生物燃料与生物柴油

微藻热解制备生物燃料技术
目前利用微藻制备生物燃料技术主要由生物化学 转化与热化学转化两种。
生物化学转化包括发酵和厌氧消化。发酵法被广 泛应用于酒精工业当中，由酶将富含糖类淀粉的 底物转化为乙醇等。厌氧消化可直接将生物质转 化为主要由甲烷和二氧化碳组成的可燃气体，现 广泛应用于有机废水的生物处理方面，是生产沼 气的基础。
生物柴油的润滑性能比柴油好
实用简便，无须改动相关器械，具经济性 具有优良的燃烧性能 较好的安全性能
含水率较高，水分有利于降低油的黏度、提高稳 定性，但降低了油的热值 具有“老化”倾向，保存条件高 在国家 “四不”政策下，生产原料的收集难，且 成本较高。 酯交换方法合成生物柴油的缺点：工艺复杂、能 耗高、设备投入大；化产物难于回收，回收成本 高；生产过程有废碱液排放
生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几 年成本还将快速下降，大规模工业生产的 可行性非常强 秸秆等纤维素类农业废弃物（即生产原料） 大量存在
在减少碳排放等方面具有很强的优势
Global biomass volumes required to achieve a 50% reduction in greenhouse gas emissions by 2050. A wide range of densification options are possible, but even the most effective will still require several times the biomass-handling capacity that the commodity grain system uses today. 全球生物质量需要在2050年实现到如今温室气体排放的 50%减少量。广泛的密集化选择是可能的,但即使是最有效 的方法仍然需要如今商品粮系统好几倍的生物量处理能力。
Biodiesel生物柴油
定义？

由动植物油脂（脂肪酸甘油 三酯）与醇（甲醇或乙醇）经酯 交换反应得到的脂肪酸单烷基酯。
主要成分
生物柴油与石化柴油对比
第一代生物柴油
酯交换法生产脂肪酸甲酯（FAME），同 时产生副产物甘油
改进一
用乙醇代替甲醇进行酯交换
生物 柴油
生物 柴油
文冠果
名称
基本工作原理
利弊
开放池塘法
在池塘、湖面等封闭水域养殖 简便易行、成本较低，但存 藻类 在易被污染、占地 面积大、 难以对水体和温度 进行调节 从而生产不稳定等 缺点。
封闭环路系统 法
在闭合的人造水渠中进行，含 有藻类的液体在其中循环，循 环过程中将藻类进行新陈代谢 所需的二氧化碳和养分引入到 水渠的液体中。
植 物 蛋 白 产 品
蛋白饮料 营养食品
文冠果油
油粕
种皮 种仁 果壳 （主含纤维素半纤维素） （含油、皂苷、蛋白、淀粉） （主含纤维素半纤维素）
用于生产 纤维素 乙醇
皂 苷 类 药 物
用于生产 纤维素 乙醇
• 文冠果生物炼制技术
SHF SSF
SSCF
CBP
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改进二：第二代生物柴油
通过动植物油脂为原料通过催化加氢生产 的非脂肪酸甲酯工物柴油
总体来说
第二代生物燃料主要使用非 粮作物，秸秆、枯草、甘蔗 渣、稻壳、木屑等废弃物， 以及主要用来生产生物柴油 的动物脂肪、藻类等，减弱 与粮食的竞争。
在环境保护方面，第二代生 物燃料的表现也远较第一代 出色
第二代生物燃 料的表现远较 第一代出色
Although most biofuels reduce greenhouse gas emissions relative to gasoline, many, including soy (top right) and corn (top left), do not fare well in terms of other environmental impacts. Second-generation biofuels produced from non-food plants such as switchgrass (bottom) may perform better in environmental terms. 尽管大多数生物燃料相对于汽油减少了温室气体排放,但很多,包 括大豆(右上角)和玉米(左上),在其他环境方面的影响并不是表现 得很好。第二代生物燃料从非食品植物生产出来，如柳枝稷(底 部)，可能在环境保护方面表现得更好。
