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1 成果簡介原料油脂費用占生物柴油生產(chǎn)成本的 80％以上，目前原料油脂價格高居不下并不斷上漲，制約了生物柴油產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。國內(nèi)外生產(chǎn)生物柴油的主要原料是大豆油、菜籽油、花生油、棕櫚油、地溝油等。它們與農(nóng)業(yè)爭地，與食品及飼料爭原料，單位生物量的產(chǎn)油率低，生產(chǎn)周期長，消耗大量的水資源、化肥和能源。 清華大學(xué)發(fā)明了微藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油的新技術(shù)，其技術(shù)特征在于：通過對一種特別藻株特殊品系的篩選和代謝途徑的改變，Chlorella protothecoides 0710 strain 由光合自養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛墚愷B(yǎng)，細(xì)胞由綠變黃，生長繁殖更快，油脂含量提高 3－4 倍，達(dá)細(xì)胞干重的 61％以上。又將工業(yè)界成熟的發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于高油脂異養(yǎng)微藻的生產(chǎn)，進(jìn)一步提高發(fā)酵規(guī)模和細(xì)胞密度，現(xiàn)細(xì)胞發(fā)酵密度超過了 100 g/L，獲取了大量異養(yǎng)干藻粉后提取油脂，經(jīng)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)生成了高質(zhì)量的生物柴油。 該技術(shù)的創(chuàng)新點： （ 1）發(fā)明了微藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油新技術(shù)，打通了以糖、淀粉、有機廢水、二氧圖1 吉化工程新型塔及常規(guī)塔運行外觀 圖2 慶陽石化工程新型塔（ 左側(cè)） 及常規(guī)塔（ 右側(cè)）運行外觀化碳等為原料、工業(yè)自動化條件下高效生產(chǎn)生物柴油的新途徑； （ 2）異養(yǎng)藻細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)量和油脂含量不斷創(chuàng)造新高（ 細(xì)胞干重 100 g/L，含油量 60％），提高了該技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。 （ 3）在發(fā)酵前引入利用 CO2和光合作用來減少糖或淀粉的消耗，降低成本同時減少溫室氣體的排放。該技術(shù)獲 3 項國家發(fā)明專利和 2007 年全國發(fā)明大會獎。2 應(yīng)用說明應(yīng)用目標(biāo)：與有實力的企業(yè)界合作，在工業(yè)化規(guī)模上進(jìn)一步降低微藻發(fā)酵過程的成本，實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化運作。 主要生產(chǎn)原料為以下 4 類之一：（ 1）二氧化碳；（ 2）甜高粱、甘蔗等糖質(zhì)原料；（ 3）或木薯、玉米等淀粉質(zhì)原料；（ 4）或含糖有機廢水等。 生產(chǎn)設(shè)備：微藻培養(yǎng)池、光生物反應(yīng)器、工業(yè)發(fā)酵設(shè)備及廠房為主。 生產(chǎn)消耗：電能、蒸汽等（無污染等環(huán)境問題）。 產(chǎn)品應(yīng)用：微藻生物柴油質(zhì)量好，應(yīng)用范圍與目前市場上銷售的柴油完全相同。 投資風(fēng)險：本技術(shù)創(chuàng)新性強，沒有前人的實踐、范例和經(jīng)驗；通過工業(yè)化和規(guī)模化來實現(xiàn)進(jìn)一步降低成本的目標(biāo)；高技術(shù)、高投入、預(yù)期高回報的同時也存在投資風(fēng)險。  圖 1 流程圖3 應(yīng)用說明中國境內(nèi)的生物柴油能源市場等。4 效益分析全世界油脂價格和液體燃料價格瘋狂上漲，對世界經(jīng)濟(jì)、政治和國家安全等產(chǎn)生重大影響。實現(xiàn)本技術(shù)商業(yè)化運作的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大。5 合作方式雙方共同合作，在工業(yè)化規(guī)模上進(jìn)一步降低微藻發(fā)酵過程的成本，實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化運作。6 所屬行業(yè)領(lǐng)域能源環(huán)境。

