1、微微 藻藻 能能 源源 技技 術(shù)術(shù) 內(nèi)容概要內(nèi)容概要微藻生物質(zhì)能源綜述 (徐駿宇)微藻采收技術(shù) （王旗）微藻生物質(zhì)柴油 （何彥康）微藻制氫 （陳欣寧）總結(jié)與展望 （鄧兆方）微藻的定義和分類微藻的定義和分類定義：藻類是能夠進行放氧光合作用的自養(yǎng)無胚植物定義：藻類是能夠進行放氧光合作用的自養(yǎng)無胚植物 藻類藻類按按細胞大小細胞大小 大藻大藻 (如海帶、紫菜、裙帶等如海帶、紫菜、裙帶等) 微藻微藻 (如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、如小球藻、螺旋藻、鹽藻、柵藻、 紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等紫球藻、雨生紅球藻、魚腥藻等)按按生長的環(huán)境生長的環(huán)境水生微藻水生微藻 陸生微藻陸生微藻 氣生微藻氣生微藻 按按生

2、活方式生活方式 浮游微藻浮游微藻 底棲微藻底棲微藻 微藻的四種培養(yǎng)方式微藻的四種培養(yǎng)方式1.光自養(yǎng)培養(yǎng)光自養(yǎng)培養(yǎng)2.異養(yǎng)培養(yǎng)異養(yǎng)培養(yǎng)3.異養(yǎng)異養(yǎng)-光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)4.混合營養(yǎng)培養(yǎng)混合營養(yǎng)培養(yǎng)微藻的四種培養(yǎng)方式微藻的四種培養(yǎng)方式光自養(yǎng)培養(yǎng)：光自養(yǎng)培養(yǎng)： 微藻大多數(shù)是專性光合自養(yǎng)生物，以微藻大多數(shù)是專性光合自養(yǎng)生物，以光作為能量還原光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而同化為碳水化合物，而獲得生物量。獲得生物量。微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)：微藻的異養(yǎng)培養(yǎng)： 微藻在無光照的條件下，利用外源有微藻在無光照的條件下，利用外源有機物包括糖類、蛋白水解物、有機酸等進機物包括糖類、蛋白水解物、有機酸等進行生

3、長。行生長。微藻的四種培養(yǎng)方式微藻的四種培養(yǎng)方式混合營養(yǎng)培養(yǎng)：混合營養(yǎng)培養(yǎng)： 微藻在有光照的條件下，既利用微藻在有光照的條件下，既利用COCO2 2進行光合作用又利用外源有機物生長。進行光合作用又利用外源有機物生長。 異養(yǎng)異養(yǎng)- -光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)：光自養(yǎng)串聯(lián)培養(yǎng)： 微藻先進行異養(yǎng)培養(yǎng)，然后進行光自微藻先進行異養(yǎng)培養(yǎng)，然后進行光自養(yǎng)培養(yǎng)以提高藻細胞品質(zhì)。養(yǎng)培養(yǎng)以提高藻細胞品質(zhì)。微藻的應(yīng)用價值微藻的應(yīng)用價值 微藻的特性微藻的特性,決定了微藻在醫(yī)藥、決定了微藻在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、能源能源、環(huán)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、基因工程等領(lǐng)域有著重保、農(nóng)業(yè)、基因工程等領(lǐng)域有著重要的開發(fā)價值要

4、的開發(fā)價值 能源方向的應(yīng)用能源方向的應(yīng)用微藻微藻制氫制氫 微藻微藻煉油煉油微藻采收技術(shù)微藻采收技術(shù) 從微藻培養(yǎng)液的特性出發(fā)，可以明顯看出微藻采收存在較大的困難 有資料表明，微藻采收的成本占其養(yǎng)殖成本(包括培養(yǎng)和采收)的20-30微藻采收目前存在的困難 微藻個體微小（330 m ） 微藻細胞表面多帶負電荷培養(yǎng)液中均勻地分散懸浮，形成穩(wěn)定的分散體系 微藻在培養(yǎng)液中的濃度一般很低，在開放培養(yǎng)體系中，其密度一般低于1gL，即使在封閉的生物反應(yīng)器中，在強化光照、通氣等條件下，其干固物的含量也僅能達到每升幾十克 微藻培養(yǎng)液的這些性質(zhì)都不利于微藻的采收微藻培養(yǎng)液的預(yù)處理 藻液預(yù)處理是利用物理或化學(xué)方法使微藻

