微藻生物柴油

微藻生物柴油（精选4篇）

微藻生物柴油 篇1

国内外生产生物柴油的主要原料是大豆油、菜籽油、花生油、棕榈油、地沟油等。在生物柴油的生产中, 原料油脂费用占其生产成本的80%以上, 目前原料油脂价格高居不下并不断上涨, 制约了生物柴油产业化和商业化。这些原料与农业争地, 与食品及饲料争原料, 单位生物量的产油率低, 生产周期长, 消耗大量的水资源、化肥和能源。

清华大学微藻生物能源实验室发明了微藻异养发酵生产生物柴油的新技术, 其技术特征在于:通过对一种特别藻株特殊品系的筛选和代谢途径的改变, Chlorella protothecoides 0710 strain由光合自养转变为化能异养, 细胞由绿变黄, 生长繁殖更快, 油脂含量提高3至4倍, 达细胞干重的61%以上。又将工业界成熟的发酵技术应用于高油脂异养微藻的生产, 进一步提高发酵规模和细胞密度, 现细胞发酵密度超过了100g/L, 获取了大量异养干藻粉后提取油脂, 经转酯化反应生成了高质量的生物柴油。

技术创新点

(1) 发明了微藻异养发酵生产生物柴油新技术, 打通了以糖、淀粉、有机废水、二氧化碳等为原料、工业自动化条件下高效生产生物柴油的新途径。

(2) 异养藻细胞发酵产量和油脂含量不断创造新高 (细胞干重100 g/L, 含油量60%) , 提高了该技术工业化生产的经济性。

(3) 正在研究在发酵前引入利用CO2和光合作用来减少糖或淀粉的消耗, 以降低成本同时减少温室气体的排放。

该技术获3项国家发明专利和2007年全国发明大会奖。

效益分析

全世界油脂价格和液体燃料价格疯狂上涨, 将对世界经济、政治和国家安全等产生重大影响。实施微藻异养发酵生产生物柴油的新技术, 并实现本技术商业化运作, 其经济效益和社会效益巨大。

生产条件

主要生产原料为以下3类之一:甜高粱、甘蔗等糖质原料;或木薯、玉米等淀粉质原料;或含糖有机废水等。生产设备:工业发酵设备及厂房。生产消耗:电能、蒸汽等 (无污染环境问题) 。

产品应用范围

微藻生物柴油质量好, 应用范围与目前市场上销售的柴油完全相同。

推广说明

与有实力的企业合作, 在工业化规模上进一步降低微藻发酵过程的成本, 实现该技术的商业化运作。

投资风险

本技术创新性强, 没有前人的实践、范例和经验;通过工业化和规模化来实现进一步降低成本的目标;高技术、高投入、预期高回报的同时也存在投资风险。

合作方式

(1) 合作研究开发:清华大学方投入前期的专利技术、成果、仪器、实验室和研究人员, 企业方投入研发资金 (至少数百万元起步) 、设备和工程技术人员, 双方共同合作, 在工业化规模上进一步降低微藻发酵过程的成本, 实现该技术的商业化运作。双方风险共担, 成果共享。

(2) 技术转让:清华大学方将前期的专利、技术、成果独家转让给企业方, 同时协助企业方完成进一步的研发、生产和商业化运作。企业方首先投入技术转让费用, 享有对该技术的垄断权。

微藻生物柴油 篇2

20世纪90年代以来, 生物柴油因其原料的可再生性、易生物降解、清洁无污染等优点, 被认为是传统石化柴油的最佳替代品之一, 受到了各国的重视[1]。

生物柴油作为一种新型的可再生能源, 原料短缺成为了制约其发展的最大瓶颈。目前世界上用于制备生物柴油的原料主要为菜籽油、大豆油、棕榈油、葵花籽油等植物油脂以及猪油、牛油、羊油、鱼油等动物脂肪, 部分国家还以工业和餐饮废弃油脂为原料[2,3,4,5,6,7,8]。但由于这些原料生命周期长, 资源总量不足, 经济效益低, 以及其对农产品价格、耕地资源、粮食安全的影响, 制约了生物柴油的发展。相对于传统的生物柴油原料, 微藻具有分布广泛、生长周期短、生物量大、环境适应能力强、油脂含量高、不与粮争地、不与人争粮等巨大优势, 受到科研人员的大力追捧, 被认为是解决目前生物柴油原料不足的重要途径之一。