微藻可以通過自身的光合作用高效固定二氧化碳，同時生產(chǎn)生物燃料以及高 附加值產(chǎn)品，已成為國內(nèi)外技術(shù)開發(fā)的熱點。在微藻能源利用工藝流程中，用于 微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器占總設(shè)備投資和運行成本的一半。由于相關(guān)研究工作的 缺乏，生物反應(yīng)器受微藻光合效率、傳質(zhì)以及光照的限制，體積大、占地寬、成 本高、產(chǎn)率和效率低。為了強化微藻光生物反應(yīng)器中光傳遞，提高光分布的均勻 性，構(gòu)建了內(nèi)嵌空心導(dǎo)光管的新型平板式微藻光生物反應(yīng)器，通過空心導(dǎo)光管的 引入實現(xiàn)了將光能導(dǎo)入反應(yīng)器中光衰減嚴(yán)重區(qū)域，提高了反應(yīng)器內(nèi)藻細(xì)胞的產(chǎn)量。 在此基礎(chǔ)上，為了優(yōu)化反應(yīng)器的光分布，設(shè)計了內(nèi)置導(dǎo)光板的光生物反應(yīng)器，并 將其用于工業(yè)化中常用的跑道池反應(yīng)器中（如圖1所示），使微藻產(chǎn)量提到了 193. 33%,生物質(zhì)產(chǎn)量達(dá)到2. 31g/L,油脂產(chǎn)量達(dá)到1258. 65mg/L。導(dǎo)光板目前工 藝成熟，成本低廉，對微藻無毒害作用，因此將其用于微藻產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)的跑道池 反應(yīng)器中，基本不會增加建造及運營成本。按目前藻粉市場價來算，微藻150 元/千克，傳統(tǒng)跑道池反應(yīng)器的收益為0.18元/升，而利用內(nèi)置導(dǎo)光板的跑道池 光生物反應(yīng)器可獲得0.35元/升的收益。同時，在工業(yè)化常用的管式反應(yīng)器的基 礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了一種新型非連續(xù)光照管式光生物反應(yīng)器，通過間斷遮光方 式，形成了反應(yīng)器內(nèi)明區(qū)和暗區(qū)的周期性分布，實現(xiàn)了微藻在反應(yīng)器內(nèi)流動時的 規(guī)律性明暗交替，從而觸發(fā)閃光效應(yīng)，使微藻生長速率提高了 15%。 在微藻生長到穩(wěn)定期后，需對反應(yīng)器中的微藻進(jìn)行采收。傳統(tǒng)的采收方式包 括離心、絮凝、氣浮、膜過濾等，這些方法均耗能較多。為了降低采收成本，提出聚丙烯酸系高吸水性樹脂吸收培養(yǎng)基濃縮微藻，吸收后可通過高溫?zé)煔饷撍?收再利用。利用采收后的濕藻進(jìn)行水熱液化的預(yù)處理方式，將藻細(xì)胞破壁，使細(xì) 胞內(nèi)的多糖、蛋白質(zhì)、油脂等析出并解聚成小分子的單糖、氨基酸、脂肪酸，之 后這些小分子物質(zhì)經(jīng)微生物發(fā)酵，產(chǎn)出甲烷、氫氣等高熱值的生物燃料。此外， 微藻破壁后，可直接經(jīng)萃取等過程，得到硫代多糖、二十碳五烯酸（EPA）、二十 二碳六烯酸（DHA）、蝦青素等高附加值產(chǎn)品。其中，硫代多糖具有抗氧化、抗腫 瘤、抗炎、抗病毒等活性，并且可以作為抗凝血劑和免疫調(diào)節(jié)劑。EPA被稱為“血 管清道夫"，能促進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)的健康和防止膽固醇和脂肪在動脈壁上積聚，并對 治療由自身免疫缺陷引起的炎癥有效。DHA俗稱“腦黃金”，是神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞生 長及維持的一種主要成分，是大腦和視網(wǎng)膜的重要構(gòu)成成分，在人體大腦皮層中 含量高達(dá)20%,在眼睛視網(wǎng)膜中所占比例最大約50%。蝦青素是已知氧自由基清 除能力最強的天然色素，其抗氧化能力是維生素E的1000倍，雨生紅球藻是最 佳的天然蝦青素來源，含量達(dá)到3%-5%,是目前唯一被美國FDA審核準(zhǔn)許可用于 人類直接使用的蝦青素產(chǎn)品，我國于2010年批準(zhǔn)納入食品新資源產(chǎn)品目錄。 針對微藻生物質(zhì)高效能源化利用的問題，提出太陽能加熱實現(xiàn)微藻水熱預(yù)處理， 再利用水解液和固態(tài)殘渣厭氧發(fā)酵制取富氫甲烷氣，實現(xiàn)微藻全組分轉(zhuǎn)化利用， 并建立了中試系統(tǒng)（如圖2, 3）o通過太陽能水熱水解，微藻發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程的 速率和轉(zhuǎn)化率得到顯著提升。

