微藻生物能源1.0

L/O/G/O微藻生物质能源制作人：吴思源杨朝君主讲：吴思源目录微藻概述1植物及生物学特性2生产工艺3发展历程45发展方向6现状及面临问题7优势微藻概述•藻类是原生生物界一类真核生物(有些也为原核生物）。主要水生，无维管束，能进行光合作用。体型大小各异，小至长1微米的单细胞的鞭毛藻，大至长达60公尺的大型褐藻。藻类没有真正的根、茎、叶，也没有维管束。•藻类个体大小悬殊，其中，只有在显微镜下才能分辨其形态的微小藻类类群被人们称为微藻（microalgae），故此微藻不是一个分类学上的名称。植物及生物学特性作为地球上最古老的初级生产者之一，微藻光合速率高、繁殖快、适应环境性强。微藻具有油脂高、生长快、可固碳以及净化水质等绝对优势，相比起玉米、大豆和油菜，微藻培育占地少、生长周期短，从出生到可以制油只需两周，而油料作物一般要几个月。此外，微藻的含油量大概是大豆的10倍，是油菜子、花生的7-8倍。微藻能源的优势适应力强生长要求简单单位占地面积的收获量大生长迅速后处理简单单位占地面积的收获量大如果用高等植物来制造生物柴油燃料的话，大豆为17GJ，油菜籽为46GJ，油棕榈为230GJ，因此藻类可达到这些作物的3～40倍。另外，在生物乙醇的原料中，玉米为64GJ，甘蔗为141GJ，而改用藻类的话，则可达到5～10倍。通过藻类能够获取大量能源的原因在于其生物效率较高。微细绿藻的细胞大小为5μm，是一种小型、单细胞、无干无枝无根的藻类而葡萄藻是一种以群簇形式存在、藻体大小为30～500μm的藻类。这两种藻类均浮游于水中，无需生成用于支撑自已的构造物，因此不耗费能源。通过光合作用生长繁殖，生存方式十分简单。后处理简单利用高等植物生产生物质燃料时需要进行复杂的工序。通过高等植物制造出的燃料为淀粉、油脂及纤维素等多种物质。但是，除了油脂之外，其他物质都不能直接形成燃料，需要进行发酵等处理制成乙醇，工序颇为复杂这一过程不仅会使获得的能源有所减少，而且还要投入设备成本。后处理简单而藻类可直接生成油脂。如采用直接液化技术,原料无需烘干和粉碎等高耗能预处理过程,且能产生更优质的生物油。适应力强生长要求简单1、环境适应能力强、生长要求简单、营养需求低。可直接转化利用CO2、无机盐和有机废水等；2、培养微藻不占用耕地。可利用海滩、盐碱地和荒漠等土地进行大规模培养。可利用海水盐碱水、荒漠地区地下水和有机废水进行培养。生长迅速大多微藻生长极其迅速，一般能在24h内使自身生物量加倍，而在指数生长期内生物量倍增时间竟能缩短至3.5h。藻类生长周期很短，一般2~5d便可完成一个世代，并且可终年生长。因此，可以每天收获，为生物柴油的生产提供了连续的原料供应。生产工艺养殖设施养殖设施---管道型管式光反应器是利用透明的管道,借助外部光照条件进行工厂化藻类培养。后来发为垂直管式、倾斜可调管式水平管式等多种形式。水平管式采用泵循环气升循环等方式混合,多数采用自然光,有的采用人工光源。培养液溶氧蓄积与闭路管道中内温过高、藻细胞在窄管系统循环不畅、受光不均等问题在一定程度上限制了该系统大规模应用。反应器内壁清洗如不定期清洗和去除会逐步影响反应器的透光性，使海藻光合作用降低。另外，透明的聚乙烯管比较脆弱玻璃钢管的成本较高也是一个限制因素。养殖设施---面板型板式光生物反应器主要是由透明的玻璃或有机玻璃板制成,可以根据太阳光强度及入射方向的变化,调节最适的采光方向,增大透光率,通过调节不同的反应器厚度维持短的光通路,保证有效液层充分受光。混合强度也可调节,易实现高密度培养。反应器采用太阳光或卤素灯,光强通过调节光源与反应器的距离或光辐射入射方向加以控制,反应器内混合系统有气升式混合、底部鼓泡混合或机械搅拌。养殖设施---跑道式建造环形跑道式水池，通过桨片使水循环的跑道型跑道型为开放式，其余两种为封装式。开放式近似“农业”，初期成本较低，但无法避免杂草生长及虫害。而封闭式与“工厂”接近，初期成本较高，但却能够与外界隔绝。从产量来看，面板型最多。但面板型在运转时所需要的能源也最多。由于要通过从下方通气进行搅拌来防止细胞下沉，因此搅拌动力必须要很大。而管道型则存在清洗麻烦的问题。生产工艺---产物收集微细绿藻具有在氮元素（N）不足的环境中会大量形成油脂的特点。可形成约为干燥重量30％的油脂。由于生成油脂时微细绿藻的生长、繁殖也会停止。因此，实际上要分为充分供给氮元素使其生长、繁殖的阶段，以及停止氮元素的供给使其生成油脂的阶段。而葡萄藻则具有可在自已细胞的外侧生成油脂的特点。在“收获”油脂时可将油脂与细胞分离，只提取油脂。可获得为干燥重量20～75％的油脂。而且，分离后的细胞还可复原，循环使用，继续生成油脂。生产工艺---提取生产工艺---加工主要运用快速热解液化和直接液化两种热化学转化技术进行以微藻为原料制备生物油快速热解生产过程在常压下进行，工艺简单、成本低、反应迅速、燃料油收率高、装置容易大型化，是目前最具开发潜力的生物质液化技术之一。但快速热解需要对原料进行干燥和粉碎等预处理，微藻含水率极高，会消耗大量的能量，使快速热解技术在以微藻为原料制备生物油方面受到限制。