1 微藻概述

微藻是一类古老的以光合自养产生能量的低等植物, 它个体较小、种类繁多, 通常为单细胞或群体, 能进行光合作用, 广泛地分布在海洋、淡水湖泊等水域, 微藻可以每天1~3倍的速度增长[9]。

1.1 富油微藻和微藻油脂简介

微藻在生长过程可合成大量油脂, 微藻油脂 (Microalgae oils) 属于单细胞油脂, 其主要组分是甘油和脂肪酸, 是由微藻在一定的条件下, 利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源, 在藻体内合成的, 主要作为生物膜组分、代谢物和能量来源[10]。不同种类的微藻, 细胞中的脂质含量是不同的 (表1) , 一般大多数微藻的脂肪酸含量可以达到细胞干重的20%~40%, 部分藻如葡萄藻、裂壶藻等, 含油量可以可高达微藻干质量的75%。不同种类微藻的油脂含量差别很大, 甚至同一种类的不同品系之间也存在较大差别, Ahmad Farhad Talebia等[11]对所选的11种藻种脂肪组成进行了检测分析 (表2) , 表明藻类油脂以多不饱和脂肪酸为主, 所选藻株中均含有较高的棕榈酸、亚麻酸。杜氏藻Dunaliella salina (Shariati) 中饱和脂肪酸为13.93%, 单不饱和脂肪酸为29.52%, 多不饱和脂肪酸为42.65%;小球藻Chlorella salina中饱和脂肪酸为29.34%, 单不饱和脂肪酸为18.52%, 多不饱和脂肪酸为40.63%。从微藻中提取得到的油脂成分与植物油相似, 可以用来制备生物柴油替代石油, 直接应用于工业。

1.2 微藻制备生物柴油的优点

微藻是一种独特的光合生物, 能有效利用太阳能, 将阳光、CO2、N、P等简单营质快速生长并在藻体内合成大量油脂。与传统生产生物柴油的原料相比, 利用微藻制备生物柴油具有以下优点[13,14,15]:

(1) 微藻的光合作用效率高、可以全年培养, 油脂单位面积产率高, 这是其他油料作物无法比拟的, 根据理论推算, 单位面积养殖微藻可以得到的油产量高于麻疯树籽油50倍、棕榈油20倍[1], 被认为是最有潜力替代石油的生物资源。

(2) 微藻在光自养培养过程中可固定大量CO2, 这不仅有助于减缓温室气体排放, 解决全球气候变暖问题具有重要的价值, 而且可为微藻光自养生长提供碳源, 降低培养成本。

(3) 微藻繁殖快、生长周期短, 细胞生长是以指数式的生长繁殖方式, Xu等[16]发现, 异养的小球藻Chlorella protothecoides在发酵罐内以玉米粉为营养物质, 144小时后其油脂含量可达到细胞干重的55%。

(4) 微藻环境适应能力强, 可各种气候和环境中生长, 可利用海水、盐碱水和有机废水进行培养, 甚至包括沙漠和海滨等不宜农耕的地区, 从而可以不占用耕地。

(5) 微藻没有根、茎、叶的分化, 木质素含量很低, 加工工艺相对简单, 易于粉碎和干燥, 所需的后处理条件相对较低。

2 生物柴油概述

生物柴油即脂肪酸甲酯, 是植物油脂或动物脂肪与甲醇通过酯交换反应得到[16], 其化学反应原理如图1所示。生物柴油的主要优点是, 它是一种可再生燃料、无毒且可生物降解。

3 生物柴油制备方法

目前, 用于制备生物柴油的方法主要有:直接使用和混合法、微乳液法、热解法和酯交换法, 采用酯交换法生产生物柴油因其反应条件温和、工艺操作简单、成本较低, 而且制得的生物柴油性质稳定, 因此已经成为研究的主流[17]。酯交换反应由于催化剂选择的不同, 可分为均相酸碱催化法、非均相酸碱催化法、超临界法和脂肪酶催化法。

3.1 碱催化法

3.1.1 均相碱催化剂

均相碱催化剂目前被认为是应用最多, 催化活性最好的催化剂, 它主要包括氢氧化钾, 氢氧化钠, 甲醇钠等。碱催化与酸催化相比, 反应速率更快。根据化学反应机理, 均相碱催化剂中起催化作用的活性中心都是甲氧根离子, 甲氧根离子可经甲醇盐的解离而获得, 也可以由氢氧化钾、氢氧化钠等碱与甲醇反应制备而得。甲氧根离子作为亲核试剂, 形成后, 可以进攻甘油酯中的酰基部分生成甲酯[18]。

