海洋生物质能研究进展及其发展战略思考
海洋生物质能与环境保护
contents •海洋生物质能概述•海洋生物质能的开发与利用•海洋生物质能与环境保护•海洋生物质能的发展前景与挑战•结论与展望•参考文献目录海洋生物质能概述是指利用海洋植物、微生物以及废弃物等海洋生物资源生产出的能源。
主要来自海洋中的生物质资源，包括海洋植物（如海藻、海草等）、海洋微生物以及海洋废弃物等。
海洋生物质能的来源海洋生物质能利用海藻、海草等海洋植物的生物质进行热解、气化或发酵等方式生产出的能源。
海洋植物能源海洋微生物能源海洋废弃物能源利用某些特殊微生物的作用将有机物质转化为甲烷等可燃气体。
利用海洋中的废弃物（如渔业废弃物、海上石油泄漏等）进行发酵或热解等方式生产出的能源。
030201海洋生物质能来源于海洋中的生物质资源，是一种可再生的能源。
可再生性海洋生物质能的燃烧产物主要以二氧化碳和水为主，相对于化石燃料来说，其环境污染较小。
低污染性海洋生物质能可以利用的资源种类繁多，包括海藻、海草、渔业废弃物等，具有多样性。
多样性海洋生物质能主要来源于沿海地区，相对于陆地生物质能来说，其运输成本较低。
区域性利用海藻类是海洋中的初级生产者，具有高光合效率、生长迅速、生物量大等特点，是理想的能源植物。
海藻类可以通过热解、生物发酵、生物化学转化等方式转化为生物燃料。
海藻类海洋微藻是一类生长速度快、光合效率高、适应能力强、易于培养的微生物，具有成为可持续能源的潜力。
通过培养微藻作为生物燃料，可以减少对陆地资源的依赖，同时降低温室气体排放。
海洋微藻海洋哺乳动物如海豚、鲸等具有高能量密度和易于驯化的特点，是潜在的能源来源。
目前已有一些研究探索利用海洋哺乳动物的能量进行发电，但该领域仍处于起步阶段。
海洋无脊椎动物海洋无脊椎动物如珊瑚、贝类等数量巨大、分布广泛，通过养殖和加工可以转化为生物质能源。
例如，利用贝类的外壳等废弃物生产生物炭，是一种具有潜力的生物质能源。
产甲烷菌产甲烷菌是一种能够将有机物转化为甲烷的微生物，具有广泛的存在和应用前景。
海洋能源研究现状及未来发展趋势
海洋能源研究现状及未来发展趋势第一章研究概述海洋能源是指海洋中存在的能量资源，包括海水中的动能、潮汐能、温差能以及海洋底部的热能等。
随着传统能源日益枯竭，海洋能源成为了备受追捧的可再生能源。
本文旨在探讨海洋能源研究的现状及未来发展趋势。
第二章研究现状2.1 动能利用动能主要是指海水中的波浪和水流等，目前已有多种动能利用技术，包括波浪发电、潮汐发电和水流发电等。
波浪发电技术是目前发展较为成熟的海洋能源利用技术之一。
波浪能转化为机械能，通过海底电缆将其输送到岸上的变电站中，然后再通过变压器将电能输送到电网中。
目前已经有多个国家在实施波浪发电项目，如英国、澳大利亚等。
2.2 潮汐利用潮汐是由于月亮和太阳的引力所引起的海水波动，能量较为稳定。
潮汐发电技术是将潮汐能转换成电能，实现洋流的利用。
目前已有多个国家在实施潮汐发电项目，如法国、加拿大等。
2.3 温差利用海洋中存在海水和深海热水之间的温差，温差能则是指利用这种温差产生热机效应，从而将海水中的热能转换成电能。
温差发电技术尚处于实验阶段，但它有望成为未来海洋能源利用的重要领域之一。
2.4 海洋地热能利用海洋地热能是指海底地热能，这种能源本质上类似于陆地上的地热能，可以通过地热采集器将其与海水相结合。
目前，海洋地热能利用技术也在不断地得到发展。
第三章发展趋势3.1 政策的支持政策的支持是海洋能源未来发展的重要条件。
在全球范围内，越来越多的政府开始重视海洋能源的利用，制定出相应的政策和法规，为海洋能源的发展提供了有力的支持。
3.2 科技的推进科技的不断推陈出新也是海洋能源未来发展的重要条件。
随着科技的不断进步，海洋能源的利用效率将会得到极大提高，其开采成本也将逐渐降低。
3.3 行业合作行业合作是不可或缺的。
海洋能源涉及的领域广泛，需要多个领域专家的共同合作。
能源公司、环保机构等都可以参与其中，以推动海洋能源的发展。
