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利用藻类制备生物汽油
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利用藻类制备生物原油(两种方法)项目简介
克默迪博睿科技(北京)有限公司董事长杨子中
第一种方法:
干燥藻类水热液化技术
藻类中获得原油,需要先对藻类进行干燥,然后进行提取。
水热液化技术“具有能完全
利用整个藻体的优点,因此具有显著的优势,因为不再需要单纯追求脂类含量的积累,或脂
类的提取了,这种黏液由水和藻类组成,后者的重量占总重的10%到20%。
在转化的时候,
黏液被连续输送进一个高科技压力锅,锅内的温度大约为350摄氏度,压强达到近204个标准大气压。
高温高压可以使混合物保持液态。
依据水热液化(HTL)反应设计了一套反应装置。
在这套系统中,藻类和水的混合物被
连续的加入到反应釜中进行反应。
反应釜中的高压使得水的温度能够达到300-400摄氏度,
此时的水处于介于液相和气相之间的超临界态。
在这样的条件下,藻类中的生物质能够被快速降解。
之后利用一系列收集和过滤装置,即可得到原油及一系列副产物。
在一次HTL反应中,每100克藻类最终可以产生41克原油。
这样的转化效率令人满意。
图片来源:
D.C.Elliottetal.(2013)AlgalResearch.
KMD在寻找替代能源方面已经进行了多年的努力,而利用海藻生产原油或将成为这一问
题的更好答案。
相较于之前的生物燃料,藻类原油有着更大的优势。
除去更高的产量,相对
于汽油而言利用藻类生产燃油更为清洁。
藻类在生长过程中能够吸收大气中的二氧化碳,这
一定程度上降低了碳排放。
且由于藻类可以在废水中大量繁殖,其产物也可以生物降解。
在整个生产过程中对环境造成的负担都较小。
相对于粮食作物产生的生物燃料来说,藻类转化生产的燃油具有高热值的优点。
埃利奥
特表示:
“由玉米等粮食作物生产得到的乙醇在用作燃料时需要与汽油进行混合,而藻类原
油则可以直接用来燃烧。
...
.
KMD设计的循环系统,经由回收装置,反应中分离的磷酸盐和纯净水可以被回收用于下
一轮的藻类繁殖。
1.藻类样本脱水;2.水热液化反应;3.固态沉淀物分离;4.油相/水相分离;5.油相产物加氢处理生成烃类;6.水相碳催化转化为气体燃料及可回收肥料。
藻类生长在各种水环境中,所以非常容易获得。
但实际上收集足够多的用于原油生产的
藻类是一件很困难的事。
克默迪的系统不仅可以使得藻类的繁殖更为简便,其优化的设计也使得更多种类的藻类得以被用于原油转化。
第二方法(光合作用卡尔文循环)藻类汽油
藻类是光合效率最高的原始植物之一,与农作物相比,单位面积的产率可高出数十倍。
微藻生物柴油技术首先包括微藻的筛选和培育,获得性状优良的高含油量藻种,然后在光生物反应器中吸收阳光、CO2等,生成微藻生物质,最后经过采收、加工,转化为微藻生物汽油。
原理是利用藻类光合作用,将化工生产过程中产生的二氧化碳转化为藻类自身的生物质
从而固定了碳元素,再通过诱导反应使微藻自身的碳物质转化为油脂,然后利用物理或化学
方法把藻类细胞内的油脂转化到细胞外,再进行提炼加工,从而生产出生物汽油。
即通过藻
类的光合作用,将废水中的营养物质和空气中的二氧化碳转化为生物燃料、蛋白质。
“这是
一个变废为宝的产业,而且还可以生产更多的下游产品。
”在石油价格大幅上升,粮食短缺
问题日渐突出的今天,该产业有着广阔的发展前景。
“在显微镜下,海藻就像一个油葫芦,比油菜籽、花生的含油量高7~8倍,比玉米高
十几倍。
”山东海洋工程研究院院长李乃胜介绍,海洋微藻制取生物汽油是国际新能源领域的新方向。
专家指出,我国盐碱地面积达1.5亿亩。
如果用14%的盐碱地培养藻类,在技术成熟的
条件下,生产的柴油量就可满足全国50%的用油需求。
藻类资源丰富,不会因收获而破坏生态系统,可大量培养而不占用耕地。
另外,它的光
合作用效率高,生长周期短,单位面积年产量是粮食的几十倍乃至上百倍。
而且微藻脂类含
量在20%至70%,是陆地植物远远达不到的,不仅可生产生物汽油或乙醇,还有望成为生产
...
