1、微藻制取生物柴油研究进展(不出现-固碳)一是稿子主要是讲微藻制生物柴油，建议把固碳局部单独写一个，这个稿子题目中就别出现固碳了。制生物柴油是固碳的重要形式，但固碳不全是制生物柴油。微藻能将二氧化碳转化为生物燃料、食品、饲料和高价值的生物活性物，而且这些光合微生物还可用于生物除污以及作为固氮生物肥料，好比日光驱动的细胞工厂。微藻能够提供不同类型的可再生生物燃料，包括用海藻生物质经厌氧消化后产生的甲烷、从微藻油脂中提取的生物柴油以及直接光生物合成的生物氢气。利用微藻做燃料的设想不自今日始，随着石油价格的节节上涨，这种想法目前越来越受到重视；而燃烧化石能源导致全球变暖给人们带来的新忧虑，使得微藻燃料
2、具有了更重要的意义。一、 微藻来源与功能作用一微藻的来源微藻是指一些微观的单细胞群体，是最低等的、自养的释氧植物。它是低等植物中种类繁多、分布极其广泛的一个类群。无论在海洋、淡水湖泊等水域，或在潮湿的土壤、树干等处，几乎在有光和潮湿的任何地方，微藻都能生存。假设要大规模地利用藻类生物质来制取生物柴油，就必须保证有充分的藻类生物质。目前藻类的来源主要有2个途径，一是收集湖泊、河湾、水库、池塘等富营养化水体中天然生长的大量浮游藻类；二是人工户外养殖制备，这也是获取藻类生物质的最主要和最有效的方法。微藻是一类在水中生长的种类繁多且分布极其广泛的低等植物，它是由阳光驱动的细胞工厂，通过微藻细胞高效的光
3、合作用，吸收CO2，将光能转化为脂肪或淀粉等化合物的化学能， 并放出O2。微藻是光合效率最高的原始植物，也是自然界中生长最为迅速的一种低等植物，而且某些微藻可以生长在高盐、高碱环境的水体中，可充分利用滩涂、盐碱地、沙漠进行大规模培养，也可利用海水、盐碱水、工业废水等非农用水进行培养，还可以利用工业废气中的CO2。因此，微藻生物柴油成为了潜在的能源研究热点。二微藻制备生物柴油的优势1微藻可以实现二氧化碳的减排随着石油、天然气和煤炭大量的消耗和使用，许多城市的空气质量状况较差，严重威胁着城市的开展和人们的健康。二氧化碳的大量积聚，引起温室效应，导致全球气候变暖。世界各国政府对此均十分重视，纷纷准备
4、制订强制性的标准与标准限制二氧化碳的排放。按照京都议定书规定，各个国家之间可以互相购置排放指标，也可以以增加森林面积吸收二氧化碳的方式按一定计算方法抵消，种植项目本身就是排放指标，如壳牌等国际炼油巨头每年都要在世界各地购置指标。微藻通过光合作用固定空气中的二氧化碳，每增加一吨微藻生物质，就相当于排放两吨化石能源释放的温室气体。微藻在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零；由微藻制造的生物柴油更能适应国内外对二氧化碳减排的要求，与普通柴油相比，微藻生物柴油可减少约90%的空气毒性。它含硫量低，二氧化硫和硫化物的排放比普通柴油少30%；含氧量高，可达1
5、1%；点火性能好，燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与普通柴油相比少10%。另外生物柴油不含导致环境污染的芳香族烷烃，废气对人体的损害也要远远低于普通柴油。2微藻在地球上分布广泛，适应各种生存环境包括终年被冰雪覆盖的南北两极，pH极高或很低的湖泊水潭、盐碱沼泽甚至盐度饱和卤水，在大洋深处、高山之巅以及火山口、地热温泉、干旱沙漠等对生命过程极为不利的极端环境中都有微藻繁衍生息。我国几乎所有木本油料植物都集中生长在南方亚热带地区，微藻完全不受此限制。3微藻养殖不需要占用耕地目前生物能源的来源都是现有的陆生植物甚至粮食作物，而实际上，广阔的海洋才是地球上吸收太阳能的主要区域，而且利用陆生植物甚至粮食作物制
6、取生物能源，需要与人类或者动物分粮食，这显然不是一个合理的长远途径。联合国粮农组织2023年年底的一份报告说，受油价上涨导致大量粮食被转变为生物燃料等因素的影响，世界正在经历前所未有的粮食危机。有联合国官员认为，使用粮食生产燃料是一项“反人类的罪行。4微藻的生长速度远远高于其它油料作物比方产油较高的木本植物麻疯树，须3年挂果投产，5年方进入盛果期，每年仅在十月份产果一次。而微藻在正常生长时其生物量每24小时便可翻倍，在指数生长期，倍增时间甚至可以缩短至3.5小时。二、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
7、量藻种，在光生物反响器中吸收阳光、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。技术流程如以下列图1。生物燃气微藻的筛选和培育光、CO2水、营养微藻生物质生产微藻生物质的采收微藻生物质的提取动物饲料其他产品厌氧发酵微藻油生物柴油营养+废水营养+废水图1微藻生物柴油开发技术流程一微藻的筛选和培育 优良富油藻种的选育是微藻生物柴油效率提高与本钱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