5、表面性質(zhì)或懸浮液的溶液化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化的過程。 總的來說分為物理預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理兩種基本類型。 物理預(yù)處理物理預(yù)處理： 1.電場絮凝法電場絮凝法：通過外加電場作用打破微藻顆粒間電場平衡，使得藻細胞在載體表而聚集并形成大的絮塊 2.超聲波法超聲波法：超聲波可以通過破壞微藻細胞中的微囊泡來促進微藻的絮凝沉降 化學(xué)預(yù)處理化學(xué)預(yù)處理： 1.微藻的預(yù)氧化微藻的預(yù)氧化：通過向藻液中添加氧化劑使微藻細胞表面發(fā)生改性 2.化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法：加入陽離子凝聚劑（金屬鹽類和高分子聚合物類）微藻的富集與分離 在對藻液進行預(yù)處理后，即可進行富集與分離處理； 常用的分離方法有沉淀、氣浮、離心和過濾但這些傳統(tǒng)的方法用

6、于微藻的采收都存在效率低、成本高的限制。 而泡載法和氣浮法適用于低濃度懸浮體系的富集分離，是微藻采收可行的技術(shù)途徑小型噴霧干燥機小型噴霧干燥機管式離心機管式離心機 泡載法：或稱泡沫分離技術(shù)，是礦物分選和水處理中應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)(浮游分選)它利用顆粒或與顆粒相結(jié)合的表面活性劑的疏水性，使之吸附在人工產(chǎn)生的氣泡上，并隨氣泡上升至液面以上，形成泡沫層，再將泡沫層與液體分離，從而實現(xiàn)目標物質(zhì)的富集或回收 氣浮分離法：分離前先向懸浮液中加入絮凝劑，使懸浮的微生物或細胞產(chǎn)生絮凝，然后從氣浮裝置底部放出大量微細氣泡，這些小氣泡在上浮過程中碰到絮凝體則吸附其上，使絮凝體上浮到液體表面，然后通過收集上浮的絮凝

7、體而達到懸浮物分離或微藻采收目的 氣浮法不同于泡載法之處在于，氣浮法是利用大量極其微小(1 mm)上上浮，氣浮法的上浮速率低于泡載法。前景 在能源高度緊張、環(huán)境問題日趨嚴峻的今天，開發(fā)產(chǎn)油微藻具有重要的研究價值和經(jīng)濟、社會效益，但目前存在的關(guān)鍵問題是生產(chǎn)成本，特別是培養(yǎng)和采收的成本過高，使之無法與傳統(tǒng)能源競爭，因此，降低成本是微藻能源市場化必須解決的問題。- 生生 物物 柴柴 油油 微微 藻藻 生生 物物 質(zhì)質(zhì) 能能 源源內(nèi)容概要內(nèi)容概要隨著日益嚴重的環(huán)境惡化, 控制汽車尾氣排放和溫室效應(yīng), 保護人類賴以生存的自然環(huán)境成為人類急需解決的問題。同時全球能源需求不斷擴大, 尋求可以替代石油在能源結(jié)

8、構(gòu)中占主導(dǎo)地位的可再生清潔能源是目前普遍關(guān)注的熱點。化石能源不可持續(xù)！化石能源不可持續(xù)！生物柴油開發(fā)背景生物柴油開發(fā)背景目前, 生物柴油主要是以植物和動物脂肪酸為原料來生產(chǎn)的, 而不是微藻。在美國, 生物柴油主要以大豆為原料, 其他來源包括棕櫚油、菜籽油、動物脂肪酸、玉米油、廢食用油和麻瘋樹油。一些東南亞國家則以一些熱帶植物的種子為原料, 如棕櫚等, 廢棄食用油是日本的主要生物柴油制取原料。但是, 由油料作物、廢食用油和動物脂肪酸生產(chǎn)的生物柴油尚不能滿足當前車用燃料需求量的一小部分。同時使用植物原料在所有的國家都存在共同的問題。一是是否適合當?shù)貧夂? 實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn); 二是種植過程中產(chǎn)生的土地資

9、源緊缺的問題以及由此引起的其他農(nóng)作物價格上漲的問題。特別在我國人多地少的情況下, 這些問題尤為突出。微藻生物柴油的優(yōu)勢微藻生物柴油的優(yōu)勢面對植物原料生產(chǎn)生物柴油的諸多問題, 利用微藻產(chǎn)油具有不與農(nóng)業(yè)爭地的明顯優(yōu)勢, 而且可用海水作為天然培養(yǎng)基進行大量繁殖。跟植物一樣, 微藻也是利用光照產(chǎn)油, 但卻比植物作物的效率高很多。大多數(shù)微藻的產(chǎn)油量遠遠超過了最好的油料作物。不像其他油料作物, 微藻生長極為迅速, 而且含有極其豐富的油脂。藻類光合作用轉(zhuǎn)化效率可達10%以上, 含油量達30% 。微藻的生物柴油產(chǎn)量是最好的油料作物的8 24倍。表7 主要微藻種類含油量表8 微藻生物質(zhì)柴油占有的優(yōu)勢表4 各種植