Vicente等[19]以葵花油为原料制备生物柴油, 在相同实验条件下, 比较了甲醇钠、甲醇钾、氢氧化钠、氢氧化钾的催化活性, 发现他们活性顺序为甲醇钠 (甲醇钾) ﹥氢氧化钾﹥氢氧化钠。蔡新安等[20]的研究中发现潲水油的酸价大于1mgKOH/g时, 也可用NaOH催化进行酯交换反应, 副产物甘油与脂肪酸甲酯能很好的分离。

3.1.2 固体碱催化剂

固体碱是指能给出电子对并接受电子的固体。其活性中心有一个由表面O2-或OH-组成的表面阴离子空穴, 具有极强的供电子能力。目前固体碱主要有碱土金属氧化物、碱金属、水滑石及负载型固体碱等[21]。

程化鹏[22]制备了KF浸渍的KF/CaO固体碱, 研究其对植物油制备生物柴油的催化性能, 并利用均匀设计实验研究酯交换法制备生物柴油的最适宜条件, 得到的生物柴油酯化率为86.78%, 为了验证真确性, 在此组合条件下进行3次验证实验, 将3次试验结果求平均值后得到生物柴油酯化率为86.45%, 在估计区间范围内, 因此该组合较准确可靠, 具有实用价值。

固体碱催化酯交换反应其优点在于催化效率高, 反应速率快, 使用醇量少, 反应产物容易分离, 废弃催化剂绿色环保, 但它不足之处在于若催化剂遇水则催化活性会降低, 当与原料中的游离脂肪酸接触容易发生皂化反应, 从而导致催化剂失活。

3.2 酸催化法

3.2.1 液体酸催化剂

常用的酸催化剂有浓硫酸、磷酸、甲基磺酸等。目前, 以浓H2SO4作催化剂的均相催化法被广泛用于高酸值油脂制备生物柴油的工艺中。如谢国剑[23]曾经应用过的酸催化剂有硫酸、对甲苯磺酸, 它们都能较好地催化发生转酯化反应。从成本上考虑, 选用硫酸作催化剂更加理想。研究表明, 对于不同酸值的潲水油, 催化剂硫酸的用量确定在5%~7%之间。

考虑到浓硫酸会引起油脂氧化脱水、缩合等副反应, 钟鸣等[24]以磷酸为催化剂, 通过酯交换反应制备生物柴油, 通过正交实验得出了制备生物柴油的最佳条件:反应温度为70℃, 醇油摩尔比为30∶1, 催化剂用量为原料油质量的8%, 反应时问为5h.在此条件下生物柴油的收率可达85%以上。

3.2.2 固体酸催化剂

常用的固体酸主要包括沸石分子筛、杂多酸、离子交换树脂和固体超强酸等。相对于固体碱催化剂而言, 固体酸催化剂的反应速度较慢、催化活性较低, 但可以催化脂肪酸含量较高的原料油, 避免碱催化过程中产生的皂化反应。

方建华等[25]制备了S2O82-/TiO2-ZrO固体酸催化剂, 并考察了温度、反应时间、醇油比、催化剂用量、催化剂重复使用和再生使用次数对酯化率的影响。在反应温度125℃, 反应时间3h, 醇油比10∶1, 催化剂用量5%, 该条件下废弃动植物油脂的脂化率达89.3%。

3.3 酶催化法

酶是一种具有生物催化功能的生物大分子, 酶催化剂可以在亲脂性有机溶剂中催化甘油三酯与短链醇发生的酯交换反应, 生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯。

吴良彪[26]利用脂肪酶为催化剂, 食用废油与甲醇反应, 制备生物柴油, 生物柴油产率可达到78%, 对产品的各项指标测定, 均达到GB/T 20828-2007要求, 指标并与0#石化柴油相接近。

相对于化学催化剂制备生物柴油, 酶催化剂具有较多优点。其反应条件温和、能耗低、醇用量小、原料来源广泛、产物及副产物较易分离、产品易于收集、无污染排放。其缺点在于酯交换率不高, 反应时间较长且酶催化剂的价格较高, 因此阻碍了酶法催化生产柴油产业化发展。

3.4 超临界法

超临界是指当温度超过物质临界温度时, 气态和液态无法区分, 物质处于一种施加任何压力都不会凝聚的流动状态, 它具有不同于气体和液体的性质, 其黏度低, 密度高。超临界法制备生物柴油与传统化学方法制备生物柴油的机理一样, 主要是利用甘油三酯与短链醇的转酯反应。