8、生物柴油技术可行的必要条件。目前，葡萄藻(Botryococcus braunii)、裂殖壶藻(Schizochytrium sp)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卑微藻生物柴油开发本钱的必然要求，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根本条件，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CO2TxCPgUdChloro
9、coccum littorale4030-Chlorella kessleri18300.087Chlorella sp.UK0011535N/AChlorella vulgaris15N/AChlorella vulgaris空气250.040Chlorella vulgaris空气250.024Chlorella sp4042-Dunaliella3270.17Haematococcus pluvialisl6-34200.076Scenedesmus obliquus空气-0.009Scenedesmus obliquus空气-0.016Botryococcus braunii-25-3
10、01.1Scenedesmus obliquuS18300.14Spirulina sp12300.22目前，已有较多的研究者对微藻生长条件进行了研究，局部微藻分别在耐受的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本钱的必要措施。二光生物反响器的研究 光生物反响器是指用于微藻培养的一类装置，与一般的生物反响器具有相似的结构，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响器(表3)。表3
11、各种光反响器的优缺点光生物反响器优点缺点跑道池(Raceway pond)本钱相对较低、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、光抑制和光氧化少外表照射面积少、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、本钱相对较低、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
12、养、相对高产、本钱相对较低pH梯度、管内溶解氧和CO2、污垢、一定程度的壁生长、需大量土地空间从本钱的角度看，由于封闭管式光生物反响器在单位区域的利用面积、生物质浓度(如果浓度过低，采收本钱会大幅升高)都比跑道池式生物反响器高出至少一个数量级，因此在当前的微藻生物柴油本钱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， 以使反响器的光源充足。然而，封闭管式反响器造价高，并且在应用中也存在受pH值限制等缺点。尽管各种反响器类型不同，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 attenu
13、ation model)和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)可用于评估光生物反响器的设计，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。在反响器的物理设计中， 为最大限度地利用阳光，封闭管的方向往往是南一北方向，且反响器所处地面往往涂成白色，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，而反响器每隔一段那么设排气区以抑制反响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。三微藻生物质采收、加工与转化技术微藻生物质
14、通过加工提炼与转化才能得到所需要的生物柴油，其本钱可占约总本钱的50。目前，已经研究的技术仍未很好地解决采收本钱过高的难题，因此，开展新的采收方法是未来研究开展的必由之路。由于藻油提取也需大量耗能，不经过机械压榨或枯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别离却效果明显。提取过程那么可以考虑流动反响器甲酯化一酯交换反响一别离一体化工艺，或联合微藻采收实现细胞破碎一甲酯化一酯交换反响一别
15、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。除了生物柴油外， 动物饲料、其他化学产品等的生产是提高微藻生物柴油反响系统的必要增值手段，这些增值生产的技术研究也成为了缩小微藻生物柴油与石化柴油的本钱差距的重要手段。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)Botryococcus braunii(含油量25%-75%)；(2)Chlorella sp(含油量28%-32%)；(3)Crypthecodinium cohnii(