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藻类利用研究现状

发布日期:2016-9-28      浏览量:283  

利用藻类新思路
一.国际环境能源现状
随着工商业的繁荣于物质文明的高度发展,人类正面临着巨大的能源与环境压力。然而自然资源终有耗尽的一天。根据美国能源部能源资讯署预估,在各项初级能源中,石油可用40年,一般天然气可用60年,煤炭可用两百年,原子能的铀可用七十多年。因此,寻找替代燃料及再生能源乃成为目前的當当务之急。同時,近几年来由于二氧化碳的排放量日渐增加,导致温室效应的产生造成全球暖化的现象。为了防止温室气体不断的增加,世界各国于1997年签订了京都议定书,规范各国合理的温室气体排放量。而全球二氧化碳的排放来源主要是来自于使用石化能源所产生,因此为了要减缓温室效应的产生,势必要減少不可再生的石化能源之使用。目前欧、美等发达国家正积极的研发生物能源(biomass for energy)当中的能源作物之运用,期待以可再生的能源作物取代石化能源的使用,以減少二氧化碳的排放。
为了开发自产能源、洁净能源并达到「能源多元化」的目标,现在许多国家开始积极推动水力、风力、太阳能及生物能等再生能源。
由生物能源生产液体燃料已引起广泛的关注。生物液体燃料主要包括乙醇、裂解油、植物油等,可以作为清洁燃料直接代替汽油等石油燃料。乙醇除可用于医药、化工,亦是重要再生能源之一,具有燃烧完全、效率高、无污染等特点。近二十年来,巴西一直利用其丰富的甘蔗资源大力发展乙醇燃料。巴西在1970年代中期,为了摆脱对进口石油的过度依赖,实施了世界上規模最大的乙醇开发计划。到 1991年,乙醇产量达到 130亿升,在 980万辆汽车中,近400万辆为纯乙醇汽车,其余大部分使用20%的乙醇/汽油混合燃料。美国能源部早在1978年就制订生物能源燃料计划,包括原料预处理、发酵及制程研究,主要目标之一即是乙醇燃料。建立了年产2500吨乙醇燃料的示示范厂,近年来,美国农业部林产品研究所、北卡罗来纳州立大学、纽约大学等都在进行这方面的研究。最近,美国能源部还支持了一个投资巨大的纤维素乙醇产业化研究专案,旨在利用木材、稻草、玉米桿等继续农业废弃物生产燃料乙醇,其中仅发展高效纤维素水解酶技术的公司就获得能源部的3200万美元的拨款资助。1980年以来,日本通产省化学技术研究所、高崎原子能所、大阪工业技术实验所、协和发酵工业(株)、日立制作所、京都大学等均正多方面进行生物能源的开发研究。
地球上的生物资源极为丰富,据估计,地球每年经光合作用产生的生物大约有1725亿吨。作为一种可再生的能源资源,这些生物拥有的能量相当于世界能源总消费量的10-20倍,但目前利用率很低,只有1%-3%。
二.藻类简述
2.1藻类光合作用
每年地球上约有750亿吨碳原子通过光合作用,从CO2转移到有机分子中。大气中的氧都是来自光合作用的,主要是来自辽阔海洋表层的浮游藻类和陆地森林所进行的光合作用的。植物的光合作用提供了氧气。海洋中发生的光合作用占据了全球总量的半壁江山,而这当中绝大多数又是浮游藻类来完成的。过去以蓝藻为主要对象的研究,到90年代扩展到绿藻、红藻、硅藻等。 ----- 蓝藻,蓝藻又被称为蓝细菌,是海洋中最常见的一种细菌,一毫升海水中蓝藻细胞的数量就超过了100万个。这种单细胞生物没有叶绿体,仅有十分简单的光合作用结构装置,却能像高等植物一样进行光合作用。蓝藻负责了海洋中将近一半,也就是全球四分之一的光合作用,随着全球变暖趋势的日益明显,蓝藻的作用也越来越引人注目。蓝藻病毒(也叫噬菌体)也走进了研究人员的视野。虽然海洋中存在着无数蓝藻,而且也有数目更多的蓝藻噬菌体,可是蓝藻并没有“全军覆没”,噬菌体和寄主总会维持在一个平衡状态,使得自己的后代不断传播下去。
