藻类生物质能源的过去、现在和未来.doc
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1、藻类生物质能源的过去、现在和未来摘要:21实际面临严重的能源短缺问题,开发新能源迫在眉睫。随着生物技术的不断发展,生物质能源也越来越受到人们的重视。由于用玉米等粮食作物作为生物能源会导致全球粮食价格的上涨,研究人员开始将目光集中在效率更高的藻类上,美国也于2011年重新开始了1996年停止的藻类生物质能源的研究。本文主要介绍了藻类生物质能源的过去和现在的研究状况,总结了一下还没有克服的困难,同时为未来的研究指明方向。关键词:藻类;生物质能源;生物柴油21世纪面临严重的能源短缺,煤、石油、天然气等化石能源的储备十分有限。特别是石油,可供使用的时间已不到50年。在这种严峻的情况下,生物质能源作为一
2、种可再生能源逐渐成为研究的热点。传统的生物质能源(如玉米、大豆等)的使用,会导致全球谷物价格的升高,进而加剧粮食短缺的危机1。相比之下,藻类对环境及社会的不良影响很少,同时转化太阳能的效率很高。玉米谷物乙醇,太阳能的转化效率约为0.05%;而藻类对太阳能的转化率理论上可以达到10%,虽然目前由于技术等原因,实际的转化率是2%2。藻类是高能量密度、可再生液态交通燃料的理想原料。藻类生物质能源的优势包括:1. 藻类可提供较高的生物质产量;2. 藻类培养不与农业生产冲突(不竞争耕地与肥料)3. 藻类可以在废水、再生水及咸水中生长,因此藻类培养无需消耗有限的淡水资源;4. 藻类可以从固定源排放的高浓度
3、CO2中回收碳元素,如发电厂或其他工业源;5. 利用藻类生物质可通过综合生物精炼工艺生产各种燃料和高价值副产品。藻类生物质能源的过去3藻类生物质能源过去的研究主要是在1996年以前。在20世纪50年代后期,Meier、Oswald和Golueke指出,可利用藻细胞中的碳水化合物通过厌氧消化产生甲烷。Benemann等对此做了详细的工程评价,认为利用藻类生产生产甲烷的成本与化石能源旗鼓相当。在更早的40年代,人们就发现了许多藻类可在特定的培养条件下大量积累油脂。50年代和60年代的许多项研究报告表明,培养基中的营养元素(例如氮或硅)的缺乏可导致油脂富集。到了70年代,世界油价的迅速上涨激发了人们
4、利用藻类油脂生产生物燃料的想法,该想法最终促成了美国能源部的水生物种项目(Aquatic Species Program,ASP)。ASP项目筛选出了大约300多株优势藻种,其中大部分属于绿藻纲(Chlorophyceae)和硅藻纲(Bacillariophyceae)。筛选出优势藻种后,工作人员进一步研究了藻种在贫营养条件下的油脂积累特性。虽然营养物质的缺乏最终导致了藻类油脂总产率的下降(藻类生长速率下降),但该研究却使人们深入理解了藻细胞中的油脂合成机理。在营养物质缺乏的胁迫条件下,部分藻类的油脂含量可高达细胞干重的60%,且其主要成分为三酰甘油酯(Triacylglycerides,TA
5、G)。富含油脂的硅藻是许多生化研究中的研究对象。研究发现,硅元素缺乏是导致硅藻大量积累油脂的主要因素。乙酰辅酶A羧化酶是脂肪酸合成的催化剂,营养元素缺乏会导致其含量增加。通过转基因技术,可以认为控制乙酰辅酶A羧化酶的合成,从而可控制和促进油脂的合成。目前,已经初步识别了乙酰辅酶A羧化酶的目标基因,但迄今为止尚未见到成功提高藻类细胞油脂含量的报道。通过控制藻类碳水化合物的合成也可调控藻细胞中的油脂含量。理论上讲,碳水化合物合成与油脂的合成是竞争关系,如果碳水化合物的合成受到了抑制,则油脂的合成会相应增加。研究人员识别并研究了硅藻C.cryptica中催化碳水化合物合成的主要酶昆布多糖,通过控制昆
6、布多糖的合成课提高藻细胞中的油脂含量。然而,随着1996年年ASP项目的结束,该油脂促进途径也终止了进一步的研究和发展。在ASP项目的研究过程中,需要不断创新研究方案以提高生物质产率及解决工艺过程中的各种问题。经济高效的藻类收获和脱水、油脂提取、纯化及燃烧转化方法是实现藻类生物质能源技术商业化的关键。藻类收获需耗费大量的能源和资金。絮凝沉淀是众多收获技术中较为可行的方法。油脂的提取和纯化成本也非常高,ASP项目的研究重点是溶剂体系的改善,但并未考虑规模、成本及对环境的影响等相关问题。将藻类油脂转化为甲酯或乙酯则相对简单,ASP项目在该方面已有成功案例。另外,ASP项目也尝试了藻类油脂向其他能源
7、形式(如石油)的转化,但并未针对石油产品性质、规模化生产和发动机测试等方面开展相关研究。综上,ASP项目论证了将藻类作为油脂原料的可行性,并获得了许多重要的技术进展。然而,要实现经济可行的生产工艺,仍需克服巨大的障碍。ASP项目还指明了未来的研究方向:深入理解并优化藻类积累油脂的生物机制,并为培养和生产工艺中的工程挑战寻找创造性的、高性价比的解决方案。藻类生物质能源的现在1996年,美国放弃了以藻类为基础的生物燃料的研究。现在合成生物学帮助他们重新复兴了这一领域。他们利用生物技术以及其他先进的工程,通过改变藻类组织利用光的方式来提升藻类生产油脂的产量以及效率4。利用藻类生产生物能源的流程一般是
8、这样的(图1)2:首先利用海水或咸水生产藻类,在一个池塘里用桨轮来循环水和营养物质,要注意定期补充海水、CO2及其它微量元素;接着是分解藻类,然后分别提取出糖类、蛋白质以及脂类;糖类可以经过进一步加工成CH4、CO2,CO2又可以循环使用,为藻类生长提供碳源,蛋白质可进一步加工成为高级动物饲料,脂类则可以加工成生物柴油等生物燃料。Dalrymple等5综合其他科学家的研究发现,一些混合培养的野生藻类可以成功地在废水中生存并且有潜在的商业化生产价值。一旦大规模商业化生产的技术难题被克服,每年每公顷可以生产71吨的藻类。这些藻类可以转化成两种类型的能源:藻类中高含量的脂质可以用作液体生物燃料;藻类
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