本發(fā)明提供了一種微藻水熱液化制取生物油的連續(xù)式反應(yīng)系統(tǒng)及方法，通過設(shè)置兩級預(yù)熱器可以充分利用液化反應(yīng)后的余熱，進(jìn)而降低反應(yīng)系統(tǒng)的整體能耗。此外該系統(tǒng)通過固液分離器、氣液分離器和離心機的聯(lián)合作用可以連續(xù)、高效地實現(xiàn)液化產(chǎn)物的分離，無需額外的有機溶劑對生物油進(jìn)行分離。相比其他水熱液化系統(tǒng)，本發(fā)明系統(tǒng)運行費用低、產(chǎn)物分離徹底、系統(tǒng)連續(xù)性好，可以廣泛應(yīng)用于微藻水熱液化生產(chǎn)生物油。

利用市政污水培養(yǎng)產(chǎn)油微藻可有效解決環(huán)境水污染和能源危機的雙重挑戰(zhàn)：微藻能夠利用市政污水中的碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長，并在細(xì)胞內(nèi)積累油脂。降解污水中的污染物的同時提供了生產(chǎn)生物柴油的原料，極大限度地降低生物柴油的生產(chǎn)成本和污水處理廠的運營成本。通過對微藻能源生產(chǎn)工藝進(jìn)行中試，構(gòu)建微藻能源規(guī)模化集成系統(tǒng)，以實現(xiàn)各個單元之間高效率的耦合。其主要流程為：微藻培養(yǎng)、微藻收獲、微藻油脂提取與轉(zhuǎn)酯化。

本發(fā)明涉及生物質(zhì)能利用技術(shù)，旨在提供平板氣升環(huán)流式養(yǎng)藻光合反應(yīng)器及其進(jìn)行微藻養(yǎng)殖的方法。該平板氣升環(huán)流式養(yǎng)藻光合反應(yīng)器為箱型結(jié)構(gòu)，箱型結(jié)構(gòu)的頂部有一個直徑為3cm的開孔，內(nèi)部通過隔板分隔成三塊區(qū)域，分別為中心流上升區(qū)和兩個兩側(cè)流下降區(qū)；該進(jìn)行微藻養(yǎng)殖的方法包括步驟：接種微藻液體至平板氣升環(huán)流式養(yǎng)藻光合反應(yīng)器中，在平板氣升環(huán)流式養(yǎng)藻光合反應(yīng)器的一側(cè)設(shè)置光源，用氣泵向平板氣升環(huán)流式養(yǎng)藻光合反應(yīng)器中送入的空氣或工業(yè)煙氣。本發(fā)明能形成一個旋轉(zhuǎn)的交替更迭的大渦流動，加強了氣液攪拌和物質(zhì)傳遞，能夠明顯改善藻液流場和促進(jìn)閃光效應(yīng)，有利于提高微藻光合作用和生物質(zhì)產(chǎn)量。

成果簡介：二十二碳六烯酸（DHA）是人體所必需的一種多不飽和脂肪酸，是大 腦細(xì)胞膜的重要構(gòu)成成分，可輔助腦細(xì)胞發(fā)育，對治療高血脂癥、動脈粥樣硬化 178天津大學(xué)科技成果選編 等能起到有效作用。本課題組通過開發(fā)破囊壺菌高密度異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)二十二碳六 烯酸（DHA）關(guān)鍵工程化技術(shù)，篩選出高產(chǎn) DHA 的破囊壺菌工業(yè)菌株 2 株。同 時優(yōu)化獲得了破囊壺菌生產(chǎn) DHA 的工藝條件，批量發(fā)酵培養(yǎng)破囊壺菌，獲得 DHA 的提取技術(shù)，在分離純化 DHA 的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步優(yōu)化中式技術(shù)，獲得高純 度（90%）DHA，實現(xiàn)商業(yè)價值。 成果水平： 國內(nèi)領(lǐng)先，團(tuán)隊專有技術(shù) 應(yīng)用范圍：海洋生物能源與生物資源可持續(xù)發(fā)展利用技術(shù)，利用海洋微生物進(jìn)行 高附加值、高產(chǎn)能的海洋生物能源開發(fā)（提取 DHA），主要可應(yīng)用于海洋微藻產(chǎn) 氫產(chǎn)脂、生物醫(yī)藥、生物食品、保健等領(lǐng)域。 