第四章总结综上所述，海洋能源的利用已经取得了一定的进展，不仅是目前世界上最重要的可再生能源之一，而且在尚未开发的海域中，其潜力巨大。
海洋藻类生物质利用的反应器技术研究进展
海洋藻类生物质利用的反应器技术研究进展近年来，随着全球能源需求的增长和对可持续发展的追求，海洋藻类生物质被认为是一种潜力巨大的可再生能源资源。
藻类生物质利用不仅可以替代传统能源源，还具有减少温室气体排放和改善环境质量的优势。
在利用海洋藻类生物质的过程中，反应器技术的发展起到了至关重要的作用。
本文将对海洋藻类生物质利用的反应器技术研究进展进行探讨。
海洋藻类生物质利用的反应器技术主要集中在藻类培养、藻类退化与利用三个方面。
藻类培养反应器技术是海洋藻类生物质利用的关键环节。
目前，常见的藻类培养反应器包括传统的塔式反应器、光生物反应器、膜反应器等。
塔式反应器是最早也是最常用的藻类培养反应器之一。
它具有结构简单、操作方便的优势，但存在传质不均、气液分散不均匀等问题。
光生物反应器是利用太阳能光照提供光合作用所需的能量，通过控制反应器内部光线照射强度和照射时间，优化藻类培养环境。
膜反应器则通过使用半透膜分离和浓缩藻类细胞，提高藻类的生物质积累效率。
对于藻类退化与利用，反应器技术可以有效提高藻类生物质的产率和质量。
藻类退化主要包括干燥、破碎和提取等工艺步骤。
传统的藻类退化方法通常采用机械破碎和化学溶解等方式，但存在能耗大、操作繁琐、产品纯度低等问题。
近年来，超声波、微波和离子液体等新型退化技术被广泛应用于藻类生物质退化过程中。
这些新技术具有操作简单、退化效率高、产品纯度高等优点，对藻类生物质的利用具有较大的潜力。
利用反应器技术将退化后的藻类生物质进行高值化利用是另一个重要的研究方向。
藻类生物质的高值化利用主要包括油脂、蛋白质和多糖等方面。
以油脂为例，利用酶法、超临界流体萃取等技术可以高效地从藻类中提取油脂。
此外，利用藻类生物质生产生物柴油、生物氢和生物电等也是当前关注的研究热点。
这些高值化利用技术不仅能够增加藻类生物质的经济价值，还可以减少对传统石化能源的依赖，实现可持续发展。
在海洋藻类生物质利用的反应器技术研究中，仍存在一些亟待解决的问题。
海洋能生物质能
海洋能生物质能海洋能生物质能是指利用海洋中生物体的生命活动和生物体的遗体等，转化为能量的一种能源形式。
海洋能生物质能是一种可再生能源，具有广泛的资源分布和巨大的潜力。
本文将介绍海洋能生物质能的来源、利用方式以及其在可持续发展中的重要性。
一、海洋能生物质能的来源海洋能生物质能的主要来源是海洋生态系统中的生物体。
海洋生态系统包括海洋植物（如海藻、藻类等）和海洋动物（如鱼类、海洋无脊椎动物等）。
这些生物体通过光合作用和食物链的物质转化过程，将太阳能转化为化学能，形成生物质能。
海洋植物是海洋能生物质能的重要来源之一。
海藻是一种常见的海洋植物，它们具有高度的生长速度和丰富的能量储存。
海藻可以通过光合作用将太阳能转化为化学能，其中的有机物质可以被提取出来，用作生物燃料或其他能源形式。
此外，海藻还可以作为饲料、肥料和药物等方面的资源利用。
海洋动物也是海洋能生物质能的重要来源之一。
海洋动物通过食物链的物质转化过程，将植物的生物质能转化为自身的能量。
这些动物包括海洋鱼类、虾蟹类、贝类等。
在这些动物死亡后，它们的遗体会沉积到海底，形成有机质的堆积。
这些有机质可以通过特定的技术提取出来，用于发酵产生甲烷等生物燃料。
海洋能生物质能可以通过多种方式进行利用。
其中，生物质能的转化是最常见的利用方式之一。
生物质能的转化可以分为直接转化和间接转化两种方式。
直接转化是指将海洋生物质能直接燃烧，产生热能或电能。
间接转化是指通过发酵、气化等技术，将海洋生物质能转化为沼气、乙醇、生物柴油等可再生能源。
海洋能生物质能还可以用于生态系统的修复和保护。
海洋生态系统中的生物体具有吸收二氧化碳、净化水体等功能，通过合理利用海洋能生物质能，可以促进生态系统的健康发展，提高生态环境的质量。