10、物含油量橫向?qū)Ρ任⒃迳锊裼偷莫毺貎?yōu)勢微藻生物柴油的獨特優(yōu)勢生產(chǎn)工藝總路線圖生產(chǎn)工藝總路線圖甘油三酯轉(zhuǎn)化生物柴油微藻采收技術(shù)光自養(yǎng)培養(yǎng)分離純化技術(shù)微藻生物柴油生產(chǎn)工藝流程微藻生物柴油生產(chǎn)工藝流程微藻經(jīng)培養(yǎng)，采收，提取得到的油脂為甘油三酯。甘油三酯黏度較大，不能直接用作柴油，須將其轉(zhuǎn)化為較低粘度的燃料，目前生產(chǎn)生物柴油的最主要的方法為酯交換法。采用酯交換法可以使油脂的分子量降至原來的三分之一，粘度降至八分之一，該方法生產(chǎn)出來的生物柴油的黏度與石化柴油非常接近，十六烷值達到50，可以直接用來作為燃料。 以光作為能量還原CO2同化為碳水化合物，而獲得生物量。光合成反應(yīng)如下： CO2 + NO3- +

11、 PO43- + H2O + 太陽能 CH2ONP + O2 目前國內(nèi)外微藻的大規(guī)模培養(yǎng)均屬光自養(yǎng)培養(yǎng)。 微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)微藻光自養(yǎng)培養(yǎng) 微藻微藻采收技術(shù)采收技術(shù)利用物質(zhì)特性通過離心、過濾、沉降等分離方法。Isochrysis sp.及Spirulina sp.皆可採高速離心方式回收，另Spirulina sp. 具凝聚特性可使用篩網(wǎng)回收。2L光合反應(yīng)器高速離心機篩網(wǎng)酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)酯交換反應(yīng)根據(jù)催化劑的不同，酯交換法可分為： 液體堿催化法 液體酸催化法 非均相催化法 酶催化法 超臨界法時間單位名稱主要工作立立項項機機構(gòu)構(gòu)2009中石化 近期擬對中石化和中科院的相關(guān)機構(gòu)予以立項支持

12、2008國家海洋局 對下屬相關(guān)科研機構(gòu)予以立項支持2008上海市科委 對上海市相關(guān)科研機構(gòu)予以立項支持2009科技部 主要對相關(guān)企業(yè)予以立項支持：863計劃重點項目“CO2-油藻-生物柴油關(guān)鍵技術(shù)研究”、國家科技支撐計劃課題“微藻二氧化碳減排技術(shù)研發(fā)及示范” 針對微藻生物質(zhì)柴油的國家級項目針對微藻生物質(zhì)柴油的國家級項目時間單位名稱主要工作科科研研單單位位清華大學(xué)吳慶余教授課題組 利用異養(yǎng)生長的產(chǎn)油小球藻進行了密閉培養(yǎng)、提油和生物柴油加工研究。國家海洋局第一研究所鄭力研究員課題組 從事油藻藻種篩選等 中科院海洋所、南海所、武漢植物所、武漢水生所、青島生物能源所、遺傳與發(fā)育所 從事油藻藻種篩選與分

13、子生物學(xué)改造等中科院過程工程研究所叢威研究員課題組 從事光生物反應(yīng)器與微藻培養(yǎng)技術(shù)研究中科院大連化物所張衛(wèi)研究員課題組 從事微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)北京化工大學(xué)譚天偉教授課題組近年開始從事微藻及其和微生物聯(lián)合培養(yǎng)等研究 南京工業(yè)大學(xué)黃河教授課題組 近年開始從事微藻培養(yǎng)研究華東理工大學(xué)李元廣教授課題組 自1995年以來，在科技部863、科技攻關(guān)、科技支撐等項目支持下，一直開展微藻高密度高產(chǎn)率培養(yǎng)技術(shù)、新型光生物反應(yīng)器開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化研究。生物柴油的應(yīng)用生物柴油的應(yīng)用世界上首架使用微藻類生物燃料的“綠色”飛機。這架飛機是歐洲航空防務(wù)和航天公司用奧地利鉆石公司的DA42型飛機改造而成，就在去年六月柏林航展上進行了

