微藻能源

两步法间接光水解产氢
第一步：衣藻进行正常的光合作用,固定二氧化碳,释放氧气,积累有机物;
第二步：在无硫、厌氧环境中诱导衣藻可逆产氢酶的高表达, 再光照消耗细胞内代谢物质产氢。
该系统用(3～6) ×10 cells· mL
6
-1
的藻液,以每升藻
液每小时产氢2. 0～2. 5 mL 的速度延续了70 h,气 体的组成为87%氢气、1%二氧化碳,其余主要是氮 气和微量的氧气。
一步法间接光水解产氢
将藻细胞悬浮在无硫的培养液中, 在厌氧条件下3 h 以诱导可逆产氢酶的表达, 光照下绿藻细胞为了维持自身的生命活动,消耗体内营养物质,
产生的电子通过电子传递链传到可逆产氢酶还原质子产氢,
得到的气体含H2、O2 和CO2 ,该过程与细胞体代谢有关, 不能使氢气、氧气的产生完全分离。
生产出的微藻提取油脂后,藻渣加工成动物饲料或其它产品,
也可以进行厌氧发酵,产生甲烷,甲烷燃烧发电提供工厂生 产的动力,发酵后的残余物可以用作有机肥料。
The end
碳源充足而其他营养成分缺乏是高产油脂的关键因素
微生物生产油脂可分为两个阶段, 即菌体增殖期和油脂积累期 两阶段碳氮比要求不同。氮源的作用是促进细胞生长 因此培养前期要求低碳氮比,可以获取大量菌丝体,
产油阶段要求高碳氮比,以积累更多脂肪
通过基因工程手段构建了“工程微藻”: 将来自小环藻的乙酰辅酶A羧化酶基因acc I转入小环藻, 获得一株工程小环藻,在实验室条件下可使该藻的脂肪含量达到60%以上, 户外生产也可达到40%以上。 通过异养转化细胞工程技术： 获得脂类含量高达细胞干重55%的异养藻细胞
藻类产氢
微藻光水解制氢是通过微藻光合作用系统及其 特有的产氢酶系将水分解为氢气和氧气。根据所利 用的酶系的不同,可分为固氮酶制氢、可逆产氢酶制氢
第一步,微藻通过光合作用系统II光解水,产生质子和电子,并释放氧气, 反应式可表示为: 2H2O→4H + 4e +O2 第二步,蓝藻通过固氮酶系、绿藻通过可逆产氢 酶系,还原质子为氢气。
醌、细胞色素b / f、光合作用系统I、铁氧还蛋白到产氢酶, 还原质子产氢。
方法比较
固氮酶产氢过程不但消耗ATP,而且产氢的质子利用率只有固氮反应的1 /4, 所以制氢效率较低 绿藻光水解制氢是利用绿藻体内的可逆产氢酶系, 以光为能源、以水为原料,
催化效率高,能量消耗小,生产过程清洁,
可以实现光能收集系统的自组织、能量的自发积累、定向快速转化。
微藻生物技术应用
前言
自18世纪第一次产业革命以来,世界正以惊
人的速度消耗着各种矿物能源(又称化石能源) ,最 近一个世纪消耗的能源几乎等于过去19个世纪所 消耗能源的一半,有人预测当世界人口达63亿时能 源消耗将达到每年311亿吨标准煤
利用藻类生产可再生能源具有以下优点:
(1) 藻类种类多,生态环境各异,代谢产物多 样,可以生产多种能源物质; (2) 藻类是光合自养生物,直接将太阳能转化
+
蓝藻及固氮微生物主要利用固氮酶将氮气(N2 )转化为氨(NH3 ),
反应式为： N + 8H+ + 16ATP→2NH + H + 16ADP + 16Pi
2 3 2
在厌氧光照条件下,绿藻的可逆产氢酶还原质子产生氢气, 反应式为: 2H+ + 2e→H2
可逆产氢酶制氢的电子来自于光合作用系统II光解水,再通过质体
实用仍然有差距化
存在的主要问题: ①生产过程中藻液的机械搅拌、离心 采收和干燥等环节能耗很高,能量的投入、产出不够经济; ②以生产能源为目的微藻养殖规模巨大,大量 的废培养液如果处理不当,会造成严重的环境污染; ③生产成本高,不能与矿物油竞争
将微藻能源生产与CO2 的生物固定相结合,对生产出的微藻进 行综合利用是一条有效的途径, 即利用工厂,如热电厂排出的CO2 为碳源养殖微藻, 在生产微藻的同时,生物固定了工业废气二氧化碳,
在产氢结束后,培养基中补充无机硫酸盐,
恢复放氧光合作用重新进行生物量的生长。
培养一段时间后,重复上述产氢过程,实现生
物量生长过程和产氢过程的循环。
硫是绿藻光合作用、呼吸作用和产氢反应之间转化的关键。
选育高产氢藻种,深入研究
掌握上述过程转化的动力学原理以及进一步优化工艺路线,
有可能获得更高浓度的氢气和更高的氢气产量
绿藻可逆产氢酶产氢
直接光水解产氢 一步法间接光水解产氢 两步法间接光水解产氢
直接光水解产氢
绿藻可逆产氢酶直接光水解产氢是在厌氧等胁迫条件下, 利用绿藻体内的可逆产氢酶电子传递路径产生氢气。 绿藻的理论产氢速度和光能利用效率比蓝藻高。 可逆产氢酶对氧气极为敏感,当气相环境中氧气浓度接近1.5%时, 可逆产氢酶迅速失活,产氢反应立即停止。 所以直接光水解产氢过程难以持续进行, 难以发展为大规模的制氢技术
为化学能,能量只需一次转化,Βιβλιοθήκη Baidu率高;
(3) 藻类繁殖快,培养周期短,可获得大量生物 量,单位面积产量是高等植物的数倍; 。
(4) 藻类没有叶、茎、根的分化,所有生物量都 可用于能源物质生产;
(5) 藻类是水生植物,可利用荒地进行生产,不
与农争地;
(6) 藻类生长过程吸收的二氧化碳与燃烧过程
中排出的二氧化碳数量相等,藻类生物燃料的生产 和使用不增加温室气体二氧化碳,可以保持碳平衡
两步法间接光水解制氢,其显著特点是
在时空上分离产氢和产氧的过程,避免了氧对
可逆产氢酶产氢的抑制、氢氧分离纯化等困难。
虽然操作复杂,但是产氢效率高 下游处理工艺简单等优点使其极具吸引力
距实用化还有相当大的差距
微藻光水解制氢的光能利用率必须接近10%才有实际应用意义。
当前,大部分微藻只能捕获3%～4%的太阳能
技术实用化的关键：
优质产氢藻株的筛选与基因工程改造; 高效培养和产氢光生物反应器的构建; 制氢系统经济评价研究
藻类产脂
藻类产生油脂的过程,本质上与动植物产生油脂的过程相似， 都是从乙酰CoA羧化酶催化羧化的反应开始, 然后经过多次链延长,或再经过去饱和作用等完成整个生化过程。 在此过程中,有两个主要的催化酶, 即乙酰CoA 羧化酶和去饱和酶