微藻制备生物柴油的研究
微藻柴油的简介及其面临的主要问题
任课教师：张正义微藻柴油的简介及其面临的主要问题目前制约生物柴油发展的难题，主要是原料昂贵、来源不稳定。
由于世界各国采用的多为油料植物、粮食作物等原料，成本高、生长周期长并受环境限制，因此生物柴油的价格远高于传统柴油。
选取合适的、低成本植物油脂资源来发展和生产生物柴油成为各国的研究热点。
而利用藻类生物质生产液体燃料对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机，有着巨大的潜力。
藻类是最低等的、自养的放氧植物，也是低等植物中种类繁多、分布极其广泛的一个类群，具有生物量大、生长周期短、易培养及脂类含量较高等特点，是制备生物质能源的良好材料。
此外，藻类在增值过程中大量吸收温室气体二氧化碳，在实现清洁能源生产的同时，减排二氧化碳。
微藻生物柴油能够解决目前使用植物原料发展生物柴油面临的耕地不足、气候变化对产量影响大和引起农作物价格上涨等突出问题。
通过转基因技术培育“工程微藻”，繁衍能力高，生长周期短，比陆生植物产油高出几十倍，并且能用海水作为其天然培养基进行工业化生产。
面对植物原料生产生物柴油的诸多问题，利用微藻产油具有不与农业争地的明显优势，而且可用海水作为天然培养基进行大量繁殖。
跟植物一样，微藻也是利用光照产油，但却比植物作物的效率高很多。
大多数微藻的产油量远远超过了最好的油料作物。
不像其他油料作物，微藻生长极为迅速，而且含有极其丰富的油脂。
藻类光合作用转化效率可达１０％以上，含油量达３０％。
微藻的生物柴油产量是最好的油料作物的８～２４倍。
微藻不是一个分类学的名词，而是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体。
微藻通常是指含有叶绿素ａ并能进行光合作用的微生物的总称，其中还包括蓝细菌。
目前发现的藻类有三万余种，其中微小类群占７０％，广泛分布于各种水体。
目前应用生物技术进行大量培养或生产的微藻分属于４个藻门：蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门。
当前，国内外有许多科学家在探索发现新的藻种，并研制“工程微藻”，希望能实现规模化养殖，降低成本，为获取油脂资源提供一条可靠的途径。
微藻生物柴油的现状与进展
微藻生物柴油的现状与进展一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的日益加强，寻找可再生、环保的替代能源已成为全球科研和工业领域的热点。
微藻生物柴油作为一种新兴的绿色能源，其独特的优势与潜力正逐渐受到人们的关注。
本文旨在全面概述微藻生物柴油的当前发展状况、技术进步、应用前景以及面临的挑战，以期对微藻生物柴油的研究与应用提供有益的参考和启示。
文章将首先介绍微藻生物柴油的基本概念、特点及其作为可再生能源的重要性，然后重点分析微藻生物柴油的生产技术、产业链构建、市场应用等方面的现状与进展，最后探讨其未来发展趋势和可能遇到的问题。
通过本文的阐述，读者可以对微藻生物柴油有一个全面而深入的了解，为相关研究和产业发展提供有益的参考。
二、微藻生物柴油的基础知识微藻生物柴油是一种由微藻经过特定培养和处理过程后提取出的可再生能源。
微藻，作为一类微小的水生植物，具有生长迅速、光合作用效率高、生物量产量大等特点，因此被视为生物柴油生产的理想原料。
微藻生物柴油的生产过程主要包括微藻的培养、收获、油脂提取和生物柴油的合成等步骤。
在微藻培养阶段，需要选择适合的培养基和光照条件，以促进微藻的生长和油脂的积累。
收获阶段则采用离心、过滤等方法将微藻从培养液中分离出来。
油脂提取则利用有机溶剂或物理方法将微藻细胞内的油脂提取出来。
通过酯化或酯交换反应，将提取出的油脂转化为生物柴油。
与传统的化石柴油相比，微藻生物柴油具有可再生、环保、可持续等优点。