2.2藻类危害
藻类为什么会给人类\环境带来危害? 有些藻类对我们的危害不小,其中著名的是水华与赤潮。水华是淡水中的一些藻类,如有几种蓝藻、衣藻、裸藻等。因水中某种矿物质或有机物丰富,引起这些藻类大量繁生,在水面上出现不同色彩的现象叫水华,它可使水变质有毒,鱼类因中毒或缺氧而窒息死去。赤潮是海水中某些藻类或浮游生物大量繁生,使海水变质产生红色或黄色,这叫赤潮。赤潮往往使水中大量鱼类、藻类等中毒死亡,造成很大危害。 藻类能制造有机物,为生物提供氧气,为什么还会给人类环境带来危害 首先要纠正的是藻类不只是进行光和作用,还有呼吸作用。水中的藻类如果过于富积会消耗掉水中相当大一部分的氧气,水中溶氧量减少,导致水中其他生物死亡。有的藻类死亡后还会分解出有毒物质,对水质造成相当大的破坏。
三.藻类利用
螺旋藻是著名的保健食品,它是蓝藻,与著名的太湖蓝藻、滇池蓝藻是一类。
藻类及其萃取物除了传统上作为食用、药用之外,亦具有其他优点:在大陆棚大量栽植海藻形成人工鱼礁亦有利于海洋渔业之持续发展。藻类(大型海藻及微藻)亦可加工成有机肥和饲料,促进农业和畜牧业发展。未来利用藻类取得各种精细化工品、海洋生物活性物质和海洋天然药物等。同时可以改善沿海农村就业结构,增加就业。
藻类植物作为一种生物燃料原料的优点已被认识。生物燃料的开发中,酒精因为具有安全、廉廉与低污染性等特质,因此为可能的替代性能源之一。目前酒精发酵的来源主要以糖蜜发酵为主,大型藻类的多醣体直接转化成酒精以及抽取微藻油脂作为生物柴油,均可能是更为经济的途径。据报导,每公顷玉米每年只产18加仑生物柴油,棕榈树仅达700-800加仑。每公顷开放式池塘藻类每年可生产20000加仑柴油,而新的封闭循环“生物反应器”系统可以实现更高的生产效率。另外,不同种藻类植物中存在的特殊碳元素结构可以允许“开发设计柴油”,以满足多种特殊的用途。当藻类植物油被提取后,其残余物还用来生产纤维素酒精和作为动物饲料。
我们有很多的池塘和沼泽地,种植藻类植物在我国应该不难。另外,如能通过转基因提高其产油得率,其作为生产生物柴油原料的前景自不必可说。至于政策方面,只要不与粮食争土地,国家支持应该可行。可耕作农田面积不断減少,天然石化资源逐渐枯竭,开发藻类资源目前已成为全世界瞩目的焦点。开发利用“藻类生物能源”是解決我国能源资源短缺的重要途径之一,亦可促进我海洋农业于渔业及工业经济与环境保护的协调发展。
3.1微藻的研究
作为一种重要的可再生资源,藻类具有分布广泛、生物量大、光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、单位土地产率极高、产量高等突出特点,藻类尤其是微型藻类的进一步开发利用,将提供新的资源来源。微藻作为能源原料的潜力巨大,其细胞中含独特的初级或次级代谢产物,化学成分复杂,太阳能转化效率可达到3.5%,是生产药品、精细化学品和新型燃料的潜在资源。从微藻中得到的脂肪酸可转化成脂肪酸甲酯,即生物柴油;在沸石催化剂的作用下,微藻通过热化学转化可生产出汽油型燃料;生长在海水中的绿藻,能积累大量游离的甘油以平衡环境中的盐浓度,其甘油的含量可占自身干重的85%。
目前科研人员已逐步认识到,微藻作为生物能源,具有多方面的开发价值:繁殖快且所需养分不多,主要是阳光、水和CO2,不会与农牧业争地;相对于其他植物,藻类含有较高的脂类、可溶性多糖等,可以用来生产生物柴油或乙醇,还可望成为生产氢气的一条新途径;同木质纤维素材料相比,藻类的光合作用效率比树木高;易被粉碎和干燥,预处理成本较低;热解所得生物质燃油热值高,平均高达33MJ/kg,是木材或农作物秸秆的1.6倍;利用光合作用生长繁殖,捕获废气中的CO2,可起到保护环境的作用。