催化加氢
气体净化系统和利用系统
气 体 反 应 系 统
生 物 质 气 化 合 成 生 物 柴 油
Fischer-Tropsch synthesis
对比＆反思
第一代生物燃料：粮食作物 高粱、玉米 第二代生物燃料：非粮作物 纤维素 第三代生物燃料：藻类作物 微藻
第二代生物燃料以非粮作物乙醇、纤维素乙醇和生 物柴油等为代表，原料主要使用非粮作物，秸秆、枯草、 甘蔗渣、稻壳、木屑等废弃物，以及主要用来生产生物 柴油的动物脂肪、藻类等。
生物乙醇
生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料 酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃 料。
第一代生物乙醇是以粮食作物为原料的。
美国的微型曼哈顿计划
2007年，美国推出微型曼哈顿计划，其宗旨是向 海洋藻类要能源，以帮助美国摆脱严重依赖进口 石油的窘境。能以“微型曼哈顿计划”命名，其 重要性可见一斑。 微型曼哈顿计划由美国点燃燃料公司倡导发 起，以美国国家实验室和科学家的联盟为主体， 到2010年实现藻类产油的工业化，达到每天生产 百万桶生物原油的目标。为此，美国能源部以圣 地亚国家实验室牵头，组织十几家科研机构的上 百位专家参与这一宏伟工程。
文冠果是我国特有的一种优良木 本食用油料树种。文冠果种子含油 率为30%-36%，种仁含油率为 55%—67%。 其中不饱和脂肪酸中的油 酸占52.8%-53.3%，亚油 酸占37.8%—39.4%，易被 人体消化吸收。
生 物 柴 油
高 级 食 用 油
保 健 品
精 饲 料 产 品
皂 苷 类 药 物Байду номын сангаас
第三代生物燃料：利用以天然气为原料的发电厂 排出的二氧化碳养殖可以转化为生物柴油或生物 乙醇的藻类
第一代生物燃料
——First generation biofuels
第一代生物燃料是使用糖类和淀粉类等粮食作物原料进行发 酵产生生物乙醇制得的燃料，还包括从以用做生物柴油的种子 油。
第二代生物燃料
热解对藻类的组成较不敏感，对它的品质要求 较低，产量极高。然而热解油的显著特点是相 对于汽油与柴油其含氧量较高，热值较低，如 果想利用热解油代替柴油用于内燃机，还必须 对它进行处理、如催化加氢等，以改善其品质。
展望
目前利用微藻制取生物燃料有大量问题需要解决。 生产成本过高是主要问题。解决途径有以下三种： 从生物学角度筛选和培育优良藻种；通过化学方 法改善微藻产油的品质；设计微藻培养环境与收 集方法来降低其生产成本。 在众多生物质中，藻类具有生物量大，生长周期 短，易培养，脂类物质多等优点。利用微藻生产 生物柴油、制备热裂解油作为新一代的生物燃料 具有广阔的发展前景。
生产生物燃料的农作物往往需要土地、 大量水资源和化学肥料。
第二代生物燃料也分为二代：一代主要用甜高粱、 木薯等非粮食农作物进行提取，优点是淀粉及糖 含量高，能替代玉米、小麦等粮食作物，而下一 代则以纤维素为主要原料，例如植物的茎叶、农 作物秸秆、林业剩余物等都可以转化为燃料，非 粮作物乙醇、纤维素乙醇和生物柴油
用一些透明管道装满工厂排出 的废水和废气，管道内的藻类 吸收废气中所含的二氧化碳， 用于光合作用。同时，藻类排 出氧气，生成用于提炼燃料的 物质。
固化反应器法
操作简单，培养条件、 参数 易控制，条件稳定，成品质 量高，可实现全年无菌纯种 培养，能较大幅度地提高微 藻细胞密度，其生长速率和 生物量大幅度提高，近些年 已应用于微藻的商业性、高 密度大规模培养生产。但封 闭式光生物反应器在规模培 养过程中的生产成本相对较 高，成本为开放式池塘培养 法的10 倍以上。
