产油微藻简介.doc

利用微藻生产能源的概念开始于上世纪中后叶，经过几十年间众多政府部门，科研组织，企业和学者们的努力，目前已经逐步走上了规模化的应用。最近的两三年内，众多的政府和企业开始关注这个产业，并有相当部分大型的能源企业投入了正式的实施。虽然目前面临着许多需要解决的问题，高昂的微藻生产和能源转化的成本，使微藻能源尚不能完全的普及开来。但是考虑到有限的化石能源储量和能源消耗的日益增长，石油、煤、天然气等能源都有消耗殆尽的一天；加之日益严重的全球环境问题，寻找新能源和可再生能源的问题已经面临到人类的面前。利用太阳能、风能、潮汐能、地热等发电受地域或其他条件的限制限制较大，而且目前还存在着众多非电力驱动的机械，如果要彻底的改变人类能源利用的方式和结构，需要相当相当长的一个时期来改变。而利用微藻来生产生物燃料在目前来看是最好的选择之一，前文已经对此进行了简单的阐述，下表为利用不同生物生产生物柴油的比较。Comparison of some sources of biodieselCrop Oil yield (L/ha) Land area needed (M ha) a CornSoybeanCanolaJatrophaCoconutOil PalmMicroalgae b Microalgae c 172446 1190 1892 2689 5950 136,900 58,700 1540 594 223 140 99 45 2 4.5 a For meeting 50% of all transport fuel needs of the United States.b 70% oil (by wt) in biomass.c 30% oil (by wt) in biomass.微藻能提供多种形式的生物燃料，包括利用微藻藻体发酵生产甲烷(Spolaore et al.,2006)；利用微藻中的脂肪酸生产生物柴油(Roessler et al., 1994; Sawayama et al., 1995; Dunahay et al., 1996; Sheehan et al., 1998; Banerjee et al., 2002; Gavrilescu and Chisti, 2005)。以及利用微藻的光合作用来产氢气 (Ghirardi et al., 2000; Akkerman et al., 2002; Melis, 2002; Fedorov et al., 2005; Kapdan and Kargi, 2006)。将微藻用于能源生产已经不是新鲜的话题(Chisti, 198081; Nagle and Lemke, 1990; Sawayama et al., 1995)，而直到目前才正式的得以商业化开展，以生产能源，并解决因化石燃料而产生的温室效应(Gavrilescu and Chisti, 2005)。在以上的这些选择中，利用微藻生产氢气是一个长远的目标，根据专家的估计，该项技术的突破还需要多年的努力。而甲烷包括酒精的应用范围不如生物柴油的范围广阔，生物柴油几乎可以直接的应用到目前大多数的内燃机。因此，生物柴油是现阶段最值得发展的对象。目前的生物柴油主要是用植物或动物油脂生产的，而利用微藻生产生物柴油刚刚开始(Belarbi et al.,2000)。生物柴油的生产技术研究开展了已经有50多年(Knothe et al., 1997; Fukuda et al., 2001; Barnwal and Sharma, 2005; Demirbas, 2005; Van Gerpen, 2005; Felizardo et al., 2006; Kulkarni and Dalai, 2006; Meher et al., 2006)，主要的生物柴油原料有大豆油，菜籽油，动物脂肪，棕榈油，玉米油，烹饪废油和麻疯树油(Felizardo et al., 2006; Kulkarni and Dalai, 2006; Barnwal and Sharma, 2005)。与这些作物相比，微藻的产油能力要高10100倍（表Chisti，2007）。中国2007年柴油汽油产量大约是：柴油：12400万吨14762107升3900107加仑汽油：5900万吨7973107升2100107加仑汽油机效率比柴油机低35，在这里把汽油换算成柴油（假设所有汽油机都被柴油机代替）折算成柴油：3902100.65=526108加仑生物柴油效率较正常柴油，效率要低一点，一般的换算加2个百分点。生物柴油：5261.02=537108加仑170109公斤根据NREL的微藻产油能力：1英亩/年15000加仑（Sheehan et al., 1998）。中国需要2150万亩（1.4万平方公里）的微藻养殖面积，就可以满足全年的汽油和柴油需求量。按照美国2004年在Salton Sea（in the Sonora desert）的数据，建场投资：40,000/公顷，则1.4万平方公里的建设资金是560亿美元。即使按产油量1英亩/年5000加仑，建造价格翻倍计算，实现上述目标总投入是3360亿美元。运营成本同样按照美国Salton Sea的数据：12,000 /公顷在1英亩/年5000加仑的情况下，是504亿美元。