三、海洋能生物质能的可持续发展重要性海洋能生物质能作为可再生能源，具有很高的可持续发展潜力。
首先，海洋生态系统中的生物体具有快速生长和丰富资源的特点，可以满足能源需求的持续供应。
海洋能的研究与应用前景
海洋能的研究与应用前景近年来，随着能源需求的不断增长和对环境保护的关注度提高，海洋能作为一种可再生的清洁能源逐渐受到人们的重视。
本文将探讨海洋能的研究现状以及其在能源领域的应用前景。
首先，我们来了解一下海洋能的概念。
海洋能是指利用海洋中的各种能量形式，如潮汐能、波浪能、温差能等，将其转化为电能或其他形式的能源。
相比于传统能源，海洋能具有资源广泛、稳定可靠、环境友好等特点，有望成为替代化石能源的重要选择。
一、海洋能的研究现状目前，全球范围内针对海洋能的研究仍处于相对初级的阶段。
各国学者和科研机构通过对海洋能发电设备的改进和优化，不断提高能源转化效率和可持续利用程度。
同时，研究人员还在探索其他海洋能的开发和利用方式，如海洋能与其他能源形式的混合利用等。
这些研究成果为海洋能产业的发展打下了坚实的基础。
二、海洋能的应用前景海洋能的应用前景十分广阔，涉及海洋发电、海洋热能利用、海水淡化等领域。
以下将分别对这几个方面进行探讨。
1. 海洋发电海洋发电是利用海洋潮汐、波浪、温差等能量形式进行能源转化的过程。
其中，潮汐发电是目前应用较为成熟的技术之一。
潮汐能是指由于海洋潮汐引起的涨落水位差，可以通过潮汐发电机组将其转化为电能。
潮汐发电不受气候和地理条件的限制，具有较高的稳定性和可预测性，对于能源的供应具有重要意义。
此外，波浪发电、温差发电等技术也正在不断发展，有望成为未来海洋发电的重要部分。
2. 海洋热能利用海洋中的温差能是指海水表层温度与深海温度之间的温差。
利用温差能进行能源转换，可以通过海洋热能利用技术产生电能或提供制冷、供暖等服务。
海洋热能的利用具有连续性和稳定性的特点，适用于一些特定地区和场景的能源供应。
虽然目前海洋热能利用技术还存在一些问题和挑战，但是其前景十分广阔。
3. 海水淡化随着淡水资源的短缺问题日益突出，海水淡化技术成为了重要的解决方案之一。
海洋能可以被应用于驱动海水淡化过程中的能源需求，通过将海水转化为淡水以满足生活和工业用水需求。
生物质能研究现状及未来发展策略
生物质能研究现状及未来发展策略一、本文概述随着全球能源需求的不断增长，传统化石能源的日益枯竭，以及环境污染问题的日益严重，生物质能作为一种清洁、可再生、可持续的能源形式，受到了广泛关注。
本文旨在全面梳理生物质能的研究现状，深入剖析其在能源转型、环境保护和经济发展等方面的重要作用，同时探讨生物质能未来发展的策略与路径。
我们将从生物质能的定义、特点出发，介绍其在能源领域的应用现状，分析存在的问题与挑战，最后提出针对性的未来发展策略，以期为我国乃至全球的生物质能发展提供参考和借鉴。
通过本文的阐述，我们期望能够增进对生物质能的认识，推动其在全球能源结构中的优化与升级，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系贡献力量。
二、生物质能研究现状近年来，生物质能作为一种可再生、低碳的能源形式，已逐渐成为全球能源领域研究的热点。
其在能源结构中的比重逐渐上升，为应对气候变化、推动可持续发展提供了重要途径。
目前，生物质能的研究和应用主要集中在生物质发电、生物质燃料、生物质热化学转化以及生物质生物化学转化等领域。
在生物质发电方面，生物质直燃发电和生物质气化发电技术已相对成熟，广泛应用于农林废弃物、生活垃圾等的能源化利用。
生物质发电不仅可以替代化石燃料，减少碳排放，还能在一定程度上解决废弃物处理的问题，具有环境友好的特性。
生物质燃料的研究与应用也日益广泛，生物柴油、生物质成型燃料等已成为替代传统化石燃料的重要选择。
这些燃料具有可再生、低污染的特性，在交通、工业等领域有着广阔的应用前景。
生物质热化学转化技术，如生物质热解、生物质气化等，能够将生物质转化为高品质的气体或液体燃料，提高生物质能的利用效率。