14、首航。歐洲宇航防務(wù)集團發(fā)言人庫爾塞利格雷戈爾稱，據(jù)廢氣排放檢測數(shù)據(jù)顯示，海藻燃料排放的氮氧化物，比傳統(tǒng)航空煤油少40，碳氫化合物少87.5，生成的硫化物則更低，其濃度僅為傳統(tǒng)燃料的六十分之一。40微藻制氫 傳統(tǒng)的制氫方法需要消耗大量的能量或化石原料，生傳統(tǒng)的制氫方法需要消耗大量的能量或化石原料，生產(chǎn)成本普遍較高，尋找產(chǎn)成本普遍較高，尋找低成本、可再生、大規(guī)模低成本、可再生、大規(guī)模的清潔制的清潔制氫技術(shù)成為人們研究的熱點。因此，越來越多的發(fā)達國家氫技術(shù)成為人們研究的熱點。因此，越來越多的發(fā)達國家把生物產(chǎn)氫現(xiàn)象用于能源生產(chǎn)，并投入大量的人力物力研把生物產(chǎn)氫現(xiàn)象用于能源生產(chǎn)，并投入大量的人力物力研究

15、生物制氫技術(shù)。究生物制氫技術(shù)。20 世紀世紀90年代以來，全球氣候變化和年代以來，全球氣候變化和環(huán)境污染使西方工業(yè)化國家更加重視生物制氫技術(shù)的研究，環(huán)境污染使西方工業(yè)化國家更加重視生物制氫技術(shù)的研究，國際能源局（國際能源局（IEA）和美國能源部（）和美國能源部（DOE）投入巨額資金支）投入巨額資金支持生物制氫技術(shù)開發(fā)，已經(jīng)積累了大量的研究成果，為此持生物制氫技術(shù)開發(fā)，已經(jīng)積累了大量的研究成果，為此項技術(shù)的可行性分析奠定了一定的基礎(chǔ)。項技術(shù)的可行性分析奠定了一定的基礎(chǔ)。 生物制氫主要包括生物制氫主要包括細菌制氫細菌制氫和和微藻制氫微藻制氫。雖然部分光。雖然部分光合細菌具有利用有機物或還原硫化合物

16、產(chǎn)生氫氣的能力，合細菌具有利用有機物或還原硫化合物產(chǎn)生氫氣的能力，但是光合產(chǎn)氫細菌沒有光合系統(tǒng)！不能利用太陽光和水產(chǎn)但是光合產(chǎn)氫細菌沒有光合系統(tǒng)！不能利用太陽光和水產(chǎn)氫，同時由于可用于產(chǎn)氫的有機物的產(chǎn)地和數(shù)量等因素也氫，同時由于可用于產(chǎn)氫的有機物的產(chǎn)地和數(shù)量等因素也決定了其應(yīng)用范圍有限，難以為人類大規(guī)模提供氫源。微決定了其應(yīng)用范圍有限，難以為人類大規(guī)模提供氫源。微藻太陽能光水解制氫是通過微藻光合作用系統(tǒng)及其特有的藻太陽能光水解制氫是通過微藻光合作用系統(tǒng)及其特有的產(chǎn)氫酶系把水分解為氫氣和氧氣。根據(jù)所利用的酶系的不產(chǎn)氫酶系把水分解為氫氣和氧氣。根據(jù)所利用的酶系的不同，可分為同，可分為固氮酶制氫固氮

17、酶制氫、可逆產(chǎn)氫酶可逆產(chǎn)氫酶制氫。制氫。綠藻藍藻兩種用于制氫的藻類藍藻固氮酶產(chǎn)氫 1974 年，年，Benemann等人發(fā)現(xiàn)藍藻在氬氣中保等人發(fā)現(xiàn)藍藻在氬氣中保存幾小時后，同時產(chǎn)生氫氣和氧氣。進一步研究存幾小時后，同時產(chǎn)生氫氣和氧氣。進一步研究發(fā)現(xiàn)，藍藻具有光合系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，藍藻具有光合系統(tǒng)I和和II，水是最終電子供，水是最終電子供體。體。 藍藻里特有的固氮酶在固定氮氣產(chǎn)生氨的同時接藍藻里特有的固氮酶在固定氮氣產(chǎn)生氨的同時接收從收從Fd（鐵氧化還原蛋白）傳過來的電子還原（鐵氧化還原蛋白）傳過來的電子還原H+產(chǎn)生氫氣。當有氬氣存在時，就不存在固氮酶的產(chǎn)生氫氣。當有氬氣存在時，就不存在固氮酶的底物底物