.
氢气的新原料。
减排二氧化碳的微藻制油新技术,并准备将成果率先应用于治理燃煤电厂废气。
全世界已知的藻类有近3万种,让微藻能大量吸收二氧化碳,并通过叶绿素的光合作用制造生长所需的养分,从中提取出油脂,再制备出生物汽油。
这种生物汽油与传统石化汽油的性质和成分相似,某些指标如发动机低温启动性能甚至更好。
为实现微藻柴油产业化,工业化生产的连续采收、能源消耗低的脱水干燥和微藻制油技
术,建立规模化的微藻制油工厂,在大型容器中养殖微藻。
白天,阳光和工业二氧化碳废气
将为微藻创造出适宜的生长条件;夜晚,光合作用停止,但依然可以给微藻“喂食”工业废
水,让它们利用废水中的糖制造养分;“榨油”之后的微藻残渣,则可以作为新型生物质能
锅炉的燃料。
经过这一轮的绿色循环,微藻汽油能做到让汽车的碳排放降为零。
有很多大型
燃煤电厂,其气体排放组成中有99%是二氧化碳,运用这项技术可使微藻制油在本地循环起
来。
藻类含有大量生物油脂,部分品种含油量达70%。
它们的光合作用效率高,生长迅速,
最多两周就可以完成一个生长周期。
研究表明,每公顷土地玉米年产油量只有120升,大豆为440升,而藻类可达1.5万至8万升。
藻类将是非常有潜力的生物汽油来源。
壳牌、雪佛
龙等石油巨头以及正致力于新能源开发的微软董事长比尔·盖茨,近两年已投入巨资启动微
藻制油研发。
我公司微藻基础研究方面拥有很强的研发力量,与众多高校和科研院所承担了藻类分
类、育种和保存技术研究,拥有一大批淡水和海水微藻种质资源。
目前我国在微藻大规模养殖方面已走在世界前列。
国外藻类研究
美国从1976年起就启动了微藻能源研究,但美国科学家已经培育出了富油的工程小环
藻。
这种藻类在实验室条件下的脂质含量可达到60%以上(比自然状态下微藻的脂质含量提
高了3~12倍),户外生产也可增加到40%以上,为后来的研究提供了坚实基础。
2006年,美国两家企业建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统,成功地
利用烟道气中的二氧化碳进行大规模光合成培养微藻,并将微藻转化为生物“原油”。
2007
年,美国宣布由国家能源局支持的微型曼哈顿计划,计划在2010年实现微藻制备生物汽油
工业化,各项技术研发全面提速。
2007年,以色列一家公司对外展示了利用海藻吸收二氧化碳,将太阳能转化为生物质能的技术,每5千克藻类可生产1升燃料。
此外,在微藻制乙醇方面,美国已开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利;日本两家公司联合开发出了利用微藻将二氧化碳转换成燃料乙醇的新技术,且投入工业化生产。
藻类优点
浮游藻类过多虽然会导致湖沼的富营养化,威胁水质,从而破坏生态系统,但这些藻类
具有很强的吸收二氧化碳并合成有机物的能力,有望作为生物燃料的原料。
然而,蒸发浮游
藻类所含的大量水分需要消耗大量能源,因此利用浮游藻类生产生物燃料尚缺乏可行,通过
向浮游藻类中添加能与油脂成分紧密结合的液化二甲醚,成功提取出了可供燃烧的油脂。
当
...
.