目前，这些技术仍处于研究和示范阶段，但其在未来能源领域的应用潜力巨大。
生物质生物化学转化技术，如生物质发酵产乙醇、生物质酶解产糖等，是生物质能利用的另一重要方向。
这些技术能够将生物质转化为高附加值的化学品或生物燃料，对于推动生物质能的深度利用具有重要意义。
海洋浮游动物生物质利用的反应器技术研究进展
海洋浮游动物生物质利用的反应器技术研究进展海洋浮游动物是海洋生态系统中的重要组成部分，其生物质潜力巨大。
利用海洋浮游动物进行生物质利用，不仅可以提供可再生的生物资源，还有助于解决环境问题和发展可持续的能源。
为了更好地利用海洋浮游动物的生物质，近年来，研究人员在反应器技术方面做出了重要的突破和进展。
本文将对海洋浮游动物生物质利用的反应器技术研究进展进行综述。
一、生物质的提取技术海洋浮游动物生物质主要包括藻类和浮游动物，它们的生物质中富含蛋白质、多糖、脂肪酸等有机物质。
提取这些成分需要高效的技术。
传统的提取方法包括溶剂提取、酶解提取等，但这些方法存在着一定的问题，如提取过程中有机溶剂的使用会带来环境污染、酶解产物的回收困难等。
因此，研究人员开始探索新的提取技术。
超声波辅助提取技术是近年来被广泛应用于海洋浮游动物生物质提取的一种方法。
利用超声波的机械效应和热效应，可以加速细胞壁的破碎，使得细胞中的有用成分迅速释放。
此外，超声波还可以提高提取速度和提取率，减少能源和溶剂的使用。
因此，超声波辅助提取技术已被用于从海洋浮游动物中提取蛋白质、多糖等生物质。
二、生物质的利用技术海洋浮游动物的生物质在能源、食品、医药等领域具有广泛的应用前景。
以下将分别介绍利用海洋浮游动物生物质的三个主要领域的研究进展。
1.能源利用海洋浮游动物藻类是重要的生物质能源来源，其油脂含量较高，可以被用作生物柴油的原料。
研究人员通过光合作用培养藻类并提取其中的油脂，然后通过转化和精炼技术，将藻类油转化为生物柴油。
此外，藻类还可以被用来生产生物气体，如甲烷和氢气，这些气体是潜在的清洁能源。
2.食品利用海洋浮游动物中的蛋白质和多糖是优质的食品成分。
蛋白质是人体所需的重要营养成分，而多糖具有一定的保健功效。
研究人员通过生物质提取技术从海洋浮游动物中提取蛋白质和多糖，并对其进行纯化和功能改性，使其更适合食品加工。
此外，海洋浮游动物还可以被用来制作食品添加剂，如胶原蛋白和抗氧化剂等。
海洋生物质燃料的生产与利用
海洋生物质燃料的生产与利用随着全球能源的日益紧张，寻求可再生的清洁能源已经成为世界各国政府和科学家关注的话题。
而海洋生物质燃料作为一种潜在的可再生能源，其生产和利用也越来越引起人们的关注。
本文将从海洋生物质燃料的来源、生产技术和利用前景三个方面进行探讨。
一、海洋生物质燃料的来源海洋生物质燃料是指由海洋中的各种生物质所提供的能源，包括海藻、海草、海洋微生物等。
其中，海藻是最为重要的一种生物质，因其易于培育、高生长速度和丰富的营养价值而备受关注。
目前，世界上已经发现了超过1000种海藻，其中一些种类的生物质燃料产量甚至可以超过传统能源。
二、海洋生物质燃料的生产技术海洋生物质燃料的生产技术主要包括：海藻培育、生物质处理和燃料转化三个环节。
首先，海藻培育是海洋生物质燃料生产的第一步，其培育方法主要有震荡培养、流动培养等。
其次，生物质处理主要是将摘下来的海藻进行干燥等处理，以提高其热值和稳定性。
最后，燃料转化主要包括生物质气化、燃烧和发酵等技术，将处理好的生物质转化为能源。
其中，生物质气化被认为是最为环保、经济和具有前景的一种技术。
该技术将生物质转化成燃气，可以直接用于发电或加热家庭。
同时，燃气的产生也可以用于制造合成燃料，如生物柴油等。
三、海洋生物质燃料的利用前景尽管海洋生物质燃料具有巨大的潜力，但目前其实际利用还存在较多的挑战。
首先，生产成本相对较高，尤其是在海藻的种植、采摘、加工等方面，需要大量的人力物力。
同时，海洋生物质燃料的利用还面临技术不成熟、政策缺乏和市场不健康等问题。