18、N2，因此固氮酶就將所有的電子用來產(chǎn)氫了，因此固氮酶就將所有的電子用來產(chǎn)氫了。其產(chǎn)氫速度是固氮速度的。其產(chǎn)氫速度是固氮速度的25%30%。 固氮酶產(chǎn)氫過程會浪費掉大量的能量，所以藍藻固氮酶產(chǎn)氫過程會浪費掉大量的能量，所以藍藻進化出了其特有的進化出了其特有的吸氫酶吸氫酶， 可以通過重新吸收固可以通過重新吸收固氮酶產(chǎn)生的氮酶產(chǎn)生的H2回收部分能量回收部分能量，維持藻細胞生長。維持藻細胞生長。藍藻固氮酶產(chǎn)氫的限制因素 由于吸氫酶的存在，盡管避免了細胞本身的能量由于吸氫酶的存在，盡管避免了細胞本身的能量損失，但卻導(dǎo)致藍藻的凈產(chǎn)氫量不高。損失，但卻導(dǎo)致藍藻的凈產(chǎn)氫量不高。 固氮酶對固氮酶對氧氣氧氣十分敏

19、感，光合作用放出的氧極大十分敏感，光合作用放出的氧極大限制了固氮酶活性，產(chǎn)氫受到抑制。限制了固氮酶活性，產(chǎn)氫受到抑制。 在全日照下，光系統(tǒng)吸收的太陽能能有約在全日照下，光系統(tǒng)吸收的太陽能能有約90以以熱或熒光的形式散發(fā)掉了，導(dǎo)致太陽能的轉(zhuǎn)化效熱或熒光的形式散發(fā)掉了，導(dǎo)致太陽能的轉(zhuǎn)化效率很低。目前能量利用率最高的僅僅達到率很低。目前能量利用率最高的僅僅達到3.5%，遠遠低于生物制氫實用化最低遠遠低于生物制氫實用化最低10%的要求的要求。 光生物反應(yīng)器的研制仍未成熟。光生物反應(yīng)器的研制仍未成熟。綠藻制氫技術(shù) 最先發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)綠藻中氫的光合代謝是最先發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)綠藻中氫的光合代謝是Hans Gaffron教

20、授，他發(fā)現(xiàn)在無氧環(huán)境下，綠藻既能利教授，他發(fā)現(xiàn)在無氧環(huán)境下，綠藻既能利用氫氣作為暗反應(yīng)中二氧化碳固定過程的電子供體，用氫氣作為暗反應(yīng)中二氧化碳固定過程的電子供體，又能在光反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣。又能在光反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣。 綠藻光水解制氫是利用綠藻體內(nèi)的綠藻光水解制氫是利用綠藻體內(nèi)的可逆產(chǎn)氫酶系可逆產(chǎn)氫酶系，以太陽能為能源、以水為原料，催化效高，能量以太陽能為能源、以水為原料，催化效高，能量消耗小，生產(chǎn)過程清潔，可以實現(xiàn)光能收集系統(tǒng)消耗小，生產(chǎn)過程清潔，可以實現(xiàn)光能收集系統(tǒng)的自組織、能量的自發(fā)積累、定向快速轉(zhuǎn)化。的自組織、能量的自發(fā)積累、定向快速轉(zhuǎn)化。1998 年，國際能源局（年，國際能源局（ IEA）的

21、評估報告認為可）的評估報告認為可逆產(chǎn)氫酶間接光生物水解制氫路線為逆產(chǎn)氫酶間接光生物水解制氫路線為最有應(yīng)用前最有應(yīng)用前景景的方向，使該項技術(shù)受到世界各國生物制氫研的方向，使該項技術(shù)受到世界各國生物制氫研究機構(gòu)的特別關(guān)注。究機構(gòu)的特別關(guān)注。 制備氫氣的關(guān)鍵因素是制備氫氣的關(guān)鍵因素是氫化酶氫化酶（氫化酶的單體形（氫化酶的單體形式是式是鐵氫化酶鐵氫化酶） ，但是和固氮酶一樣綠藻氫化酶，但是和固氮酶一樣綠藻氫化酶在有氧環(huán)境下其活性幾乎完全喪失。由于光合作在有氧環(huán)境下其活性幾乎完全喪失。由于光合作用和水的氧化所引起的氧分子的釋放，綠藻氫化用和水的氧化所引起的氧分子的釋放，綠藻氫化酶的光合活性只持續(xù)幾秒鐘到