微藻生物柴油的原料来源广泛，生长周期短，不受地域限制，因此具有巨大的生产潜力。
微藻生物柴油的燃烧产物主要是二氧化碳和水，对环境影响小，有利于减缓全球气候变化。
微藻生物柴油的燃烧效率高，动力性能良好，能够满足现代交通工具的需求。
然而，微藻生物柴油的生产也面临一些挑战和限制。
微藻生物柴油的生产成本较高，主要包括微藻培养的成本、油脂提取和生物柴油合成的成本等。
微藻生物柴油的生产过程中会产生一些废弃物和废水，需要进行有效的处理和处置。
微藻与生物柴油知识点总结
微藻与生物柴油知识点总结一、微藻简介微藻（Microalgae）是一类单细胞或多细胞的微小藻类植物，它们通常生长在水体中，并且可以进行光合作用来进行自我营养。
微藻具有高生长速度、高光合效率、丰富的油脂储备等优点，因此被认为是未来可持续能源的重要来源。
微藻可用于生物燃料、食品添加剂、医药等领域。
二、微藻生产生物柴油的原理微藻中的油脂是生产生物柴油的主要原料。
通过光合作用，微藻会积累大量油脂，其油脂含量可达20% - 50%。
生产生物柴油需要将微藻中的油脂提取出来，经过酯化等化学过程，将其转化为生物柴油。
这一生产过程可以使用碳中和的方式，减少对环境的负面影响。
三、微藻生产生物柴油的优势1. 高能效：微藻生产生物柴油的能量投入产出比高，有利于提高能源利用效率。
2. 可持续性：微藻作为生物原料，其生产过程不会产生温室气体和其他污染物，对环境友好。
3. 原料丰富：微藻生长速度快，可在短时间内获得大量原料，供应相对充足。
4. 可再生：微藻是可以再生的生物资源，具有无限的潜在供应量。
5. 多用途：微藻生产的生物柴油不仅可以替代常规石油柴油，还可以作为食品添加剂、医药原料等。
四、微藻生产生物柴油的挑战1. 成本问题：目前微藻生产生物柴油的成本较高，需要通过技术创新和规模效应等手段降低成本。
2. 生产规模：微藻生产的规模较小，需要通过工程技术手段提高规模化生产的能力。
3. 技术要求：微藻生产生物柴油需要复杂的生产工艺和设备，需要进一步提升技术水平。
4. 资源利用：微藻生产生物柴油对水资源、土地资源等资源有一定的需求，需要合理分配资源，避免资源浪费。
5. 法律政策：相关法律政策对于微藻生产生物柴油的规范和支持程度还待完善。
五、微藻生产生物柴油的应用前景1. 交通运输领域：微藻生产的生物柴油可以替代传统石油柴油，应用于汽车、船舶以及航空等交通工具中。
2. 工业用途：生物柴油还可以用于工业锅炉、发电机组等设备中，起到减少对化石能源的依赖，减少温室气体排放的作用。
3利用微藻热化学液化制备生物油的研究进展
利用微藻热化学液化制备生物油的研究进展前言随着现代工业的飞速发展，大量化石能源消耗所带来的化石燃料紧缺和严重的环境污染问题已成为制约全球可持续发展的两大难题。
生物质能储量丰富，并且是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源，现已逐渐成为国内外新能源研制和开发的热点。
而在众多的生物质中，微藻具有光合作用效率高、生物量大、生长周期短、环境适应能力强、易培养、脂类含量高、生长过程中可高效固定二氧化碳等特点，是制备生物质液体燃料的良好材料[1~5]。
利用微藻制备液体燃料在环保和能源供应方面都具有非常重要的意义，商业化前景良好[6，7]。
2007年， Williams[8]综合近年来的研究成果，指出微藻生物燃料的开发可以降低因使用化石能源给社会和环境带来的影响，将会成为未来生物燃料开发的趋势。
Ayhan Demirbas[9]则指出藻类即将成为最重要的生物燃料来源之一，微藻能源的广泛使用将会解决威胁全人类的全球气候变暖问题。
微藻热化学液化制备生物油技术将藻类转换成液体燃料的研究始于 20世纪 80年代中期，当时人们通常用溶剂萃取微藻中的脂类成分，分离得到油脂后进一步甲酯化或乙酯化生产生物柴油(萃取酯化法)。
