微藻能源正成为世界各国重点研究的战略方向——访『973』计划能源领域『微藻能源规模化制备的科学基础』项目首席科学家李元广

<生物产业技术>:请您简单谈谈微藻能源国内外研究和发展概况. 李元广:微藻作为生物能源原料的研究始于20世纪60年代.20世纪70年代国际原油供应紧张,美国、日本、澳大利亚等西方国家为了减少对进口原油的依赖,资助微藻能源方面的研究项目.其中,美国在1978~1996年由国家可再生能源实验室牵头并联合多个单位进行的<水生物种计划--藻类生物柴油>最为著名.     

微藻生物柴油研发态势分析

微藻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,转化为微藻生物柴油。完整的微藻生物柴油成套技术链涵盖多个技术环节,是一个复杂的系统工程,包括微藻生物工程技术、微藻高效规模化养殖技术,以及微藻生物质采收、加工与转化技术等。其中,降低生产成本是当前微藻生物柴油研究面临的主要挑战,各国的研究机构为此开展了多方面的研究。     

微藻生物柴油技术的研究现状及展望

微藻生物柴油是一种优良的可再生新能源,对于解决人类面临的能源短缺和全球变暖两大危机具有潜在的重大战略意义。综述了微藻生物柴油的技术流程、油脂含量较高的微藻藻种、微藻生物柴油的最大技术瓶颈、提高微藻油脂总产量的方法、微藻的大规模培养、微藻的采收和微藻生物柴油的制取等方面的研究现状,并对微藻生物柴油未来的核心研究方向提出了初步见解。     

微藻产油技术进展

发展微藻生物能源是解决能源危机和环境问题的有效途径之一。目前微藻生物能源的藻种筛选、室外养殖、采收、油脂提取、能源制备等各工艺环节均已经打通,但成本高制约了微藻生物能源的产业化发展。本文分析了微藻生物能源的制备工艺(包括藻种特性、培养技术、油脂诱导技术、油脂转化技术等)及应用研究进展(包括反应器),并结合多年在藻种选育、室外规模化培养、低成本采收和藻油多组分分离方面的研究结果与经验,从多角度为微藻生物能源发展给出建议。指出微藻的全价开发将是微藻生物能源发展的有效模式,其中筛选采收成本低、耐污染、油脂含量较高、富含高值副产物的藻种非常重要,丝状藻是一个非常有潜力的方向,并考虑将物理法和水热液化法结合,实现微藻的多成分提取与分离,提高微藻价值的全价开发。     

能源微藻及其生物炼制的现状与趋势

微藻能源是最有发展潜力的生物能源之一。围绕微藻生物能源的产业化技术开发,全世界众多研究机构与公司进行了大量的研究工作,在藻种技术、规模培养技术、生物炼制技术方面取得了很多重要进展。文章对近些年国内外对能源微藻及其生物炼制技术研发的进展进行了综述,提出加强高产油、耐污染、易采收等工程应用性状的藻种选育,重点发展高光效、低水耗和少占地的创新微藻培养方法与装备技术,并通过微藻高值产品产业化,逐步推动以平衡系统经济性为原则的微藻能源和高值品联产的生物炼制体系的建立,对于解决目前微藻能源产业化的经济竞争性问题具有重要意义。     

微藻生物固碳技术在“双碳”目标中的应用前景

微藻生长速度快、CO₂固定效率高,每生产1 t微藻生物质可固定1.83 t CO₂。同时,微藻还可将固定的CO₂转化为油脂、蛋白质、多糖、色素和不饱和脂肪酸等物质,能够实现CO₂的高值化利用。因此,微藻生物固碳技术在CO₂捕集和利用方面具有极大的发展潜能。本文首先阐述了高效固定CO₂藻株的选育、提高微藻生物固定CO₂的培养策略、微藻处理烟道气化合物技术、微藻高效培养光生物反应器的开发及新兴技术助力微藻碳减排等内容,再结合现阶段微藻生物固碳技术所面临的挑战,展望了微藻生物固定CO₂在“双碳”目标中的应用前景,以期为利用微藻高效固定CO₂、高值化利用CO₂提供参考,从而加速“双碳”目标的实现。     