22、幾分鐘。酶的光合活性只持續(xù)幾秒鐘到幾分鐘。氧氣氧氣不僅不僅對氫化酶基因的表達起明顯的抑制作用，也是鐵對氫化酶基因的表達起明顯的抑制作用，也是鐵氫化酶的強力抑制劑。氫化酶的強力抑制劑。葉綠體葉綠體光分解光分解水產(chǎn)生氫氣，水產(chǎn)生氫氣，為光合作用；為光合作用；線粒體線粒體消耗氧消耗氧氣產(chǎn)生水，為氣產(chǎn)生水，為呼吸作用。呼吸作用。除S是其中的關(guān)鍵步驟葉綠體基質(zhì)葉綠體基質(zhì)類囊體膜類囊體膜類囊體腔類囊體腔線粒體線粒體 這張圖是這張圖是去除去除硫的環(huán)境下硫的環(huán)境下的氫的氫代謝機制圖。代謝機制圖。 黃色箭頭表示黃色箭頭表示氫產(chǎn)生過程中主氫產(chǎn)生過程中主要的電子傳遞。要的電子傳遞。 黑色箭頭表示黑色箭頭表示呼吸時的

23、氧化作呼吸時的氧化作用。用。 PS光合作光合作用放氧用虛線描用放氧用虛線描繪，因為在去硫繪，因為在去硫環(huán)境下，它幾乎環(huán)境下，它幾乎全部被抑制。全部被抑制。 研究發(fā)現(xiàn)，當綠藻缺少研究發(fā)現(xiàn)，當綠藻缺少硫硫這種關(guān)鍵性的營養(yǎng)成分，它的這種關(guān)鍵性的營養(yǎng)成分，它的PSII的光化學(xué)的光化學(xué)活性降低，光合放氧速率就會下降到比呼吸作用耗氧速率還低。這樣，活性降低，光合放氧速率就會下降到比呼吸作用耗氧速率還低。這樣，在封閉環(huán)境下綠藻就能在封閉環(huán)境下綠藻就能處于無氧環(huán)境處于無氧環(huán)境，從而誘導(dǎo)線粒體中電子傳遞的，從而誘導(dǎo)線粒體中電子傳遞的“氫化酶途徑氫化酶途徑”產(chǎn)生氫。產(chǎn)生氫。綠藻制氫方法（“間接生物光解”） “間接

24、生物光解間接生物光解”法制氫：法制氫：首先正常培養(yǎng)綠藻細胞，使首先正常培養(yǎng)綠藻細胞，使之靠光合作用累積自身所需的碳水化合物；然后將收獲的之靠光合作用累積自身所需的碳水化合物；然后將收獲的綠藻細胞培養(yǎng)在缺硫的培養(yǎng)基中，此后綠藻細胞培養(yǎng)在缺硫的培養(yǎng)基中，此后PS活性很快喪活性很快喪失，而線粒體的呼吸作用幾乎不受影響，導(dǎo)致培養(yǎng)基中的失，而線粒體的呼吸作用幾乎不受影響，導(dǎo)致培養(yǎng)基中的氧氣逐斷被呼吸作用消耗掉，氫酶活性達到最大，從而得氧氣逐斷被呼吸作用消耗掉，氫酶活性達到最大，從而得到了較高的產(chǎn)氫量。一段時間后再將第二階段的細胞轉(zhuǎn)移到了較高的產(chǎn)氫量。一段時間后再將第二階段的細胞轉(zhuǎn)移到正常培養(yǎng)基中，重新進

25、入第一階段，如此周而復(fù)始。到正常培養(yǎng)基中，重新進入第一階段，如此周而復(fù)始。 它的一個重要優(yōu)點是可以在開放式的培養(yǎng)池中固定二氧它的一個重要優(yōu)點是可以在開放式的培養(yǎng)池中固定二氧化碳和釋放氧氣，在體積較小的密閉光生物反應(yīng)器中產(chǎn)氫，化碳和釋放氧氣，在體積較小的密閉光生物反應(yīng)器中產(chǎn)氫，以降低設(shè)備造價和操作費用。因此無論從制氫原理還是工以降低設(shè)備造價和操作費用。因此無論從制氫原理還是工程實用化看，綠藻的間接光解制氫是微藻制氫研究最有發(fā)程實用化看，綠藻的間接光解制氫是微藻制氫研究最有發(fā)展前景的方向之一。展前景的方向之一。綠藻制氫的意義 綠藻制氫具有重要的意義，因為它揭示了綠藻代謝途綠藻制氫具有重要的意義，因