与传统化学法及酶法不同的是, 超临界条件下的酯交换反应通常无需催化剂的参与、转化率在极短的时间达到很高。由于超临界法不需要催化剂, 原料油中水和游离脂肪酸对整个反应影响小, 在酯交换反应的同时游离脂肪酸被酯化。邢存章等[27]考察了花椒油、单酸在超临界甲醇中反应温度、压力、时间、醇油 (酸) 摩尔比及酸价对其转化率的影响;研究发现单酸酯化反应的最佳反应温度为300℃, 压力为15MPa, 时间为2h, 醇酸摩尔比为5∶1, 单酸甲酯收率 (单酸转化率) 可达95%以上。

4 小结

藻类具有产油量高, 生长速度快、环境适应能力强, 不与农作物争夺农田和淡水资源等优势, 被认为是生产生物柴油的最佳原料。生物柴油作为重要的替代补充能源, 由于其绿色性和可再生性, 生物质能开发越来越受关注。微藻生物柴油在技术上是可行的, 但是其经济性还需要得到充分的提高, 以使其能够与化石柴油竞争。相信通过社会各界的积极努力, 微藻生物柴油产业化中的关键技术会不断被攻克, 微藻生产生物柴油产业必将给人类造福。

摘要：当今社会对于能源的需求日趋加大, 生物柴油作为一种可再生的绿色能源, 其制备方法也逐渐成为各国研究开发的热点。海洋微藻因其易培养, 生长速度快, 单位面积生物量大等优点, 已成为全球各国重点研究与发展的战略方向。综述了利用微藻制备生物柴油的几种酯交换方法, 重点阐述了碱催化法、酸催化法、酶法及超临界法酯交换制备生物柴油的研究进展。

微藻生物燃料减排效果明显 篇3

生物质能可以转换为多种终端能源如电力、气体燃料、固体燃料和液体燃料, 其中最受关注的是包括生物柴油、燃料乙醇在内的生物质液体燃料。相比用玉米等粮食制作的第一代生物燃料和用秸秆等制作的第二代生物燃料, 微藻生物燃料不仅不与粮争地、生产生物燃料, 还具有吸收二氧化碳、提供高纯度氧气等优势。

与麻风树、黄连木等其他非粮食生物质相比, 藻类具有分布广泛、油脂含量高、环境适应能力强、生长周期短、产量高等特点。有数据显示, 微藻的单位产油量是玉米的数百倍, 每公顷可产1.5万至8万升生物柴油。而且, 利用微藻生产的生物柴油品质也非常好, 而且可以直接添加使用。

在上海世博会上, 最佳实践区“沪上·生态家”的微藻除碳栏杆和微藻屏风备受关注。这是我国民营企业新奥集团利用第三代生物质能技术———微藻生物燃料的相关技术功能制作而成的。

近日, 全球首架纯藻类生物燃料“绿色”飞机上天。欧洲宇航防务集团发言人库尔塞利·格雷戈尔称, 据废气排放检测数据显示, 海藻燃料排放的氮氧化物比传统航空煤油少40%, 碳氢化合物少87.5%, 生成的硫化物则更低, 其浓度仅为传统燃料的1/60。更重要的是, 海藻生产的生物燃料与现有飞机的兼容性非常好。

为保障能源安全, 我国正加速研发各种石油替代燃料:国家林业局推广林油一体化, 加速研发麻风树、黄连果等林业生物质能源;中粮与中石化将于2011年第三季度开始合资建设以玉米秸秆为原料的万吨规模纤维素乙醇示范工厂。目前, 新奥集团正在内蒙古一个甲醇生产基地做试点, 占地1公顷, 利用甲醇生产过程中产生出来的废气、二氧化碳和余热来进行微藻的培育。新奥将用3至5年时间, 让“微藻制油”走出实验室, 实现产业化。

虽然我国生物质液体燃料已发展多年, 但还难以形成规模。究其原因, 国家扶持政策、原料控制能力、技术水平、销售渠道、配套标准等是构建生物燃料有效商业模式的重要条件。

微藻生物技术产业的发展 篇4

关键词：微藻生物技术,产业发展

微藻生物技术首先出现在日本, 随着生物技术的发展, 对微藻生物技术研究的增加, 人们发现微藻生物技术的重要性, 特别是能源越来越成为一个国家竞争能力的重要因素, 国际石油价格不断地上涨, 以及温室气体的排放带来的一系列恶劣影响, 都要求人们进一步探索系能源, 来缓解目前的窘境。通过研究发现, 微藻生物技术可以在一定程度上代替一些能源, 而且生物技术的优点在与清洁无污染, 这就对改善目前全球变暖的趋势起到了很大作用。