二甲醚与藻类细胞中的油脂成分结合后,只要在常温下使二甲醚蒸发,就能将油脂成分提取出来。
利用上述方法所提取的油脂成分相当于干燥藻类重量的约40%,其燃烧后的发热量与
汽油相当,可望成为有价值的“绿色原油”创造了一个连续的化学过程中,使海藻产生有用
的原油。
在实验过程中,湿海藻浆液被注入化学反应器的前端。
一旦系统运行起来,将在不到一
个小时,生产出原油。
除此之外还产生出水和含磷材料等副产品,可以回收并促进更多的藻
类生长。
与其他传统精炼相比,粗藻类油转化成航空燃料,汽油或柴油,废水可以进一步处理,
产生可燃气体和钾和氮等物质,随之被净化的水,还可以回收并使更多的藻类生长。
虽然海藻一直被认为是生物燃料的潜在来源,并有已经有几家公司进行以藻类为基础的
燃料的规模化研究,KMD技术有效地驾驭藻类的能源潜力,并采用了许多方法来降低生产藻类燃料的成本。
KMD通过结合多种化学步骤为一个连续的过程,大大简化简化了从藻类到原油的生产程
序。
最重要的节约成本的步骤是该方法适用于湿的藻类。
目前大多数进程需要藻类进行干燥
—这个过程,需要大量的精力和昂贵的费用。
新的工作过程可以应用于含水量80%至90%
的藻浆。
“不需要进行干燥是过程中的一个巨大的胜利,可以大规模削减成本。
”比如能够从
水中提取有用的气体,然后回收剩余的水分和养分,帮助种植更多的藻类,这进一步降低了成本。
”
从湿藻类生物创造燃料,大部分工作在同一时间完成一个批次。
KMD系统连续运行,每
小时处理约1.5升藻浆。
虽然这似乎不是很多,但它更接近于大规模商业化生产所需的连续系统的类型。
在KMD系统还消除了在当今最常见的藻类处理方法中所需要另一个步骤:
复杂地处理从
藻类的其余部分。
相反,KMD团队在高压下撕开的物质使其经受温度非常高的水,将大部分的生物质转化为液体和气体燃料。
“这个系统有点像是高压锅,,只不过我们使用高得多的压力和温度,”“从某种意
义上说,我们正在重复在地球上的藻类转化成石油的超过数百万年的这一历程,我们只是做
的更多、更快。
”
该过程的产品有:
粗油状物:
可以被转换为航空燃料,汽油或柴油燃料。
实验中,海藻的碳一般超过50%
转化为能源原油-有时高达70%。
干净的水:
它可以被重新使用,以生长更多的藻类。
气体燃料:
它可以燃烧发电或者使用于燃烧压缩天然气的汽车。
营养物:
如氮,磷,钾——用于藻类生长的关键营养物质。
发明出一种能将藻类短时间内变成可用原油的连续性化学方法,这种海藻是一种与豌
豆十分类似的翠绿色糊状物。
将藻浆放入化学反应器的前端。
设备启动后不到一小时就会流出原油,伴随流出的含有水和含磷物质的液体,这种液体可以循环利用种植更多的藻类。
...
.
再经过一道传统的炼油过程,原油就会转化为航空燃油、汽油或柴油燃料。
废水经过进一步加工就产生可燃气体和钾、氮物质,与纯净水混合后也能回收再利用种植海藻。
海藻一直被认为是一种生物燃料的潜在资源,KMD公司在实验研制出海藻基燃料。
美国又在赶超世界
据报道,马布斯自2009年5月就任美国海军部长以来,一直致力于推动海军使用生物燃料。
从那时起,除与农业部开展合作外,美国海军试验生物燃料的步伐明显加快。
2010年4月22日,美国海军在马里兰州帕图森河海军航空站对一架使用生物燃料的
F/A-18F“超级大黄蜂”战斗攻击机进行了试飞。
该机所用燃料为
JP-5航空煤油和亚麻籽提
炼油按1:
1比例混合而成。
2010年11月18日,美国海军对一架用了同样燃料的MH-60S“海
鹰”直升机进行了试飞。
2011年8月24日,美国海军用同样燃料在帕图森河海军航空站对
一架T-45“苍鹰”舰载教练机进行了试飞。
2011年10月3日,美国海军在帕克斯基地对一
架使用生物燃料的MQ-8B“火力侦察兵”舰载无人直升机进行了试飞,