26、為它揭示了綠藻代謝途徑、調(diào)控途徑和電子轉(zhuǎn)移途徑的發(fā)生。而且綠藻是依賴徑、調(diào)控途徑和電子轉(zhuǎn)移途徑的發(fā)生。而且綠藻是依賴可持續(xù)的光而生產(chǎn)和積累大量的氫氣。綠藻制氫的長期可持續(xù)的光而生產(chǎn)和積累大量的氫氣。綠藻制氫的長期優(yōu)勢是它無毒無污染，大量養(yǎng)殖綠藻還能得到具有附加優(yōu)勢是它無毒無污染，大量養(yǎng)殖綠藻還能得到具有附加價值的產(chǎn)品。價值的產(chǎn)品。 利用綠藻的利用綠藻的“光合光合呼吸作用兩步法產(chǎn)氫呼吸作用兩步法產(chǎn)氫”原理，通原理，通過過“間接生物光解間接生物光解”法制備的氫氣無毒且無污染，是非法制備的氫氣無毒且無污染，是非常環(huán)保的制備氫氣方法。目前無論是利用基因工程對藻常環(huán)保的制備氫氣方法。目前無論是利用基因工

27、程對藻株的改造，外部因子對產(chǎn)氫過程的控制，還是反應(yīng)器的株的改造，外部因子對產(chǎn)氫過程的控制，還是反應(yīng)器的優(yōu)化多集中在這種方法上。優(yōu)化多集中在這種方法上。綠藻制氫面臨的挑戰(zhàn) 主要問題：主要問題： 產(chǎn)氫產(chǎn)氫速率不高速率不高，只有理論最大值的，只有理論最大值的15%；需要優(yōu)化大規(guī)模養(yǎng)殖綠藻環(huán)境的太陽能轉(zhuǎn)化效需要優(yōu)化大規(guī)模養(yǎng)殖綠藻環(huán)境的太陽能轉(zhuǎn)化效率；還要不斷提高產(chǎn)氫的率；還要不斷提高產(chǎn)氫的連續(xù)性連續(xù)性；氫氣產(chǎn)量在；氫氣產(chǎn)量在去硫環(huán)境下去硫環(huán)境下60小時后開始下降，去硫小時后開始下降，去硫100小時小時后，綠藻又會回到正常的光合作用狀態(tài)通過補后，綠藻又會回到正常的光合作用狀態(tài)通過補充內(nèi)源性底物來恢復(fù)活力

28、；光生物反應(yīng)器的充內(nèi)源性底物來恢復(fù)活力；光生物反應(yīng)器的循循環(huán)利用環(huán)利用，減少藻類生長營養(yǎng)素方面技術(shù)還不夠，減少藻類生長營養(yǎng)素方面技術(shù)還不夠，因而綠藻制氫價格昂貴，成本太高。因而綠藻制氫價格昂貴，成本太高。參數(shù)（因素）參數(shù)（因素）挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)克服挑戰(zhàn)的方法克服挑戰(zhàn)的方法 技術(shù)發(fā)展水平技術(shù)發(fā)展水平未來展望未來展望光合器官的太光合器官的太陽能轉(zhuǎn)化效率陽能轉(zhuǎn)化效率在很強的太陽光在很強的太陽光照射下綠藻的太照射下綠藻的太陽能轉(zhuǎn)化效率低陽能轉(zhuǎn)化效率低基因水平上截短基因水平上截短起光合作用的天起光合作用的天線葉綠素的長度線葉綠素的長度以限制光吸收的以限制光吸收的速度速度能調(diào)控天線葉綠能調(diào)控天線葉綠素長度并成功截

29、素長度并成功截短其短其50%長的長的TLA1基因已被基因已被克隆克隆要鑒定出更多要鑒定出更多能截短天線葉能截短天線葉綠素長度的基綠素長度的基因因氫氣的產(chǎn)生氫氣的產(chǎn)生產(chǎn)氫過程中對產(chǎn)氫過程中對氧的敏感性對于氧的敏感性對于產(chǎn)氫飽和要低光產(chǎn)氫飽和要低光強強短暫的分離氧短暫的分離氧氣和氫氣的產(chǎn)生氣和氫氣的產(chǎn)生這兩過程，通過這兩過程，通過過度表達來增加過度表達來增加綠藻中鐵氫化酶綠藻中鐵氫化酶產(chǎn)量產(chǎn)量“兩步法兩步法”制氫制氫無氧無硫環(huán)境的無氧無硫環(huán)境的發(fā)展發(fā)展發(fā)展生產(chǎn)氫氣的發(fā)展生產(chǎn)氫氣的可持續(xù)性可持續(xù)性光生物反應(yīng)器光生物反應(yīng)器材料價格每平米材料價格每平米0.75美元營養(yǎng)素美元營養(yǎng)素價格每平米價格每平米0.

