产业化开发进程Powered by 100 percent algae biofuel 微藻生物燃料已成功应用于航空微藻生物燃料已成功应用于航空微藻生物能源技术路线图微藻生物能源技术路线图微藻生物能源技术路线图微藻生物能源技术路线图关键技术关键技术1 1：优质种质资源的选育：优质种质资源的选育1 1、优良藻种的标准和遗传基础？、优良藻种的标准和遗传基础？生长快、适应性强、油脂含量高

13、、高效固生长快、适应性强、油脂含量高、高效固 定定COCO2 2、适合处理污水、易采收、适合处理污水、易采收，如何考虑遗传稳定性？，如何考虑遗传稳定性？2 2、诱变育种或基因工程改造的基础？、诱变育种或基因工程改造的基础？自然种、纯系？基因工程菌性能要求？自然种、纯系？基因工程菌性能要求？日本国际贸易和工业部资助了一项名为日本国际贸易和工业部资助了一项名为“地球研究更新地球研究更新技术计划技术计划”的项目，的项目，耗资近耗资近3 3 亿美元，分离出亿美元，分离出1 1 万多株微万多株微藻藻。19781978年到年到19961996年美国能源部开展了年美国能源部开展了“水生物种计划水生物种计划”

14、（The Aquatic Species Program)The Aquatic Species Program)，在在2020年的时间内从年的时间内从30003000株藻种中选出了大约株藻种中选出了大约300300株的高效产生物柴油藻种株的高效产生物柴油藻种 微藻种类丰富，广泛分布于淡水和海水中，微藻种类丰富，广泛分布于淡水和海水中，全球已经鉴定的微藻大约全球已经鉴定的微藻大约有有60,00060,000种种!而且其而且其数量还在不断增加数量还在不断增加!关键技术关键技术2 2：规模化培养：规模化培养1 1、自养培养的物质和能量转化及环境调控规律，微藻产、自养培养的物质和能量转化及环境调控规

15、律，微藻产/储油机理？储油机理？对高对高密度培养条件的响应，密度培养条件的响应，物理、化学胁迫物理、化学胁迫 2 2、培养条件对微藻生长和繁殖特性的影响及其变化规律？、培养条件对微藻生长和繁殖特性的影响及其变化规律？反应器、跑道池、反应器、跑道池、大池；自养、异养及兼养大池；自养、异养及兼养.关键技术关键技术3 3：采收和综合利用：采收和综合利用1 1、面向规模化的低成本高效率采收？、面向规模化的低成本高效率采收？藻体细胞的理化性质影响，藻体细胞的理化性质影响，低成本，高效采收方法低成本，高效采收方法.2 2、微藻资源的综合利用？、微藻资源的综合利用？藻体多元特性，能源化利用，高值化利用藻体多

16、元特性，能源化利用，高值化利用.3 3、面向规模化应用的系统集成？、面向规模化应用的系统集成？物质、能量衡算，经济效益物质、能量衡算，经济效益,社会效益，环社会效益，环境效益，境效益，全生命周期分析全生命周期分析高成本是目前微藻生物柴油商业化的主要障碍高成本是目前微藻生物柴油商业化的主要障碍降低生产成本是实现微藻生物柴油工业化的关键。降低生产成本是实现微藻生物柴油工业化的关键。成本成本2000020000元元人民币人民币/吨吨售价售价80008000元元人民币人民币/吨吨微藻生物柴油微藻生物柴油柴油柴油 微藻能高效利用光能、微藻能高效利用光能、CO2、废水资源和无机盐类合成蛋白质、脂肪、废水资

17、源和无机盐类合成蛋白质、脂肪、碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质。碳水化合物以及多种高附加值生物活性物质。CO 2藻藻藻藻 体体色色 素素维生素维生素酶酶多聚物多聚物油油 脂脂Benemann et al.1987;Cohen,1999;Skulberg,2000Pulz et al.2001微藻生物能源副产高附加值产品微藻生物能源副产高附加值产品物尽其用，吃干榨尽物尽其用，吃干榨尽p建立了微藻的油脂、蛋白、多糖分析方法p建立了藻体的微藻油脂组成分析方法p对不同的油脂提取方法进行了研究评价微藻的综合利用微藻的综合利用能源化、高值化能源化、高值化某些微藻具有合成生物基高分子材料的能力某些微藻

18、具有合成生物基高分子材料的能力我国塑料包装产量已超过1200万吨，但每年包装的废物利用率仅约20%。换句话说，有将近80%的塑料需要被处理、焚烧，对环境造成严重的污染,同时引起资源日益匮乏，微藻生物基材料具备生物降解和可再生等特性。塑料塑料 无纺布无纺布 聚酯纤维聚酯纤维 包装材料包装材料 生物可降生物可降解材料解材料（PLA,PBS,PHA）地膜地膜 藻种的分离纯化藻种的分离纯化考察取样分离纯化培养藻种1 1、藻种的筛选与保藏、藻种的筛选与保藏计算机辅助筛选模型计算机辅助筛选模型通过计算机辅助通过计算机辅助优选的藻种，生优选的藻种，生物量提高了物量提高了2倍倍2.2.建立面向微藻生物柴油生产