但同时，未来海洋生物质燃料在实现可持续发展、减少碳排放、增加就业机会等方面都存在巨大的潜力。
因此，如果政府和企业可以在资金和政策、技术和市场等方面给予支持，海洋生物质燃料的利用前景必然会更加光明。
总结海洋生物质燃料作为一种潜在的可再生能源，其生产和利用必将成为我们未来能源领域的重要话题。
虽然挑战依旧存在，但通过不断创新和探索，我们相信一定能够突破技术瓶颈，实现海洋生物质燃料的利用和发展。
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第24卷 第4期2009年4月地球科学进展ADVANCES I N E ART H SC I ENCEVol.24 No.4Ap r.,2009文章编号:100128166(2009)0420403208海洋生物质能研究进展及其发展战略思考①任小波1,吴园涛2,向文洲2,秦 松3(1.中国科学院资源环境科学与技术局,北京 100864;2.中国科学院南海海洋研究所,广东 广州 510301;3.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071)摘 要:生物质能的研究与开发的目的是解决化石资源短缺和温室气体排放等全球性问题。
利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前生物质能产业化开发的重要内容,其原料来源主要依赖农作物,从而导致了生物质能开发与粮食、耕地和水资源竞争的局面。
海洋生物质能的开发和利用为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。
介绍了海洋生物质能的国内外研究进展,分析了有关国家战略需求和关键科学问题,提出了我国发展海洋生物质能的战略思考和下一步的研究重点。
关 键 词:海洋生物质能;微藻;大型海藻;生物燃油;燃料乙醇中图分类号:S216;P745 文献标志码:A1 前 言化石资源短缺和环境污染是当今经济和社会发展所面临和必须解决的两大问题。
一方面,有限的化石资源日趋耗尽,石油短缺和价格上涨已经成为制约全球经济发展的重要因素之一;另一方面,化石资源利用造成严重的环境污染,并可能导致全球变暖和灾害性气候频发等系列问题,由此造成每年数千亿美元的损失。
上述危机已经引起全球有识之士的关注和思考:人类如何减少和摆脱对化石资源的依赖,如何改变目前高消耗、高污染的经济发展模式?作为上述问题的答案,寻求可再生能源替代化石资源、建立可再生能源支撑下的经济社会可持续发展的新模式,顺利渡过“后化石经济时代”并最终进入“无化石经济时代”,已经成为全球的共识。
许多国家纷纷投入巨资积极开展相关研发工作,生物质能的开发就是其中一项重要的组成部分。
利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前全球生物质能产业化开发的重要内容。
一方面,由于目前的生物质能开发主要以农作物为原料,导致了与粮食、耕地、水等资源竞争的局面;另一方面,上述原料的发展空间有限,难以满足未来市场的需求。
海洋生物质能的开发为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。
本文将全面阐述国内外海洋生物质能研究开发的现状和未来发展战略的思考,为我国海洋生物质能研究和开发提供参考。
2 国内外海洋生物质能研究现状生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,它以生物质为载体,直接或间接地来源于植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,替代煤炭、石油和天然气等化石燃料,可永续利用,具有环境友好和可再生双重属性。