该机所用燃料为JP-5
航空煤油与骆驼刺提炼油混合而成。
在舰艇领域,美国的试验也取得了突破。
2011年10月20日,美国海军在一艘1600通
用登陆艇上进行了生物燃料试验。
该燃料为海藻油和
F-76航海燃油按1:
1
比例混合而成。
一个月后,美国海军用“福斯特”号驱逐舰对同样燃油进行了试验。
随着美国海军试验不断取得进展,越来越多的美国公司也日渐看好生物燃料的商业前
景。
据悉,通用原子能公司、蓝宝石能源公司、
SG生物燃料公司、Solazyme公司等企业目
前都在生物燃料研制领域取得了不小进展。
按马布斯的设想,到
2020年美国海军的所有武
器装备的50%燃料将使用非传统化石燃料。
众所周知,使用生物燃料的好处之一就是能够减少碳排放。
但美军对生物燃料如此热心
绝不仅仅是为了环保。
有军事专家指出,随着人类越来越依仗工业化成果,
能源安全的重要
性越来越突出。
而能源安全最直接的表现就是军用能源的安全,
这一点早在二战期间就已经
表现得极为明显。
而美国显然已经在生物燃料领域走在了世界前列。
值得注意的是,这样的
进展将绝不仅仅惠及美国海军,
而是将带动整个美军燃料供给体系发生变革。
对于很多同样
面临能源保障问题的国家和军队而言,美军在此领域的进展值得高度关注。
生物燃料可能没有想象的“绿”
煤、石油等传统化石能源是目前全球消耗的最主要能源。
随着人类不断开采,化石能源
的枯竭不可避免,大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。
另一方面,化石能源在使用过程中会新增大量温室气体二氧化碳,同时产生一些有污染的烟气,从而威胁全球生态。
生物燃料一般是泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。
由于利用的是自然界原本就存在的自然生物,生物燃料被认为可以替代化石燃料,成为可再生能源开发利用的重要方向。
作为生物燃料的一种,乙醇的生产原料为玉米、甘蔗等生物源,是可再生能源。
其燃烧
所排放的二氧化碳和含硫气体较汽油燃烧所产生的要低,其中二氧化碳排放量可降低30%左右。
因而,燃料乙醇被称为“绿色能源”或“清洁燃料”。
而且,燃料乙醇燃烧所排放的二
...
.
氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳在数量上基本持平,可减少大气污染及抑
制温室效应。
很长一段时间,生物燃料一直被人们视为“绿色能源”,备受追捧。
不过,近年来的一些科学研究已对生物燃料的“绿色”头衔提出质疑。
增加臭氧浓度导致肺部受损
美国的研究人员发现,作为生物燃料来源的树木,它们在生长过程中会释放高浓度的有机化合物—异戊二烯,该物质会与空气中其他污染物(如氮氧化物)混合,增加种植地附近
空气中的臭氧浓度。
这些臭氧可能对人造成伤害,导致生活在附近的人出现肺部疾病,严重的会导致人们吸入臭氧死亡,另外还会降低作物的产量。
消耗大量粮食促使粮价上涨
除了影响健康之外,制造生物燃料要消耗大量的粮食,导致粮价上涨。
以美国为例,大量的玉米变成了乙醇汽油的原料,而非人们盘中的食物。
经济法则很明显地在这个生产制作过程中起到作用—用于生物燃料的玉米越多,食物的价格将越高。
世界银行的一份报告称,生物燃料对全球粮价上涨的“贡献率”达
70%~75%,相当于
将全球3000万人推向贫困。
整个生长加工过程
由于种种问题,依托于淀粉、纤维素以及油脂的第一代、
第二代生物能源均有很大的局
限,难以大规模应用。
作为第三代生物能源的产油藻类是未来一种有前途的生物能源,
同时
产油藻类若想取得高产,
需要极富营养化的水体环境,
因此可用于污水处理。
随生活和工业