市場分析及前景：據(jù)統(tǒng)計目前市售食品級低濃度（22％-25％）DHA 價格在 26.9-36.5 萬元/噸；食品級高濃度 DHA（27％-30％）為 73-109.5 萬元/噸，而純 度為99.9％的DHA售價高達(dá)16.8萬美元/公斤。當(dāng)前DHA的生產(chǎn)主要來自魚油， 普遍存在分離成本高、具有魚腥味、有污染物等問題。海洋微生物的不飽和脂肪 酸成分簡單，易于分離純化，用于發(fā)酵生產(chǎn) DHA 可以有效解決利用魚油生產(chǎn) DHA 的問題，降低 DHA 的生產(chǎn)成本，產(chǎn)業(yè)過程污染少，隨著國內(nèi)消費者健康意 識的不斷提升以及購買力的提高，國內(nèi) DHA 的需求必將進(jìn)一步增加，其開發(fā)應(yīng) 用前景廣闊。 主要技術(shù)指標(biāo)：分離得到 200 多株可培養(yǎng)的破囊壺菌菌株，獲得高產(chǎn) DHA 和類胡蘿卜素的破囊壺菌工程菌株，如 Aurantiochytrium sp. PKU#SW7 和 Thraustochytriidae sp. PKU#Mn16，其 DHA 占細(xì)胞干重達(dá) 20%；另已獲得 4 株破 囊壺菌基因組二代測序結(jié)果；申請發(fā)表專利（破囊壺菌的分離純化培養(yǎng)，破囊壺 菌快速測定方法等）；獲得粗制 DHA 工藝技術(shù)。 投資規(guī)模：包括設(shè)備、資金、場地、人員等。 合作方式：技術(shù)轉(zhuǎn)讓等

自養(yǎng)型富油微藻具有光合作用效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強、生長周期短、生物產(chǎn)量高的特點，是理想的生物質(zhì)能源材料。利用藻類生物質(zhì)生產(chǎn)液體燃料對緩解人類面臨的糧食、能源、環(huán)境三大危機，有著巨大的潛力。本項目開發(fā)的富油舟形藻屬硅藻類，是富油潛力藻種之一。對原始藻種馴化和篩選后，在不補充CO2的情況下，以自養(yǎng)方式培養(yǎng)藻細(xì)胞，干重可達(dá)3.66g/L，生長周期15天，油含量達(dá)到40%以上，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。現(xiàn)完成實驗室3L規(guī)模的小試階段，500L規(guī)模的中試培養(yǎng)正在進(jìn)行中，10噸級規(guī)模的光生物反應(yīng)器正在建設(shè)投產(chǎn)，可年產(chǎn)960kg的干藻粉。更大規(guī)模的光生物反應(yīng)器正在籌備之中。富油小球藻是本實驗室開發(fā)的第二個品種。以BG11為培養(yǎng)基，在100L光生物反應(yīng)器中，優(yōu)化后的藻細(xì)胞自養(yǎng)培養(yǎng)，干重可達(dá)5.5g/L培養(yǎng)基，總油脂含量可達(dá)藻細(xì)胞干重的50%左右，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。已達(dá)到500L的中試培養(yǎng)規(guī)模，10噸級規(guī)模的光生物反應(yīng)器正在建設(shè)投產(chǎn)。以年產(chǎn)10 M gallons生物柴油的投資成本計，約10年即可完全收回投資成本。自養(yǎng)型微藻的無機鹽占到總成本的60%以上。本項目已成功把沼氣發(fā)酵和小球藻的培養(yǎng)兩個體系進(jìn)行偶聯(lián)，即利用沼氣發(fā)酵的沼液作為小球藻的培養(yǎng)基，同時把沼氣中的CO2作為微藻培養(yǎng)的CO2來源。偶聯(lián)后小球藻的各項指標(biāo)和無機鹽培養(yǎng)相近。這樣既解決了微藻培養(yǎng)的培養(yǎng)基成本問題，又提高了沼氣的純度與質(zhì)量，還減少了沼液的環(huán)境污染。已申請專利一項。