该技术起步早，生产工艺相对成熟，所得油品质量好，使用性能与矿物石油基本相当，是目前国内外研究者以微藻为原料制备液体燃料最常用的实验室方法。
但萃取酯化法只能将微藻的脂类组分能源化，对原料脂类含量有较高要求，所得产物性能受脂类组成的影响很大，并存在生产步骤多、过程总体效率较低、能耗高等缺点，难以实现大规模工业化应用。
近年来，人们又研究采用热化学液化的方法将微藻转化为优质的生物油。
生物油是便于运输、存储的绿色燃料，经过精制可转化为替代石油的常规燃料。
生物油(由快速热解木材和微藻制备)与石油的部分典型属性值比较见表1[10]。
热化学液化方法预处理和生产过程简单、生产成本相对较低、转化率高，是实现藻细胞所有组分能源化，获得高产率绿色液体燃料的有效方法，对其进行深入研究，对于解决当前化石能源短缺和环境污染问题具有重要的现实意义。
国标-》应用工程微藻制备生物柴油的新途径
应用工程微藻制备生物柴油的新途径‟宋东辉1，侯李君1，施定基1工‟(1天津科技大学海洋科学与工程学院，天津，300457；2中国科学院植物研究所，北京，100093)摘要：生物柴油作为化石能源的替代燃料已在国际上得到广泛应用。
至今生物柴油的原料主要来自油料植物，但与农作物争地的情况以及较高的原料成本限制了生物柴油的进一步推广。
微藻作为高光合生物有其特殊的原料成本优势，微藻的脂类含量最高可达细胞干重的80％。
利用生物技术改良微藻，获得的高油脂基因工程微藻经规模养殖，可大大降低生物柴油原料成本。
本文介绍了国内外生物柴油的应用现状，阐述了微藻作为生物柴油原料的优势，对基因工程技术调控微藻脂类代谢途径的研究进展，以及在构建工程微藻中面临的问题和应采取的对策进行了综述和展望。
关键词：基因工程；微藻；生物柴油随着全球经济一体化的不断发展，石油作为战略资源已成为世界各国能源经济的最主要内容。
我国目前是世界上第二大能源生产和消费国，石油供给不足已经成为影响我国经济和社会发展的主要矛盾之一。
发展替代能源是保障能源安全的重大战略举措。
近年来生物柴油作为化石能源的替代燃料，已成为国际上发展最快、应用最广的环保可再生能源。
本文结合国内外生物柴油的研究进展，综述微藻基因工程制备生物柴油的可行性和发展趋势，以及我国在利用微藻基因工程解决生物柴油原料成本问题上的可能对策。
1国内外生物柴油原料的研发进展1．1世界各国制备生物柴油的原料选择生物柴油不含石蜡，闪点高，燃烧性能和效率要高于普通柴油，使用时更安全；同时可以通过种植、养殖或培养源源不断地得到，因而属于可再生资源；生物柴油产品中含硫和氮较少，可以减少产生s02 和NO对大气的排放量Ⅲ。
由于生物柴油具有其他生物质燃料不可比拟的优良特性，世界各国纷纷开展生物柴油原料的研发和产业化工作，以替代储量日益减少且严重污染环境的化石燃料。
按照当前技术，利用动植物油脂等原料生产生物柴油，其原料成本占总生产成本的50．85％”】，所以原料成本是决定生物柴油价格的最主要因素。
以微藻为原料的第三代生物燃料的研究概况
以微藻为原料的第三代生物燃料的研究概况摘要温室效应与石化能源紧缺已成为全球问题，生物燃料作为一种可再生且环境友好的替代能源受到人们的普遍关注。
不少微藻油含量高，环境适应性强，净碳值几乎为零，是第三代的生物燃料最重要的原料之一。
本文综述了目前海藻在生产生物燃料过程中的优势、培养方法、技术概况等，提出了目前存在的问题及未来的发展期望。