Biofuels
生物燃料 (biofuel)泛 指由生物质 组成或萃取 的固体、液 体或气体燃 料 是可再生能 源开发利用 的重要方向
第一代生物燃料：使用糖类和淀粉类等原料进行发 酵产生生物乙醇制得的燃料，还包括从以用做生物 柴油的种子油
缓解化石燃料供应
可循环、可持续
污染小
。。。
同时，也有缺陷
无法摆脱生物燃料的致命缺陷，即能源密 度低 如此使得生产生物燃料的企业不得不保持 巨大的能源供应腹地，而运输这些原材料 的能耗到底能不能被产生的燃料完全对冲 还是一个未知数 还有，原本应该返回土地圈的秸秆等农业 废弃物被用来制造能源可能会对生态产生 影响，这种影响也许会导致生态的不平衡
制备方法
柴油掺炼
油脂直接加氢脱氧
Ni-Mo/Al2O3
油脂加氢脱氧异构
Co-Mo/Al2O3
改进三：第三代生物柴油
利用非油脂类植物和微生物油脂研制 生物柴油，这被称作第三代生物柴油。
微生物油脂生产生物柴油
生物质气化合成生物柴油
微生物油脂生产生物柴油
生物质原料
气化系统
合成气
生物柴油
四是纤维素乙醇商业化生产后生产成本低。
生物乙醇的劣势
第一代生物乙醇是以粮食作物为原料的， 从长远来看具有规模限制和不可持续性。
生产纤维素乙醇的前期投资较大。
生产生物乙醇需要额外的土地在一定程度 上会占用耕地、消耗粮食和破坏生态环境。
生物柴油的优劣
优良的环保特性，可调和性，可降解性，可再生性 较好的低温发动机启动性能
利用微藻制取生物燃料
目前用于生产藻类型的生物燃料的方法主 要有光合反应器法、封闭环路系统法和开 放池法。三者各有利弊。目前，养殖微藻 的研究主要集中在封闭式光生物反应器。 大规模养殖的微藻种类主要有螺旋藻、小 球藻、盐藻、栅藻等。
作物特点
藻类作物 微藻 种类繁多、分布极其广泛； 生长周期短、几乎不需要特别养分； 环境适应能力强 可在缺氮等条件下存活，并可大量积累油脂，含油量可高 达70％
热化学转化技术是目前将生物量转化为生物只能得主要 技术手段之一，根据最终产物的不同可以将热化学转化 技术分为热解碳化燃烧气化与液化等几种不同的转化过 程。 热解是指在绝氧条件下将生物量加热到500度左右，导 致生物量分解转化为其他液、固、气组分的过程。由于 热解较其他方法得到更多液体生物油，因此热解是目前 最有希望来制取生物油的技术之一。热解包括快速热裂 解与慢速热裂解两种。两者的比较如下：
新一代生物柴油原料——微藻
微藻是遍布全球水体的浮游植物，微藻把光合作 用产物转化为油储藏起来，在细胞内形成油滴。 将这些油通过转酯化后可转变为脂肪酸甲酯，即 生物柴油。某些微藻能够合成长链烯烃，也具有 发展生物燃料的潜力。 微藻和高等植物的油属于三酰基甘油酯，都可作 为生物柴油的生产原料。
第三代生物燃料——微藻
随着能源需求的剧增，世界正进入衰退的 不可再生能源时代，找到一个稳定清洁的 可替代品来满足世界能源需要是十分必要 的。在此背景下生物柴油应运而生。
生物柴油（Biodiesel）来源有三大类：动 植物油脂，细菌及真菌油脂，废弃油脂。 目前最为广泛的生物柴油来源是动植物油 脂，其中又以植物油脂更为普及。
为什么关注微藻？
采用微藻作为生物柴油的来源具有以下优点：
来源广泛
易于采集 生命周期短，可全年不间断培养
产油能力高于其他绿色油料植物
培养条件较低，易于进行大规模养殖 能在淡水海水等非农业用地里培养，不与传统农业竞争土 地资源，减少了农药带来的环境污染 有利于废水的净化，减少空气中二氧化碳的含量，能缓解 全球变暖，等等。
第二代生物乙醇是以木质纤维素为原料的。
生物乙醇的优势
一是乙醇辛烷值极高，可以取代污染环境的含铅 添加剂来改善汽油的防爆性能；
二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机 内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。 三是汽油中只需掺入10%，总体热值减少不显著， 且不需要改造发动机即可以使用。