1 成果簡介原料油脂費用占生物柴油生產(chǎn)成本的 80％以上，目前原料油脂價格高居不下并不斷上漲，制約了生物柴油產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。國內(nèi)外生產(chǎn)生物柴油的主要原料是大豆油、菜籽油、花生油、棕櫚油、地溝油等。它們與農(nóng)業(yè)爭地，與食品及飼料爭原料，單位生物量的產(chǎn)油率低，生產(chǎn)周期長，消耗大量的水資源、化肥和能源。 清華大學(xué)發(fā)明了微藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油的新技術(shù)，其技術(shù)特征在于：通過對一種特別藻株特殊品系的篩選和代謝途徑的改變， Chlorella protothecoides 0710 strain 由光合自養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛墚愷B(yǎng)，細(xì)胞由綠變黃，生長繁殖更快，油脂含量提高 3~4 倍，達(dá)細(xì)胞干重的 61％以上。又將工業(yè)界成熟的發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用于高油脂異養(yǎng)微藻的生產(chǎn)，進(jìn)一步提高發(fā)酵規(guī)模和細(xì)胞密度，現(xiàn)細(xì)胞發(fā)酵密度超過了 100 g/L，獲取了大量異養(yǎng)干藻粉后提取油脂，經(jīng)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)生成了高質(zhì)量的生物柴油。 該技術(shù)的創(chuàng)新點： （ 1）發(fā)明了微藻異養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)生物柴油新技術(shù)，打通了以糖、淀粉、有機廢水、二氧化碳等為原料、工業(yè)自動化條件下高效生產(chǎn)生物柴油的新途徑； （ 2）異養(yǎng)藻細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)量和油脂含量不斷創(chuàng)造新高（ 細(xì)胞干重 100 g/L，含油量 60％），提高了該技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性； （ 3）在發(fā)酵前引入利用 CO2和光合作用來減少糖或淀粉的消耗，降低成本同時減少溫室氣體的排放。 該技術(shù)獲 3 項國家發(fā)明專利和 2007 年全國發(fā)明大會獎。2 應(yīng)用說明與有實力的企業(yè)界合作，在工業(yè)化規(guī)模上進(jìn)一步降低微藻發(fā)酵過程的成本，實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化運作。 主要生產(chǎn)原料為二氧化碳及以下 3 類之一：（ 1） 甜高粱、甘蔗等糖質(zhì)原料；（ 2） 木薯、玉米等淀粉質(zhì)原料；（ 3） 含糖有機廢水。 生產(chǎn)設(shè)備：微藻培養(yǎng)池、光生物反應(yīng)器、工業(yè)發(fā)酵設(shè)備及廠房為主。 生產(chǎn)消耗：電能、蒸汽等（無污染等環(huán)境問題）。 產(chǎn)品應(yīng)用：微藻生物柴油質(zhì)量好，應(yīng)用范圍與目前市場上銷售的柴油完全相同。 投資風(fēng)險：本技術(shù)創(chuàng)新性強，沒有前人的實踐、范例和經(jīng)驗；通過工業(yè)化和規(guī)模化來實現(xiàn)進(jìn)一步降低成本的目標(biāo)；高技術(shù)、高投入、預(yù)期高回報的同時也存在投資風(fēng)險。3 應(yīng)用范圍中國境內(nèi)的生物柴油能源市場等。4 效益分析全世界油脂價格和液體燃料價格瘋狂上漲，對世界經(jīng)濟(jì)、政治和國家安全等產(chǎn)生重大影響。5 合作方式（ 1） 合作研究開發(fā)：清華大學(xué)方投入前期的專利技術(shù)、成果、儀器、實驗室和研究人員，政府或企業(yè)方投入研發(fā)資金（至少若干百萬元起步）、設(shè)備和工程技術(shù)人員，雙方共同合作，在工業(yè)化規(guī)模上進(jìn)一步降低微藻發(fā)酵過程的成本，實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化運作。雙方風(fēng)險共擔(dān)，成果共享。 （ 2） 技術(shù)轉(zhuǎn)讓：清華大學(xué)方將前期的專利、技術(shù)、成果獨家轉(zhuǎn)讓給企業(yè)方，同時協(xié)助企業(yè)方完成進(jìn)一步的研發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)化運作。企業(yè)方首先投入技術(shù)轉(zhuǎn)讓費用，享有對該技術(shù)的壟斷權(quán)。

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