基于其独特的优点,微藻可用于脱除烟气中的CO2,不过目前尚无工业应用的报道。该领域的研究主要集中在三个方面:一是高效固定CO2的藻种筛选和培养,目前适宜的藻种是蓝藻和绿藻,特别是绿藻中的小球藻;二是微藻固定CO2机理探索,研究重点是了解无机碳的利用形式、CO2浓缩机理以及高浓度CO2对微藻生长的影响;三是微藻培养条件的研究,探索营养、光照、温度、pH值和通气条件等因素的优化,以满足微藻生长的需要,是降低微藻生产成本的有效途径。
将微藻作为能源资源作物进行开发,主要是用于生产乙醇、生物柴油、燃料油或制氢等。在这一领域,美国已开发出利用一种自由漂浮的单细胞微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利,目前还没有工业应用;日本两家公司联合开发出利用微藻将CO2转换成燃料乙醇的新技术,计划在2010年研制出有关设备;采用催化热解技术,已可以将微藻转化成高芳烃含量、高辛烷值的燃料油,新兴的液化法热解技术更是有效地降低了该过程的成本。此外,培养微藻制氢的商业化前景看好,但要使阳光转化为氢气的效率达10%才有经济性,目前仅为0.1%,还有一系列技术问题需要解决。
利用藻类生产燃料的研究,无论从环保还是能源角度,都具有重要的意义。2007太湖区域蓝藻的大面积爆发,使人们开始思考蓝藻的治理和利用问题,而将藻类转化成燃料油或许是太湖蓝藻变害为宝的良方,但要使其成为经济可行的能源生产方式,还有很多问题要解决。譬如,藻细胞的收获、藻细胞中水分的脱除、灰分的降低、目标产物的分离等。
对于微藻开发利用的研究,主要应该关注细胞内外的含水率、脂类和蛋白质含量、纤维素与木质素含量比率等,以便研究下一步的目标产品。据了解,抚顺石化研究院已经开展了微藻利用的探索,对能够利用CO2并富集油脂的藻类进行筛选和培养,掌握了葡萄藻、小球藻、小环藻等典型藻种的培养条件和生长特性。今后,还将在藻种改良、光反应器,以及油脂、糖类、纤维素等目标产物分离方面进行深入研究。

3.2海藻生产生物乙醇
日本水产综合研究中心确认以海藻类生产生物乙醇的单位产量  。日本独立行政法人水产综合研究中心与东京海洋大学等合作,首次精确计量出了利用海藻等生产生物乙醇的单位产量。  
水产综合研究中心等根据水产厅的“水产生物质能的资源化技术开发事业”预算,从07年度开始研究以海藻等为原料的生物乙醇生产技术。东京海洋大学的浦野教授及该中心的内田主任研究员等组成的研究小组首次确认,以海藻(海白菜)或水生植物(水葫芦)为原料使用发酵方法生产乙醇时,乙醇的单位产量分别为干燥海白菜重量的10%、干燥水葫芦重量的16%。研究者认为,提高乙醇产量是今后该技术实现实用化的关键。
海藻是當今世界上生物量最大、最古老的植物之一。某些海藻还具有耐鹽鹼、耐pH、溫度和压力等极端环境的卓越生存能力。通常只需日光、空气和海水,人们便可以周而复始地从浩翰的海洋中索取它。巨藻個体大、生长快、产量高。被誉为“海洋速生林”。以每公頃种1000株为例,年产巨藻鮮重可达750-1200吨(折合每公亩产量达50-80吨)。这相当于每年每公頃将400兆焦耳的太阳能转变成化学能,此時,太陽能的转换效率高达2%。此外,海藻生产过程在肥料、人工、机械等方面的成本也较陆地能源作物所需的成本要低。
下表为海藻及其他几种能源作物转换成乙醇的总成本比較(含种植成本)。