30、65美元，成本太高美元，成本太高回收利用材料盡回收利用材料盡量少的使用或回量少的使用或回收利用營養(yǎng)素收利用營養(yǎng)素正在測試一個規(guī)正在測試一個規(guī)模達模達500L用柔用柔韌、堅固并且透韌、堅固并且透明的材料制成的明的材料制成的光生物反應(yīng)器光生物反應(yīng)器更先進的的機械更先進的的機械和化學(xué)工程技術(shù)和化學(xué)工程技術(shù)陸地面積陸地面積由于太陽光照射由于太陽光照射的擴散性質(zhì)需要的擴散性質(zhì)需要大面積土地大面積土地合理布置設(shè)備安合理布置設(shè)備安放地點，最大化放地點，最大化的利用到土地每的利用到土地每一處面積一處面積對晴朗、干旱氣對晴朗、干旱氣候，以及淡水、候，以及淡水、半咸水和海水的半咸水和海水的可利用性可利用性選擇合適

31、的國內(nèi)選擇合適的國內(nèi)或國際地區(qū)作為或國際地區(qū)作為建造工廠的廠址建造工廠的廠址 提高產(chǎn)氫速度還面臨很多問題：如何提高藻類細胞內(nèi)提高產(chǎn)氫速度還面臨很多問題：如何提高藻類細胞內(nèi)的的氫化酶數(shù)量氫化酶數(shù)量；如何提高該酶的；如何提高該酶的耐氧性耐氧性；如何使；如何使光合效應(yīng)光合效應(yīng)最大化最大化，現(xiàn)在的，現(xiàn)在的“兩步法兩步法”光利用效率太低，不到光利用效率太低，不到1%；綠藻循環(huán)利用會出現(xiàn)綠藻循環(huán)利用會出現(xiàn)退化現(xiàn)象退化現(xiàn)象，不利于大規(guī)模露天培養(yǎng)；，不利于大規(guī)模露天培養(yǎng)；光合放氧，光合放氧，內(nèi)源底物代謝內(nèi)源底物代謝以及氫化酶催化產(chǎn)氫之間的復(fù)雜以及氫化酶催化產(chǎn)氫之間的復(fù)雜關(guān)系沒有深入研究等等。關(guān)系沒有深入研究等

32、等。 綠藻制氫今后需要大規(guī)模發(fā)展具有優(yōu)化生長環(huán)境的綠藻制氫今后需要大規(guī)模發(fā)展具有優(yōu)化生長環(huán)境的發(fā)酵系統(tǒng)，因此我們還要不斷研究發(fā)酵系統(tǒng)，因此我們還要不斷研究氫化酶的發(fā)酵原理氫化酶的發(fā)酵原理。在。在綠藻制氫技術(shù)成熟可用之前，這些問題必須要去解決。綠藻制氫技術(shù)成熟可用之前，這些問題必須要去解決。三種解決方案 培養(yǎng)條件對產(chǎn)氫效率的提高有一定作培養(yǎng)條件對產(chǎn)氫效率的提高有一定作用，但效果不明顯。要提高綠藻細胞中氫用，但效果不明顯。要提高綠藻細胞中氫酶的活性和產(chǎn)量，則要求酶的活性和產(chǎn)量，則要求有產(chǎn)氫效率高有產(chǎn)氫效率高，能耐受高濃度氧能耐受高濃度氧的的高效產(chǎn)氫的藻株高效產(chǎn)氫的藻株。對產(chǎn)。對產(chǎn)氫藻種的篩選和改造是研究的氫藻種的篩選和改造是研究的基礎(chǔ)和核心基礎(chǔ)和核心。一一.篩選高效的藻株篩選高效的藻株二.有效的制氫途徑 闡明光合作用高效吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的分子機理和調(diào)控機制以及光損傷和光保護機理，是提高微藻光合作用制氫效率的有效途徑。三.合理的光反應(yīng)器 微藻光水解制氫的反應(yīng)器系統(tǒng)應(yīng)該包括微藻的高密度培養(yǎng)、產(chǎn)氫酶的暗誘導(dǎo)和光照產(chǎn)氫3個部分。目前實驗室研究微藻間接光水解制氫可以用一個反應(yīng)器，暗誘導(dǎo)和光照產(chǎn)氫在不同的時間內(nèi)完成，為下一步的連續(xù)制氫研究提供工藝參數(shù)。要使微藻光水解制氫技術(shù)投入實際應(yīng)用，必須發(fā)展大規(guī)模的發(fā)酵系統(tǒng)，優(yōu)化生長條件，才能實現(xiàn)連續(xù)