关键词：微藻;生物燃料;培养方法;转化技术AbstractBiofuel is payed more and more attention as a kind of renewable and environmentally friendly alternate energy source as global warming and fossil energy shortage are becoming global problems. Many microalgaes have higher oil content, better enironmental adaptation and net carbon value is almost to zero. It's the most important raw material of the third generation biofuel. In this article, the advantages of the process of microalgaes' producing biofuel at present, the training method and the outline of technology is reviewed in this article. The problems exists now and the future prospect are proposed as well.Key Words:Microalgae;Biofuel;Training;Method;Transforming Technology1 前言20世纪90年代以来，以燃料乙醇和生物柴油为代表的第一代生物质能得以发展。
微藻
微藻制备生物柴油的研究一、微藻概述藻类，尤其是海洋单细胞藻类，即微藻，是地球上最早的生物物种，它们中的某些物种已经在地球上生存了35亿年之久。
它们能十分有效地利用太阳能将H2O、CO2和无机盐类转化为有机资源，是地球有机资源的最初级生产力，有了它们才有了大气中的氧气，才有了海洋和陆地的其他生物，也才有了人类。
随着科技水平的不断提高，人口的不可逆性增长、人类生活水平的不可逆性提高、陆地资源和可耕种面积的不可逆性减少，全球性食品资源短缺压力日益增加。
开发和利用海洋微藻是最长远的解决人类食品资源和能源的重要途径。
因为藻类不仅富含蛋白质、脂肪和碳水化合物这三大类人类所必需的要素，而且还含有可燃性油类、各种氨基酸、多种维生素、抗生素、高不饱和脂肪酸以及其他多种生物活性物质，是人类向海洋索取食品、药品、燃料、生化试剂、精细化工产品以及其他重要材料的一把金钥匙。
微藻是一类单细胞生物，与陆地微生物相比，微藻具有如下特点：(1)微藻具有叶绿素等光合器官，是非常有效的生物系统，能有效地利用太阳能通过光合作用将H2O、CO2和无机盐转化为有机化合物,因其固定和利用CO2可以减少温室效应。
(2) 微藻一般是以简单的分裂式繁殖，细胞周期较短，易于进行大规模培养，由于微藻通常无复杂的生殖器官，使整体生物量容易采收和利用。
(3)可以用海水、咸水或半咸水培养微藻，因此是淡水短缺、土地贫瘠地区获得有效生物资源的重要途径。
(4) 微藻富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，某些种类还富含油料、微量元素和矿物质，是人类未来重要的食品及油料的来源。
(5)微藻，尤其是海洋微藻，因其独特的生存环境使其能合成许多结构和生理功能独特的生物活性物质。
特别是经过一定的诱导手段微藻可以高浓度地合成这些具有商业化生产价值的化合物，是人类未来医药品、保健品和化工原料的重要资源。
1、小球藻简介小球藻(Chlorella)是小球藻属绿藻门，绿藻纲，绿球藻目，卵孢藻科，小球藻属，包括大约10 个种. 小球藻细胞组成中的蛋白质含量为7.3%~88%，碳水化合物为5.7%~38%，脂类为 4.5~86%。
微藻制油的可行性分析研究
微藻制油的可行性分析研究近年来，国际市场石油价格不断高企，我国从１９９３年起已经成为一个石油进口国。
进口原油不但用去大量外汇，而且主要从局势不稳定的中东地区进口，一旦有突发事件发生，就会造成石油供应减少或中断，将严重威胁国家安全和国民经济的发展。
从国家发展的战略高度考虑，寻找可再生资源已成为当务之急。
利用藻类生物质生产液体燃料，对缓解人类面临的粮食、能源、环境三大危机，有着巨大的潜力，对于减少对石油的依赖、保证国家能源安全具有深远意义。
