摘要
生物质能的研究与开发的目的是解决化石资源短缺和温室气体排放等全球性问题。但传统意义上的生物质能依赖农作物、耕地等资源，同时存在不能进行大规模机械化生产制造，成本高，有地域影响，存在很多限制因素。海洋生物质能的开发和利用为解决上述问题提供了一条可能有效的出路，同时减少污染，改造能源结构，有利于环境保护。本文介绍了海洋生物质能开发的原理和优势,阐述了我国海洋生物质能开发的现状，提出了我国发展海洋生物质能的技术问题及前景展望。 关键词： 海洋生物智能、环境保护、温室气体、前景展望
生物质能的利用手段多种多样，有直接燃烧、生物质气化、液体生物燃料、沼气（沼气的传统利用和综合利用技术、沼气发电、沼气燃料电池）、生物质发电技术（农林废物发电、垃圾发电和沼气发电）等，但大多数技术只能小型化，个体装置进行，不利于大型化实施，同时，造价较高，市场竞争力不足，海洋生物质能则不存在这些问题，同时还能节能环保，充分利用开发不利于生产生活的海洋及沙漠地区。
化石资源短缺和环境污染是当今经济和社会发展所面临和必须解决的两大问题。一方面,有限的化石资源日趋耗尽,石油短缺和价格上涨已经成为制约全球经济发展的重要因素之一;另一方面,化石资源利用造成严重的环境污染,并可能导致全球变暖和灾害性气候频发等系列问题,由此造成每年数千亿美元的损失。上述危机已经引起全球有识之士的关注和思考:人类如何减少和摆脱对化石资源的依赖,如何改变目前高消耗、高污染的经济发展模式?作为上述问题的答案,寻求可再生能源替代化石资源、建立可再生能源支撑下的经济社会可持续发展的新模式,顺利渡过后化石经济时代,并最终进入无化石经济时代,已经成为全球的共识。
许多国家纷纷投入巨资积极开展相关研发工作,生物质能的开发就是其中一项重要的组成部分。利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前全球生物质能产业化开发的重要内容。一方面,由于目前的生物质能开发主要以农作物为原料,导致了与粮食、耕地、水等资源竞争的局面;另一方面,上述原料的发展空间有限,难以满足未来市场的需求。海洋生物质能的开发为解决上述问题提供了一条可能有效的出路。
1 海洋生物质能开发的原理和优势
海洋生物质能是海洋植物利用光合作用将太阳能以化学能的形式贮存的能量形式,海洋生物
质的主要来源为海洋藻类,包括海洋微藻和大型海藻等。海洋藻类是石油、天然气等现代化石能源的古老贡献者,可以利用海洋、盐碱地等不适合粮食作物生产与林木种植的空间进行规模生产,成为当前生物质能研究领域的热点,已经引起了全球各界的广泛关注。 1.1海洋微藻生物质能开发的特点和优势
海洋微藻生物质能的研究一直是国际生物质能研究的重点,甚至有一些学者认为微藻是解决能源与环境问题的终极出路。海洋微藻生物质能开发具有以下特点和优势:
(1)生长速度快,光合效率高:微藻是光合效率最高的光合生物之一,可能提供足以解决全球需求的非粮食可再生的生物质能。
(2)适应能力强,不争地,不争水:一些微藻具有盐碱适应能力,可利用海水、地下卤水等在滩涂、盐碱地进行大规模培养;利用封闭式光生物反应器培养微藻,生产相同量的生物质,其耗水量仅为农作物的1%。
(3)大量积累脂质,因而可高效生产生物燃油:一些产油微藻的脂肪酸总量可达干重的50% ~90%,有望成为最有前景的生物燃油来源。
(4)具有减排效应,可以直接处理工业废气:微藻可以通过光合作用利用废气(CO2、NO2)和废水,不仅能缓解温室气体的排放,而且可以通过利用废水废气降低生产成本,一些微藻还可以通过胞外CO2浓缩机制(Carbon Concentrating Mechanism,CCM)直接吸收CO2并转化为碳酸氢(盐),具有显著减排效应,有望进行商业化减排。
(5)可高值化综合利用:微藻含有丰富的生物活性物质,在制备生物燃油的同时可进行高值化综合利用,相对降低微藻产油的成本。可开发的高值产品包括虾青素、活性蛋白、活性多糖、不饱和脂肪酸、天然素、生物肥料和饵料等。
1.2 大型海藻生物质能开发的特点和优势
大型海藻含有丰富的碳水化合物(海藻胶、纤维素、海藻淀粉等和甘露醇,可以转化为燃料乙醇等,有关研究已有多年的积累,大型海藻生物质能开发具有以下特点和优势:
(1)产量高,可大规模栽培。
(2)不占用土地与淡水资源,可以避免海洋生物质能开发对粮食安全的影响。
(3)有利于保护海洋环境,预防海洋灾害:大型海藻的栽培可以有效吸收富营养化元素,抑制赤潮发生;还可通过光合作用吸收利用CO2,产生显著的减排效益。