生物质能产业发展潜力巨大、前景广阔,但是目前产业化的主要瓶颈是原料来源、生产成本等问题,海洋生物质能的研究和开发,可能为生物质能产业提供充足和廉价的原料供应,成为当前全球生物质能研究开① 收稿日期:2009202205;修回日期:2009203204.3基金项目:国家自然科学基金项目“生物产氮(N2)新途径———绿藻MC21光合氨氧化作用的代谢机制探索”(编号:40776087)资助. 作者简介:任小波(19712),男,四川合江人,副研究员,主要从事大气科学和海洋科学的科研管理工作.E2ma il:xbren@发的新方向。
2.1 海洋生物质能开发的特点和优势海洋生物质能是海洋植物利用光合作用将太阳能以化学能的形式贮存的能量形式,海洋生物质的主要来源为海洋藻类,包括海洋微藻和大型海藻等。
海洋藻类是石油、天然气等现代化石能源的古老贡献者,可以利用海洋、盐碱地等不适合粮食作物生产与林木种植的空间进行规模生产,成为当前生物质能研究领域的热点,已经引起了全球各界的广泛关注。
2.1.1 海洋微藻生物质能开发的特点和优势海洋微藻生物质能的研究一直是国际生物质能研究的重点,甚至有一些学者认为微藻是解决能源与环境问题的终极出路。
海洋微藻生物质能开发具有以下特点和优势:(1)生长速度快,光合效率高:微藻是光合效率最高的光合生物之一,可能提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。
(2)适应能力强,不争地,不争水:一些微藻具有盐碱适应能力,可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养;利用封闭式光生物反应器培养微藻,生产相同量的生物质,其耗水量仅为农作物的1%。
(3)大量积累脂质,因而可高效生产生物燃油:一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50%～90%,有望成为最有前景的生物燃油来源。
(4)具有减排效应,可以直接处理工业废气:微藻可以通过光合作用利用废气(CO2、NO2)和废水,不仅能缓解温室气体的排放,而且可以通过利用废水废气降低生产成本,一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制(Carbon Concentrating Mechanis m, CC M)直接吸收CO2并转化为碳酸氢(盐),具有显著减排效应,有望进行商业化减排。
(5)可高值化综合利用:微藻含有丰富的生物活性物质,在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用,相对降低微藻产油的成本。
可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料和饵料等。
2.1.2 大型海藻生物质能开发的特点和优势大型海藻含有丰富的碳水化合物(海藻胶、纤维素、海藻淀粉等)和甘露醇,可以转化为燃料乙醇等,有关研究已有多年的积累,大型海藻生物质能开发具有以下特点和优势:(1)产量高,可大规模栽培。
(2)不占用土地与淡水资源,可以避免海洋生物质能开发对粮食安全的影响。
(3)有利于保护海洋环境,预防海洋灾害:大型海藻的栽培可以有效吸收富营养化元素,抑制赤潮发生;还可通过光合作用吸收利用CO2,产生显著的减排效益。
(4)大型海藻木质素含量比陆地植物少得多、藻体柔软、机械强度不高,因此容易被破碎和消化,从而可以降低燃料乙醇等的生产成本。
(5)整个藻体均可用于生物质能开发,剩余的原料可以通过综合利用,做到“吃干榨尽”。
2.2 海洋生物质能研究的历史和现状在面临能源危机和环境污染的国际背景下,早在20世纪70年代美国、日本、西欧等国家就开始了海洋生物质能的前期探索和研究工作,如美国的海洋生物质能源计划(1974)、水生物种计划(1978);日本的新能源开发计划(阳光计划,1974)、节能技术开发计划(月光计划,1978)、环境保护技术开发计划(1989)、能源与环境领域综合技术开发推进计划(新阳光计划,1993);印度的乙醇利用计划(1975)、巴西的乙醇能源计划———普洛阿尔库尔计划(1976)等。