据了解，我国的有机碳组成中，海洋藻类占了１／３，藻类是一种数量巨大的可再生资源，也是生产生物质能源的潜在资源，其中微型藻类的含油量非常高，可以用于制取生物柴油。
微藻能够有效地利用太阳能，通过光合作用固定二氧化碳，将无机物转化为氢、高不饱和烷烃、油脂等能源物质；而且微藻生物能源可以再生，燃烧后不排放有毒有害物质，对大气二氧化碳没有净增加。
微藻的种质资源丰富，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，倍增时间约3-5天，有的藻种甚至一天可以收获两季，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％～７０％，这是陆地植物远远达不到的，可用于生产生物柴油或乙醇，还可望成为生产氢气的一条新途径。
微藻的产油效率相当高，在一年的生长期内，一公顷玉米能产１７２升生物质燃油，一公顷大豆能产４４６升，一公顷油菜籽能产１１９０升，一公顷棕榈树能产５９５０升，而一公顷的微藻能产生物质燃油９５０００升。
微藻的个体小，木素含量很低，易被粉碎和干燥，用微藻来生产液体燃料所需的处理和加工条件相对较低，生产成本低。
而且微藻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。
微藻在生长过程中还可利用废弃二氧化碳，从而与二氧化碳的处理和减排相结合，国外已经有利用发电厂排放的废弃二氧化碳生产微藻的尝试，占地1平方公里的养藻场一年可以处理5万吨二氧化碳。
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微藻制备生物柴油的研究
一、小球藻简介
小球藻(Chlorella)是小球藻属绿藻门，绿藻纲，绿球藻目，卵孢藻科，小球藻属，包括大约10 个种. 小球藻细胞组成中的蛋白质含量为7.3%~88%，碳水化合物为 5.7%~38%，脂类为4.5~86%。
小球藻细胞中脂类含量的增加主要是由于脂肪酸积累的结果。
在氮饥饿条件下，蛋白核小球藻在生长时可形成高达86%的脂类，而在正常的小球藻细胞中，脂类含量为25%。
在正常和氮饥饿条件下生长的小球藻在脂肪酸组成上没有明显的差异。
此外，小球藻的异养培养技术，特别是高细胞浓度培养技术的研究得到了较深入的发展，这对制备生物柴油需要高生物量的微藻来说，也是具有重要价值的。
小球藻中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A 羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。
选择合适的分子载体，使ACC 基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC 基因引入小球藻中以获得更高效表达。
二、脂肪酶的提取、制备及油脂制备生物柴油
2.1小球藻培养
小球藻置于26℃(±1)光照培养箱通气培养, 光照强度3500lux~4500lux。
培养基成分：Glucose 10g/L，KNO32.0g/L，KH2PO41.25g/L，MgSO41.25g/L，FeSO420mg/L，初始pH8。
自养小球藻培养在标准培养基中,通过光合作用进行自养生长,从而获得绿色的自养小球藻。
通过改变标准培养基中的营养成分,即将甘氨酸成分降至0.1g/L,另加入10g/L葡萄糖,原来绿色的小球藻细胞便通过吸收葡萄糖进行异养生长,从而获得黄色的异养小球藻。
待异养藻细胞生长到对数期后期时,离心收集藻细胞。
2.2粗酶的提取和精制
用匀浆法浆细胞破碎，获得最大蛋白含量及最高总酶活的粗酶液，对细胞破碎得到的粗酶液进行硫酸铵沉淀，当硫酸铵浓度为43%时，除去杂蛋白，再将硫酸铵浓度提高到85%沉淀酶液，将沉淀溶于蒸馏水，采用透析或葡聚糖凝胶G—25脱盐。