它是在隔绝空气条件下，采用超高加热速率(102~104K/s)、超短产物停留时间(0.2~3s)及适中的裂解温度，使生物质中的有机高聚物分子迅速断裂为短链分子，使焦炭和产物气降到最低限度，从而最大限度获得高产量的生物油的工艺技术。生产工艺---加工生物质直接液化又称加压液化，生物质在有合适催化剂、介质存在下，在反应温度200~400℃、反应压力5~25MPa、反应时间为2min至数小时条件下进行液化。生产工艺---加工直接液化需要通入高压气体，使用溶剂，对设备有一定要求，成本较高等缺点使其应用受到一定限制。但对于含水率高的藻类生物质，使用直接液化技术不需要进行脱水和粉碎等高耗能步骤，反应条件比快速热解要温和，且湿藻的水能提供加氢裂解反应所需的·H，有利于液化反应的发生和短链烃的产生，与快速热解相比能够获得高产率、高热值、黏度相对较小、稳定性更好的生物油。因此，直接液化将会是微藻热化学转化制备生物油发展的主流方向，极具工业化前景。生产工艺---产品藻体的利用技术与最终产品转化程序最终产品萃取及转酯化生质柴油发酵酒精/丁醇厌氧发酵甲烷(沼气)气化合成合成气/绿色柴油干燥蛋白质高价化学品发展历程国外的微藻制油技术研发曾经历起伏。受第一次石油危机的影响，美国于1978年启动了耗资2500万美元的水生物种项目，旨在利用微藻生产生物柴油。科研人员筛选出300余株产油藻种，重点开发适于微藻生物柴油生产的培养系统和制备工艺。上世纪90年代，日本国际贸易和工业部也曾资助一项“地球研究更新技术计划”。该项目着力开发密闭光合生物反应器技术，利用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，10年间共投资约25亿美元。筛选出多株耐受高二氧化碳浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案。但由于90年代后期油价大幅降低，而微藻制油的关键技术未获突破，成本过高，相关技术研究处于停滞状态。发展历程进入21世纪，石油价格一度大幅上扬，人们对未来化石能源供应短缺普遍感到担忧，再加上“使用化石能源导致全球气候变暖”的普遍认知，微藻能源技术重新受到高度关注，多国政府、研究机构、高校与大公司等都纷纷投入巨资，以期占领战略制高点和实现技术垄断。2007年10月，国际能源公司宣布开发微藻生物燃料技术。同年12月，Shell公司宣布与HRBiopetroleum公司组建Cellena公司，投资70亿美元在夏威夷开展微藻生物柴油技术研究。美国第二大石油公司Chevron则于当年底宣布，与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。荷兰AlgaeLink公司也于当年宣布开发成功新型微藻光生物反应器系统，开始向全球销售其反应器，并提供技术支持。2008年，英国碳基金公司启动项目，计划耗资2600万英镑于2020年前实现利用藻类生产运输燃料。奥巴马政府上台后，美国启动了绿色能源拉动经济增长的新计划，20亿美元的投入中有12亿美元用于微藻生物能源技术研发。现状及面临问题我国在藻种筛选、生理生态学等上游工作方面已有较多积累，如中科院水生生物所、中国海洋大学都建立了相当规模的海水、淡水藻种资源库，拥有一批具有自主知识产权的产油藻株。但对工业化藻株的筛选改造和评价还不够深入。此外，中石油、中石化、新奥燃气集团等企业也进入微藻生物能源技术领域。如新奥集团建成了国内规模最大的11000升多层管道式立体培养反应器。现状及面临问题大规模微藻生物质资源获得困难和微藻生物能源产品成本过高是目前微藻生物能源技术面临的两大瓶颈。以目前的技术进行产业化，存在大规模培养占地面积过大、基础建设投资过高、加工过程能耗物耗过大的问题。微藻制油技术“前途光明，道路曲折”。虽然微藻用于生产生物燃料的优势明显，但微藻生物燃料技术链是一个复杂的系统工程，涉及多个科学与工程技术问题。发展方向首先，要强化优质藻种选育技术的研究，通过现代生物技术，获得和构建能够适应工业化大规模应用、高光效、高油脂产率和高抗逆的工程微藻株系。其次，要特别加强微藻规模培养工艺与装备技术开发。目前，微藻的规模培养远未能充分发挥其速生高产的优势。因此需要发展高效低成本可规模化的微藻培养创新技术体系，建立和发展废水和燃厂废气CO2利用的微藻生态养殖技术，大幅度提高单位面积微藻生物产率、降低物能消耗，从根本上解决培养占地和成本瓶颈。第三要，研究开发高效低能耗的微藻加工转化的工艺、关键技术与装备，形成和建立以微藻生物柴油、航空煤油等为核心能源产品，以微藻生物质全组分多元化利用为特色的微藻生物炼制技术体系。发展方向而且特别重要的是，微藻制油具有二氧化碳减排效应。理论上计算，每生产培养1吨微藻，可以捕获1.83吨二氧化碳。一些学者甚至认为微藻是解决能源与环境问题的终极出路，微藻能源产业被认为是集能源生产、固碳减排与农业发展三位一体的战略性新兴产业。L/O/G/O谢谢观看!