经过多年的研究和开发,很多国家以粮油作物为资源的生物质能开发已实现了规模化生产。
但是逐渐引发了粮食、耕地和水资源危机,以及土壤结构和植被生物多样性破坏等生态问题。
联合国近期公布的分析报告指出,生物质能的开发对粮食涨价的贡献达到了75%。
由于上述原因,2008年,美国与欧盟相继修正甚至中止了利用农作物开发生物质能的项目。
美国、欧盟、澳大利亚、日本、印度等国政府和企业都投入了大量资金来进行海洋生物质能的开发,力图改变当前以粮食作物为主要原料的局面,试图提出一种全新的解决思路。
2.2.1 海洋微藻生物质能的研究:美国的“水生物种计划”(ASP)和微藻产油产业化研究热点20世纪70年代末,由于当时的能源危机,美国政府针对能源微藻启动了“水生物种计划”(Aquatic Species Pr ogra m,ASP,1978—1996)。
ASP计划由美国可再生能源国家实验室主导,开展包括产油微藻优良藻种的筛选、产油微藻的培养模式、油脂代谢的调控与分子操作、产油微藻的减排效应等方面的研究,重点方向为产油微藻藻种的分离筛选和产油微藻的培养。
该计划获得了以单细胞绿藻和硅藻为主的数百种具有产油潜力的微藻,在加州沙漠与夏威夷海滩分别进行了2个工厂化中间试验,并且建立404 地球科学进展 第24卷了一些有效提高微藻油脂含量的方法,还带动了80～90年代全球性产油微藻的研发热潮,推动了海洋微藻产油技术的基础理论和产业化实践的发展。
ASP计划的研究结果表明:筛选生长快、含油量高、适应能力强的优良藻种是产油微藻开发的核心问题,建立低成本的培养模式是产油微藻的应用技术难题,而相对低成本的开放式培养是最有前景的培养模式。
经推算,微藻产油可望有效解决能源危机,利用20万hm2沙漠培养微藻,每年可生产75亿gal 生物柴油,而利用15%的Sonora沙漠(位于美国中西部)面积即可生产出足够的生物柴油完全替代美国运输业的需求。
从20世纪80年代初期开始,以保健食品、饲料、功能性活性成分为开发目标,微藻大规模养殖技术取得了重要进展,螺旋藻、盐藻及小球藻均建立了低成本的产业化培养技术,为产油微藻的开发提供了良好的借鉴体系。
微藻产业化培养设施包括开放式光生物反应器、封闭式光生物反应器以及封闭/半封闭式光生物反应器等多种方式。
其中开放式光生物反应器的培养方式出现最早,但是其培养方式要求微藻能够适应极端盐碱条件,因此大多数微藻不能采用这种方式。
封闭式光生物反应器可以避免敌害生物的污染并能提高生产效率,但是由于成本过高,以及反应器设计方面的技术难题,目前还难以应用于产油微藻的产业化生产。
实践表明:简易、低成本的封闭/半封闭式光生物反应器,并与开放式反应器耦合,可在不显著增加成本的基础上大幅度提高微藻的生产效率,并减少雨水、蒸发等因素对开放式培养效率的不利影响,降低开放式培养对水源供应的依赖,可能为产油微藻的产业化生产提供借鉴。
2007年初,当布什总统宣布在今后10年内,用生物质燃油取代10%的全美石油消耗量的计划后,国际上已有数十家公司和机构纷纷宣布开发微藻产油技术,其中包括国际石油巨头壳牌(SHE LL)石油公司与雪佛龙(CHE VRON)石油公司、美国国防部、国家可再生能源实验室(NRE L)、麻省理工学院(M I T)以及美国最大的生物柴油公司L I V EF UEL 等,最大规模的产油微藻试验面积已达数十万平方米。
同时,英国、德国、澳大利亚、意大利、以色列等国先后实施了有关产油微藻的开发项目。
海洋微藻生物质能的研究,成为当前国际生物质能研究的热点和重点领域,陆续有一批重大的研究计划准备开展实施。
2.2.2 大型海藻生物质能的研究:美国的“海洋生物质能源计划”(Marine B i omass Pr ogra m,MBP)和日本“海洋日升项目”(Ocean Sun2rise Pr oject,OSP)在人类开发海洋藻类资源的历史进程中,大型海藻主要被用作重要的食物与化工原料来源,其栽培技术已经得到长足发展。