而我国2007年进口原油近2亿吨，日耗800万桶，其中一般为进口。即使按每桶100美元的价格计算，每年进口原油需要约1500亿美元。而目前国际油价处于日益攀升的现状。微藻养殖可以不占用耕地、森林和草原，可以在盐碱地、荒漠上进行，我国盐碱地总面积9913万公顷100万平方公里，荒漠面积占我国国土面积30以上（2007年，国土资源部），因此在我国开展能源微藻的产业，既迎合国家发展战略的需要，是未来能源发展的必然，同时也存在众多的便利优势，可大为之。虽然大豆，油菜籽等作物的普遍含油量要比微藻要高，但这些高含油的部位（多为种子）只是整个作物的部分，还有大量的其他部位含油极少。而微藻无根、茎、叶之分，整个藻体都是可利用的生物量。微藻生物量的倍增时间一般是24h，在指数生长期，可缩短到3.5小时。微藻含油量最高可接近干重的80(Metting, 1996; Spolaore et al., 2006)。多数微藻的含油量在2050之间（表）。生物柴油的产率取决于微藻含油量的高低和生物量的大小，因此我们渴望获得含油高生长快的微藻藻种。微藻的中的燃油物质，包括油脂、烃和其他一些复杂脂类，具体的含量因藻种而异(Banerjee et al., 2002; Metzger and Largeau, 2005; Guschina and Harwood, 2006)。并非所有的微藻油脂都可作为生物柴油，但其中总有合适的成分可供选择。Oil content of some microalgae Microalga Oil content (% dry wt) Botryococcus braunii 2575 Chlorella sp. 2832 Crypthecodinium cohnii 20 Cylindrotheca sp. 1637 Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp. 2533 Monallanthus salina 20Nannochloris sp. 2035 Nannochloropsis sp. 3168 Neochloris oleoabundans 3554 Nitzschia sp. 4547 Phaeodactylum tricornutum 2030 Schizochytrium sp. 5077 Tetraselmis sueica 1523 NREL. ASP 中实验的各藻类的含脂量（下表）。利用异养方式培养微生物也能用来生产生物柴油(Ratledge 1993; Ratledge and Wynn, 2002)，但是异养生产的效率远不如光合自养。异养需要的碳源或其他物质依然要求来来自光合自养产生的生物量，通常是来自农作物，因此从经济的角度出发，异养只有可能成为一个小补充，而不会是能源微藻生产的主流。作为生物柴油的一个补充，利用微藻发酵生产酒精是一个较好的选择，优点如下：（1）油脂在藻中的含量最高到70左右，而酒精发酵需要的原料淀粉、纤维素、糖在许多藻中的含量要高于这个比例；（2）微藻中提炼油脂需要干燥的过程，这个过程耗费大量的能量，而酒精发酵不需要；（3）提炼油脂的方法较复杂；（4）酒精发酵产生的二氧化碳可回收继续在微藻养殖中使用；（5发酵产生的热量也可以在低温情况下维持微藻生产所需的温度。但生物酒精无法完全替代生物柴油（Chisti. 2007b），同等体积的酒精的能量只有生物柴油的64，酒精也无法完全的适用在目前使用的大多数内燃机。微藻的生产成本通常要大于普通农作物的生产，光合自养生产需要光、二氧化碳、水和无机盐，温度一般要求维持在2030C。为了降低成本，能源微藻的生产必须依靠太阳光，尽管日常光强会随天气和季节变化。微藻生长的培养基需要补充无机盐以维持微藻的增殖，包括氮、磷、铁和其他一些微量元素。微藻的最小能量需求可以更具微藻中元素构成来估算，根据Grobbelaar(2004)的数值为CO0.48H1.83N0.11P0.01。在微藻养殖中，因为加入的磷通常是和金属化合的磷酸盐形式，并非所有添加的磷都能被微藻所利用，因此必须加入过量的磷，以满足微藻生长的需要。海水中添加如氮、磷和其他一些微量元素即可作为海洋微藻的培养基(Molina Grima et al., 1999)，成本相对比较低廉。微藻中的含碳量大约在干重的50左右(Snchez Mirn et al., 2003)，所有的碳元素都来自二氧化碳。生产100吨的干藻粉，大约需要183吨二氧化碳。在光照培养期间，二氧化碳需不停的补充，二氧化碳在水中的溶解度与温度和pH值有关，因此在补充二氧化碳时须观察pH和温度的变化情况。能源微藻的养殖可以利用来自煤炭、石油等化石燃料燃烧产生的二氧化碳(Sawayama et al., 1995; Yun et al., 1997)，这些二氧化碳使用通常是免费或者耗费低廉。虽然微藻固定二氧化碳不能完全的将二氧化碳消除，但作为化石燃料燃烧排放的二氧化碳收集者，可以减少二氧化碳向大气的直接排放。大规模的微藻养殖，一般采用连续培养的方式，新鲜的培养基不断的添加，藻液不断的回收，在夜间，培养基不再添加，但搅拌必须持续不断防治藻液沉淀(Molina Grima et al., 1999)，因为呼吸作用的缘故，大约有25的生物量在夜间损失，损失的幅度取决于生长的光强，生长的温度和夜间的温度。