19、藻种综合品质建立面向微藻生物柴油生产藻种综合品质评价方法（整合了评价方法（整合了1717种指标）种指标）藻种品质评价指标非常复杂藻种品质评价指标非常复杂“借助数学的眼睛认识微藻”模糊综合评价方法模糊综合评价方法三株微藻的微藻模糊综合评价结果表在美国的能源部2010年提出的“Algae-to-Biofuel Production Pathways”基础上，制定了产生物柴油微藻藻种评价指标并根据微藻生物柴油开发的各个环节的要求，将评价指标分为三组：产生物柴油微藻的生理、生化指标；产生物柴油微藻的培养工艺指标；产生物柴油微藻的后处理指标。化学条件优化化学条件优化CO2和KNO3的三维空间响应曲面图C

20、O2和KNO3的二维等高线图 优化前优化前藻光密度（生物量）为0.238，优化后优化后藻光密度（生物量）为2.139，生物量提高近近10倍倍。物理条件优化物理条件优化温度和光照的三维空间响应曲面图温度和光照的二维等高线图优化前优化前培养周期25天天，优化后优化后培养周期缩短为10天天，培养周期缩短缩短60%。废水资源化利用废水资源化利用COD降降80%以上以上生物量生物量增加近增加近20倍倍培养前培养前培养后培养后培养后培养后Effects of different ventilation rates on Chlorella vulgar biomassEffects of differen

21、t ventilation rates on Chlorella vulgar lipid content外置光源鼓泡式式光生物反应器外置光源鼓泡式式光生物反应器气升内导管式光生物反应气升内导管式光生物反应内置光源鼓泡式光生物反应内置光源鼓泡式光生物反应增加光合作用效率的方法：p截短光合系统的天线叶绿素等截短光合系统的天线叶绿素等可以使可以使光合效率提高光合效率提高3倍倍p适合的培养环境（例如管式反应器中氧胁迫的适合的培养环境（例如管式反应器中氧胁迫的解解除）除）p增加混合、合理的光暗循环（气体流速、气体分布器的结构增加混合、合理的光暗循环（气体流速、气体分布器的结构与布置调整）与布置调整）p

22、反应器的结构改造、反应器的放置角度调整反应器的结构改造、反应器的放置角度调整新型微藻生态光源新型微藻生态光源光生物反应器实现光生物反应器实现5、新型高效光合反应器的设计开发、新型高效光合反应器的设计开发气体分布器的改良和通气条件的优化气体分布器的改良和通气条件的优化对于微藻规模化制备，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈对于微藻规模化制备，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈本课题组，对金属盐、高分子聚合物、电场和超声絮凝进行了系统的研究本课题组，对金属盐、高分子聚合物、电场和超声絮凝进行了系统的研究金属盐采收效果图金属盐采收效果图聚丙烯酰胺、壳聚糖6、藻体收集技术、藻体收集技术试验号试验号超声功超声功率率(

23、W)间隔间隔时间时间(s)超声超声时间时间(min)温度温度()细胞细胞破碎率破碎率(%)油脂含量油脂含量（）（）11（200）1（5）1（10）1（30）384 C9.120.97 C212（10）2（20）2（50）534 BC12.870.84 ABC313（15）3（30）3（70）657 AB16.221.62 AB42（400）123484 BC11.650.54 BC52231684 AB16.511.31 AB62312357 C8.191.12 C73（600）132800 A19.660.17 A83213434 BC10.671.12 BC93321457 BC10.96

24、2.17 BC1 1、液氮破碎效果最好，细胞破碎率、液氮破碎效果最好，细胞破碎率达达100%100%；破碎时间短，操作简单，；破碎时间短，操作简单，是可以工业化的一种方法。是可以工业化的一种方法。2、酶破碎效果较好，细胞破碎率达酶破碎效果较好，细胞破碎率达90%90%以上；操作简单，是一种潜在工以上；操作简单，是一种潜在工业化方法。业化方法。7、不同细胞破碎方法的比较、不同细胞破碎方法的比较核酮糖-1，5-二磷酸CO2+H2O3-磷酸甘油酸1，3-二磷酸甘油酸甘油醛-3-磷酸关键因子关键因子温度温度光照光照pHCO2关键酶关键酶核核酮酮糖糖-1,5-二二磷磷酸酸羧羧化化酶酶优化优化活化增强光合

25、作用，提高生物量增强光合作用，提高生物量光合作用关键因子优化及关键酶活化后，生物量提高了30%8、关键酶的代谢调控、关键酶的代谢调控二羟丙酮磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰-CoA丙二酸单酰-CoA乙酰-CoA乙酰-ACP丙二酸单酰ACP乙酰合酶乙酰乙酰-ACPD-羟丁酰-ACP，-反式-羟丁酰-ACP丁酰-ACP软脂酰-ACP软脂酸软脂酸乳酸乙醇丙酮酸激酶丙酮酸激酶脂肪酸合酶脂肪酸合酶调控代谢网络，提高油脂含量调控代谢网络，提高油脂含量抑制代谢旁路抑制代谢旁路代谢调控后油脂含量提高了近20%激活激活乙酰乙酰o羧化酶羧化酶8、关键酶的代谢调控、关键酶的代谢调控碳链长比例（%）16：217.8116：040.7320：030.3622：15.4724：25.639、小球藻油脂的、小球藻油脂的GC-MS检测检测小球藻含16-20碳链长的脂肪酸占总脂肪酸的88.9%，是生物柴油的良好原料。良好原料。微藻工业微藻工业废水废水废气废气饲料工业饲料工业能源工业能源工业