(4)大型海藻木质素含量比陆地植物少得多、藻体柔软、机械强度不高,因此容易被破碎和消化,从而可以降低燃料乙醇等的生产成本。
(5)整个藻体均可用于生物质能开发,剩余的原料可以通过综合利用,做到“吃干榨尽”。
2 我国海洋生物质能研究的现状
中国科学院等研究机构在曾呈奎院士等老一批海洋科学家的领导下,从我国的海藻生物资源调查开始,解决了海带、紫菜、裙带菜等海藻的大规模培养技术,开展了螺旋藻、盐藻、小球藻等微藻的藻种选育、大规模培养和产业化工作,使我国在大型海藻栽培和微藻养殖的某些方面达到国际领先水平,积累了一批具有产能前景的藻种资源,储备了有关技术和人才,成为我国发展海洋生物质能的重要基础。等离子体发生器
与国际上海洋生物质能的研发相比,我国的主要优势包括:
(1)不仅建立了国际上最大规模的海藻(包括大型海藻和海洋微藻)生产基地,同时,由于技术、资源及人力成本等综合因素,在生产成本上具有明显的优势。
(2)我国拥有国际上最大规模的海藻科技队伍,并涌现出了一批高水平的科学家,在海藻分类区系、光合作用、种质种苗、基因工程等研究方面取得了一系列具有国际水平的研究成果。
(3)形成了具有中国特的海藻资源开发的产学研结合模式,成为海藻产能技术开发的重要平台。
(4)长期以来由于耕地资源有限,我国大力发展海藻产业以获得产量高、成本低的海藻生物量为首要目标,这与目前国际上海藻能源研究的首要目标是一致的,因此,相对于其它国家,我国具有明显的优势。我国在海藻能源开发方面的不足在于,海藻的靶向代谢组学分析乙醇/甲醇转化技术研究相对滞后,微藻封闭式光生物反应器的低成本规模化技术有待建立,海藻的栽培局限于近海,现有的海藻产能试验规模不大、海藻能源技术与产品的评估系统尚待完善等。
3 海洋生物质能发展的主要技术问题
当前海洋生物质能的研究内容主要包括建立海藻的低成本培养、生物质能的高效生产、充分吸收或沉降CO2并快速积累高值化产品的集成技术等方面,其关键科学问题在于:
高沸点溶剂
(1)产能海藻的种质特性方面:筛选快速生长、适应性强的适宜生物质能开发的优良藻种,采用传统与分子生物学相结合的方法改良藻种。
(2)产能海藻的代谢调控方面:海藻光合作用特性与调控机制,海藻对胁迫条件及极端环境的适应机制,海藻碳同化产物代谢机制,海藻的CCM途径及调控等。
(3)海藻光生物反应器技术方面:通过传感器技术、结构和材料优化,提高光生物反应器的光能转化效率并降低其成本。
(4)海藻的甲醇/乙醇转化研究:海藻多糖降解和单糖利用微生物菌种的筛选,降解和利用途径的研究,提高转化率的方法学研究等。
4 海洋生物质能研究的发展趋势及节能环保
自20世纪70年代起,美国、日本、西欧等国家就开始了生物质能的前期探索,目的是解决化
石资源短缺和温室气体排放等全球性问题。经过近半个世纪的艰苦努力,生物质能关键技术已经取得了突破,生物质能源逐步进入了人类的日常生活并开始部分取代化石能源。利用油料作物生产生物柴油和利用淀粉作物生产燃料乙醇是当前生物质能产业化开发的重要内容,其原料来源主要依赖农作物,从而导致了生物质能开发与粮食、耕地和水资源竞争的局面。海洋生物质能的研究可能成为解决这个瓶颈问题的重要出路。
海洋生物质能的生物质来源主要是海洋微藻和大型海藻,美国的ASP和MBP、日本的OSP等一系列研究计划的实施,使得海洋藻类生物质能研究取得了重要进展。海洋生物质能开发具有突出的特点和优势,已经成为国际生物质能研究的重点。
我国的海洋生物质能研究也已取得了一定进展,在海藻种植资源和低成本生产技术上具备良好积累,发展海藻生物质能具有明显优势。我国拥有472万km2的海域和217万km2的海洋滩涂,可以发展海藻生物质能的空间十分广阔;我国沙漠、戈壁及沙漠化土地总面积为168. 9万km2,不适宜耕作的盐碱地34. 6万km2发展产能微藻进行综合开发前景诱人。按2. 5 t(干重) /亩的大型海藻/微藻产量计算,利用我国1%强的海域(5万km2)培养大型海藻就可以生产1. 3亿t乙醇,可以替代20%的现有石油需求,减少5. 5%的CO2柔性触觉传感器排放;利用11%左右的海域,可以满
足全部现有石油的需求,并减少1 /4以上的CO2排放;利用7万km2的沙漠(4% )或盐碱地(20% )养殖微藻就可以替代20%的化石能源,并减少7. 7%的CO2排放。更好的节能减排，有利于保护环境和创建资源节约型和环境友好型的和谐社会。
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