微藻生物柴油的发展

微藻生物柴油是一种具有较大发展潜力的可再生能源,与动、植物为原料制备的生物柴油相比,它有不占用耕地、产油效率高等优点。目前,微藻生物柴油在国内外都有很大发展,产业化的进程也在逐步推进。介绍了高油脂含量微藻的种类、微藻合成油脂的机理研究、微藻的培养技术及微藻生物柴油的产业化现状,并对微藻生物柴油发展中的一些问题进行了分析。     

微藻固定燃烧烟气中CO2 的研究进展

空气中CO2浓度升高导致的气候变暖问题已经成为全球性的环境、科学、政治、经济问题。近年来,对可用于直接固定工业废气尤其是燃烧烟气中CO2的捕捉和封存 (CCS) 技术进行了广泛的研究。在这些技术中,微藻生物固定CO2是一种具有大规模应用前景和经济上可行的CCS技术。以下从藻种的筛选、烟气条件对微藻固定CO2的影响、高效光生物反应器的开发和微藻产物的利用等方面对微藻生物固定烟气中CO2的现状和发展以及作者所在实验室在这一领域的研究情况进行了分析和总结,最后对其技术前景进行了展望,以期对微藻固定燃烧烟气中CO     

基于模糊综合评价的产生物柴油微藻藻种筛选

产生物柴油微藻大规模培养对微藻藻种的性能要求较高。从丰富的藻种资源中筛选到高品质的藻种一直是个亟待解决的问题。通过研究3株产油微藻,从系统工程的角度综合整个微藻生物柴油的技术工艺,建立了以生长速率、含油率、油脂组成等18种指标的二级评价体系,采用二级模糊综合评价的模糊数学方法对产生物柴油微藻的性能进行综和分析、筛选。最终确定供评价的三株微藻二级模糊综合评价集：小球藻LICME001［0.360 0.315 0.192 0.069 0.064］,微绿球藻LICME002［0.277 0.331 0.236 0.104 0.052］和葡萄藻LICME003［0.325 0.371 0.232 0.071 0.060］。根据最大隶属度法则分析得：小球藻LICM001株产生物柴油微藻品质为优等级别,适合产生物柴油的技术工艺要求;微绿球藻LICME002和葡萄藻LICME003为良等级别的产生物柴油藻种。     

生物柴油原料资源高油脂微藻的开发利用

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。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。     

微藻去除重金属镉的抗性机理研究进展

与水体中重金属去除的传统方法相比,生物吸附法是一种更具经济效益和环境效益的技术。微藻由于自身的廉价性和高吸附性已成为高效生物吸附剂的材料来源。要评价微藻在镉(Cd)去除方面的应用潜力,解析微藻抗重金属的机理是必要条件。因此,本文从抗Cd微藻种类,Cd对微藻光合作用、生长及结构的影响,胞外吸附的机理,胞内积累的机理,以及基因调控水平,阐述了目前微藻抗Cd的研究进展,以期为后续的研究提供理论帮助。     

国家能源局发布《生物柴油产业发展政策》

<正>国家能源局近日发布《生物柴油产业发展政策》,提出要构建适合我国资源特点、以废弃油脂为主、木(草)本非食用油料为辅的可持续原料供应体系。《政策》提出,发展废弃油脂生物柴油产业的省份建成比较完善的废弃油脂回收利用体系,健全回收利用法律法规;初步建立能源作(植)物油料供应模式;探索优化微藻养殖及油脂提取工艺,实现微藻生物柴油技术突破。     

微藻种质资源库——藻类科学研究和产业发展的重要平台

微藻是指一类形态微小,能够进行光合作用,以单细胞或简单多细胞形式存在的藻类。作为一类重要的生物资源,活体微藻的保藏和共享服务是开展藻类科学研究和藻类产业发展的必要平台和基础。坐落于中国科学院水生生物研究所的淡水藻种库(FACHB-Collection)正式成立于1973年, 1996年作为创会成员加入中国科学院典型培养物保藏委员会; 2019年成为国家水生生物种质资源库的核心成员。该库保藏逾3400株微藻,隶属于9门169属。年均为国内外用户提供2500株藻株,并提供藻种鉴定、分离纯化和培养技术等方面的服务和咨询。文章回顾了国际微藻种质资源库的发展历史和现状,介绍了国内微藻种质资源保藏情况,着重介绍国家水生生物种质资源库——淡水藻种库在库藏藻株多样性、共享服务、藻株无菌化、超低温保藏技术及优良品种选育与应用等方面的进展,瞄准提升我国在藻类学研究和藻类产业研发的竞争力,提出了藻种资源库未来发展的建议。     