一、微藻生物技术的产业前景分析

(一) 重视微藻生物能源技术的深入研究

目前微藻生物技术虽然已经得到较大发展, 但是还不能从根本上解决能源环境以及出现的粮食问题, 但是微藻生物技术可以在一定程度上解决这些问题, 目前国际上的化石燃料十分的有限, 而且都是不可再生资源, 寻找这些化石燃料的代替品是必然的趋势, 如果不能在化石燃料用完之前找到代替品, 势必影响人们的生活。

另外通过对微藻生物的研究发现, 微藻生物技术可以产生生物能源, 这种生物能源可以大大降低二氧化碳的排放, 在解决环境问题时同样解决了能源短缺的问题, 另外伪造技术还可以产生大量的微藻蛋白, 这种微藻蛋白可以作为饲料, 解决一定的粮食问题, 因此对微藻生物技术的研究是势在必行的。

(二) 微藻生物技术的发展是个长期的过程

可以说微藻生物技术的产业研究将会带来巨大的经济效益和社会效益, 但是微藻生物技术的研究难度非常大, 而且进行研究周期也会比较长, 因此在进行研究时要保证有足够的耐心, 才能让微藻生物技术在不断地研究中逐渐的成熟。而就目前微藻技术的总体情况来看, 微藻生物技术的研究还处于初级阶段, 各个方面还存在许多问题需要深入研究, 需要进一步的资金投入和时间, 在短期内微藻生物技术产业也不可能得到较大的发展, 因此无论是经济效益还是社会效益上价值都不高, 但是要明确微藻生物技术发展的长期性, 进而保证微生物技术持续不断地向前发展。

二、微藻生物技术的发展策略

尽管在微藻生物技术上还存在很多问题, 研究周期上也比较长, 难度也相对较高, 但是微藻生物技术一旦研究成熟势必会带来巨大的经济效益和社会效益, 极大地改变目前我国的环境和能源等方面的问题, 为了更好地在微藻生物技术上抢占先机需要采取以下的发展策略。

(一) 微藻生物技术的研究应该重视基础研究

我国在微藻生物技术研究上还处于起步阶段, 各方面的技术和研究并不成熟, 因此在这个过程中应该巩固现有成果, 注重对微藻生物技术基础方面的研究, 切不可急于求成, 只有打好基础才能推动微藻生物技术的进一步发展。将微藻生物技术研究重点放在基础方面的研究主要是微藻生物学基础研究, 因为通过对微藻生物学的研究可以对微藻这种生物有较详细的了解, 通过系统的研究后才能发现那些有用的微藻, 才能更好的开发微藻的生物资源, 才能更好的了解微藻生物技术的产业链条, 加强对微藻生物技术工程的研究, 提高整个微藻生物技术的水平。

(二) 微藻技术的开发重点应放在高附加值产品上

对微藻生物的技术开发主要是在微藻生物的产业化上, 只有将微藻生物技术更多的产业化, 才能为微藻生物技术赚取更多的眼球, 进而带来更多的资金, 伪造技术的高附加值产品主要有以下几种:第一是微藻胡萝卜产品, 在微藻中的杜氏藻, 它的胡萝卜素的浓度非常高, 因此可以将杜氏藻作为开发的重点, 而且这种产品在开发上相对也比较容易, 这样不仅可以带动微藻生物产业的发展还可以带动整个微藻生物技术的进步;第二种是在油脂类产品开发上, 微藻生物油脂类产品可以作为一种营养性的产品, 这种产品在降血脂和抗癌上都有很大作用, 而且在一定程度上可以提高人体的免疫能力。

三、结语

随着我国经济的进一步发展, 对化石能源的需求量不断加大, 化石能源的价格同也在不断的上涨的情况下, 加强对微生物技术的研究是非常有必要的, 只有加大对生物能源的研究, 在能在一定程度上代替化学能源, 解决目前出现的环境问题和粮食问题, 可以说对微藻生物技术的研究是势在必行的注重基础研究和产业研究, 通过对微藻生物技术的研究为我国带来更大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李健, 张学成, 胡鸿钧, 王广策.微藻生物技术产业前景和研发策略[J].科学通报, 2012 (01) .

[2]王鹏, 李阳.分析微藻生物技术产业前景和研发策略[J].食品安全导刊, 2015 (2x) .