污废水,我国每年排放到天然水体中氮素多达几百万吨,
这足以支持几千万吨海藻油的生产
规模。
利用藻类,特别是微藻,发展“生物原油”还具有其他陆地植物不具备的许多特殊意义。
第一,生长环境要求简单,几乎能适应各种生长环境。
不管是海水、淡水,室内、室外,还
是一些荒芜的滩涂盐碱地、废弃的沼泽、
鱼塘、盐池等都可以种植微藻。
可利用不同类型水
资源、开拓荒山丘陵和盐碱滩涂等非耕作水土资源,具有不与传统农业争地的优势。
第二,
微藻产量非常高。
一般陆地能源植物一年只能收获一到两季,
而微藻几天就可收获一代,
而
且不因收获而破坏生态系统,就单位面积产量来说比玉米高几十倍。
第三,
产油率极高,达
20%~70%。
中科院海洋研究所获得了多株系油脂含量在
30%~40%的高产能藻株,微藻产油
研究取得前期重要成果,如:
细胞密度达到
20克/升,产油量
7克/平方米;雪藻每天能在
1平方米光照面积内生产
35.3克AFDW(去灰分干重),该生物量相当于
46.4克植物种子量,
是目前高产农田产量的
11倍。
中国海洋大学拥有海洋藻类种质资源库,已收集
600余株海
洋藻类种质资源,目前保有油脂含量接近
70%的微藻品种,在山东无棣县实施的裂壶藻
(油
脂含量50%,DHA含量40%)养殖项目正在建设一期工程。
但是,藻类含水量大,不好干燥炼
油,不过粉碎制浆后,应该可以采用溶剂油浸提萃取,就像现在的豆油一样。
余下的纤维素
的可以发酵制取沼气,剩下的沼渣可生产生物肥料。
另外除藻类外,富营养化的开阔水面还可以放养水葫芦等浮水植物,收获后打浆发酵制取沼气和生物肥料。
...
.
KMD认为,防止潜在能源危机和减少温室气体必需要开发出可替代的再生燃料来源。
科学家们已经尝试了各种来源,例如从玉米乙醇到大豆生物柴油。
但是,要真正满足世界的燃料需求,研究人员必须想出一个尽可能在最小空间使用最少量资源产生尽可能多生物
燃料的办法。
藻类,不象诸如玉米或大豆的其他农作物,它不仅能用从污水到咸水的各种水资源,
也能在小而密集的裸露土地上生长。
尽管藻类燃烧时还是会产生一些CO2,但它在生长期
间能分离二氧化碳,而矿物燃料源性能源显然不行。
佛吉尼亚生物信息学研究所(VBI)数据分析中心(DAC)的科学家们辅助完成藻类
Nannochloropisgaditana的基因组装配,Nannochloropisgaditana是一种海洋藻类,
可能能生产脂质,从而为活性燃料来源生产必需品。
中国藻类学研究日渐深入
藻类是无根、茎、叶分化的孢子植物,从淡水到盐湖、从极地到温泉、从陆地到海
洋,极具广布性和多样性。
早在35亿年前,藻类就出现在地球上,对大气层中氧的形成起到关键作用。
十几亿年前真核藻类出现,演化出十多个门类、数万个种类,在全球二氧
化碳固定和环境自净中起到十分重要的作用。
我国藻类分子生物学和基因的研究工作已经在多种藻类上开展并取得进展。
中科院武
汉植物园研究员胡鸿均介绍说,电子显微镜技术、分子生物学理论与方法在藻类学各分支学科中的应用,不仅揭示了很多以往未观察到的新现象,同时还发现了许多新类型。
中科院海洋研究所研究员费修绠在题为《藻类学研究的历史与未来》的主题评述报告中说,20世纪90年代中期以来,我国的藻类学研究进入了分子生物学和传统藻类学研究
相结合的新时期,这一时期不仅传统的藻类学研究继续活跃开展,国家“863”计划、“973”
计划等都对藻类分子生物学和生物技术的研究给予了支持,藻类学研究的深度和广度不断扩大。
目前,藻类生物技术研究的主要领域有:
对传统的蓝色农业进行技术改造及遗传改
良;海藻栽培、海洋药物、活性物质的研究和提取相结合;藻类栽培和改善海洋与湖泊水
体生态环境相结合;藻类对全球气候变暖、降低大气CO2浓度已经起到和可能起到的巨大
...
.