大规模微藻光生物反应器的研究进展

微藻同时具备CO2固定和有机废水生物净化的双重效果,且微藻生物质在食品、饲(饵)料、生物能源开发等领域受到广泛关注,然而高效的微藻光生物反应器是微藻大规模养殖的重要瓶颈问题之一。本文中,笔者综述了封闭式微藻光生物反应器的类型、基本结构及其优缺点,对开放式微藻光合反应器陆续被改善、研发和试用进行了介绍,同时对开发复合型微藻光合反应器以及采用封闭型微藻光合反应器制种和开放式光合反应器快速生产的微藻养殖模式进行了简述,以期为微藻的大规模培养提供一定参考依据。     

微藻在CO2生物捕集及废水生态修复领域的研究进展

温室效应、水资源短缺和能源危机是21世纪人类面临的三大挑战。微藻是一种水生植物,在CO₂减排、废水生态修复及生物能源领域已成为全球研究热点。综述了微藻在CO₂生物捕集和废水生态修复的应用研究进展。微藻生物柴油现已成为全球研发热点,但研究主要集中在某个单元的最优化设计,而对各单元之间相互作用和耦合的重要性缺乏充分认知,提出了将CO₂生物捕集、废水生态修复、生物柴油制备、藻渣替代水煤浆与煤共气化的理念,这对微藻生物过程的高效全局优化和环境综合治理具有重要意义,是未来我国发展低碳经济的有效途径,并在此基础上对微藻产业规模化的未来核心研究方向进行了展望。     

微藻固定CO2研究进展

空气中CO₂ 浓度升高所导致的温室效应已成为重大的环境问题 ,受到人们普遍关注。概述了高效固定CO₂ 微藻藻种的筛选和培养方法 ,分析了微藻固定CO₂ 的无机碳利用形式和浓缩机制 ,讨论了高效光生物反应器设计和运行目标 ,简要介绍了微藻 (酶 ) 膜生物反应器集成新技术。并认为今后的研究方向主要是在进一步探索微藻固定CO₂ 有关机理的基础上 ,构建高效固定CO₂ 的转基因微藻 ,开发高效膜生物反应集成系统。     

经济微藻高密度培养技术及其生物资源化利用

经济微藻富含不饱和脂肪酸、蛋白质、碳水化合物等多种生物活性物质, 可以应用于食品加工业、水产养殖业、医药与美容业、废水处理环保业和生物能源业等各行业。开发和利用微藻生物资源将是解决人类能源需求的重要途径, 微藻产业化的发展进程与社会经济、生态环境和人类健康有密切的关系。微藻高密度培养是提高微藻生物质产量和活性代谢产物, 发展生物质能源的关键环节。论文综述了微藻的社会经济价值, 指出了其在能源、食品、水产等行业的重要作用; 介绍了开放式培养和封闭式培养的两大类技术体系, 比较分析了柱状光反应器、平板光反应器和管状光反应器的特点; 概括了影响经济微藻生长和油脂含量的主要因素, 包括光照、温度、pH、营养元素等, 最后展望了经济微藻培养及其生物资源化利用的前景。     

微藻生物柴油的现状与进展

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。介绍了微藻生物柴油的优势,高脂质微藻选育,以及工程微藻研究与下游生产工艺的研究现状和进展。     

光照对光生物反应器中微藻高密度光自养培养的影响

光生物反应器是实现微藻高密度培养的重要装置,其设计的关键技术之一是选择合适的光照方式。根据国内外近十年来的相关研究成果,重点介绍了入射光性质(光源、光强、光质和光暗循环)和光能分布对微藻生长的影响,评述了用于微藻高密度培养的光照技术,展望了进一步的研究方向,为高效光生物反应器的设计和优化提供参考。