对经硫酸铵沉淀和脱盐处理后的粗蛋白进行蛋白质含量和酶活性的测定，再将粗酶液采用强酸性阳离子交换介质进行离子交换吸附，以得到精制的脂肪酶。
2.4酶活性的测定
采用分光光度法测定脂肪酶的活性，并对反应温度，pH，底物浓度，反应时间等条件进行优化，以得出最佳反应条件。
2.5生物柴油的制备
2.1.1原料
成本过高一直是生物柴油发展的瓶颈问题,所以应该在降低原料成本上作出更大的
努力,展开以各种生物质为原料的生产途径的研究,以期最大限度降低原料成本,增加生
物柴油大规模产业化的可行性。
（1）以植物油脂为原料制取生物柴油
利用油菜籽、大豆、花生以及各种油料作物所提取的油脂为原料。
其中以油菜籽制取
的生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯含量较多
2、微生物发酵法制取生物柴油
某些微生物如酵母、霉菌和藻类等在适合的条件下能将碳水化合物转化为油脂贮存在
体内,称为微生物油脂。
3、利用餐饮废油制取生物柴油
以植物油为原料生产生物柴油成本偏高,而将餐饮业废油脂进行回收生产生物柴油则
是一个相对较好的方案
2.2.2工艺
生物酶催化酯交换是指油脂和低碳醇在脂肪酶催化作用下进行酯交换反应，制备生物柴油。
例如：Mohamed M报道，Rhizomucor miehei、Thermo-myceslanuginosa和Pseudomonas fluorescens脂肪酶在含水量极低的正己烷、异辛烷和柴油等有机溶剂中表现出较高的催化活性。
Chen G采用来自于Rorzyae的脂肪酶来催化餐饮废油与甲醇酯交换反应，在加酶量为30wt%、醇油比4∶1、分步添加甲醇的条件下，废油可被高效转化成生物柴油。
2.3生物柴油产率的计算
将分层得到的上层粗制生物柴油先用等量的石油醚洗涤,离心12000r/min,10min,取上层有机相并用两倍体积的50℃蒸馏水洗涤,然后离心,直至完全透明。
分离出上层透明的油相,用无水硫酸钠干燥后,在旋转蒸发仪上将石油醚蒸发干净,得到澄清透明的产品生物柴油。
将产品生物柴油称重,并计算生物柴油的产率。
2.4生物柴油的分析
分析了生物柴油的密度、粘度、燃烧值、酸值、闪点，十六烷值等。
利用vario-EL元素分析仪测定生物柴油的C、H、O、N元素组成。
2.5脂肪酶的工业化生产
以上反应在大规模实际应用中存在反应体系中甲醇容易导致脂肪酶失活而失去催化能力，同时酶的价格偏高，反应时间长，反应后酶制剂不易回收等缺点，因此提高脂肪酶活性和防止酶失活是该法能否实现工业化生产的关键。
主要方法有三种：
一是探索并研制“工程小球藻”,希望能克服小球藻在基因工程改造以及进行高密度培养等技术上的困难，实现小球藻规模化养殖,降低成本,为获取油脂资源提供一条可靠的途径。
二是通过分析小球藻中脂肪酶的氨基酸序列进而得到产生这种酶的基因的序列，提取或是人工合成这个基因片段，通过基因工程手段将其整合进一种易于高密度培养的工程菌中。
三是通过吸附、交联、包埋等方法来固定化脂肪酶，固定化酶可以在反应结束后从体系中分离回收，重新催化新的反应。
三、副产物（甘油）的利用
无论采用何种方法生产，在生物柴油的生产过程中均有副产物粗甘油产生，其数量大约为生物柴油产量的10%，如何充分合理地利用这些甘油是所有生物柴油生产厂家考量最多的事。
鉴于生产条件等原因，大多数生物柴油生产厂家并没有对副产物进行深加工，多是将甘油转售到甘油精炼厂，精制为普通甘油、医药甘油等。
采用微生物发酵方法将粗甘油生成1，3-丙二醇，可以充分的综合利用粗甘油。
目前，世界上仅有美国杜邦与英国壳牌公司能够批量生产1，3-丙二醇，他们的产品一般不外卖，就算能买到，也必须承诺不得用于聚合PTT，他们基本垄断了全球1，3-丙二醇的生产、销售及下游聚合产业。
如果我国的1，3-丙二醇项目能够得以大规模连续生产，就会打破英美两国在该领域的垄断地位，填补国内空白，提高我国在高分子聚合以及纺织纤维工业的竞争力。