作用受到关注;利用微藻和大型海藻生产生物质能源的研究启动。
产业化前景广阔
许多藻类富含蛋白质、维生素和各种微量元素,以及β胡萝卜素、高度不饱和脂
肪酸等生物活性物质,是人类重要的营养源。
藻类资源在国民经济和人民生活中占有日益重要的地位,成为蛋白、药物和化工产品的宝库。
我国已建立了世界上规模最大的藻类养
殖业和海藻栽培业。
中科院南海海洋研究所研究员向文洲在报告中说,
近年来极端生物学的研究得到了国
际上的高度关注,其不仅涉及许多生命科学的重大问题,
而且有着巨大的应用和开发价值,
有关技术和产品有望在医疗保健、食品、精细加工、环境保护与治理以及太空生命维持系
统等方面得以广泛应用。
广泛筛选具有极端适应特征的微藻(螺旋藻、盐藻),充分利用
阳光、沿海滩涂和盐碱沙漠荒地,建立低成本和开放式光合反应器产业化技术,已经成为
微藻生物技术应用研究的重要方向。
以极端适应的螺旋藻为基础,我国已建成国际上最
大的藻类养殖基地。
2006年我国有螺旋藻生产企业近
60个,螺旋藻干粉的生产量达2500
吨,占全世界产量的
62%。
与会专家认为,藻类学和藻类生物技术是发展蓝色农业、确保
21世纪食品安全、提高人民生活质量的重要基石。
充分利用现有藻类养殖基地,开发有
巨大市场前景的极端微藻新资源与新产品,促进微藻产业的多元化发展,将是我国藻类产业健康可持续发展的必然选择。
规模栽培保护环境
随着沿海地区工农业发展和城市化进程的加快,大量陆源有机物、营养盐类的排
入和大规模养殖所造成的海水自身污染,都为赤潮生物的暴发性增殖提供了丰富的物质基
础。
仅长江输送入海的活性磷酸盐和溶解态无机氮,平均每年分别为600万吨和31万吨;
2006年我国近海未达到清洁海域水质标准的面积约为13530平方公里,严重和中度污染
的海域面积分别比2005年增加了约3060和730平方公里。
中国水产大学生命科学院教授何培民指出,要减少赤潮的发生频率和降低赤潮所造
成的损失,人类唯一可做的只能是有效控制海水的富营养化因素,而控制海水富营养化的
重任只能由大型海藻来承担。
何培民等在2006年~2007年承担了上海城市沙滩1.5平方
公里富营养化水体的生态修复工程试验,研究结果显示,采用大型海藻江篱直接吸收氮磷,
3个月内可使水体的活性磷和氨态氮几乎耗尽,治理富营养化效果十分显著。
水质指标达
到Ⅰ~Ⅱ类水质标准,透明度最高达6米,成为我国第一例封闭型海区生态修复治理的典
范。
而在开放海区,何培民等从2002年起对江苏启东吕泗港口进行了连续3年的紫菜栽
培生态修复跟踪研究,结果表明,在紫菜栽培期间,栽培区内营养盐含量明显下降,紫菜
栽培可使海区水质由劣Ⅴ类达到Ⅰ~Ⅱ类水质标准。
蓝藻水华的频发和大规模暴发已经
成为亟须解决的我国水环境重大问题之一。
今年太湖蓝藻暴发并造成无锡用水危机,虽然
是一次偶然事件,但其影响却是空前的,如何发挥藻类在海洋环境保护等方面的作用,成
...
.
为摆在研究人员面前的重要课题。
《国家中长期科技发展规划纲要》把“海洋生物资源保护和高效利用技术”以及“海洋生态与环境保护技术”列为“优先主题”,其中藻类将在资源和环境领域发挥重要作用。
中科院水生生物所研究员宋立荣指出,相对于西方一些发达国家,我国对蓝藻水华的研究起步较晚,对蓝藻水华的发生机理、危害和控制对策还缺乏深入、系统的认识,对
藻类毒素在与人类健康及毒素的控制规范方面尚无相应的指标。
可以预测,在未来的5~
10年,我国水体中蓝藻水华及其毒素污染总体上有加剧的趋势,制定、实施防治规划,开发出高效、
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