微藻产油综述

1、批判着看微藻类生物柴油摘要微藻类油的定量生产往往被高估。生产1 kg的藻类柴油所投入的盐分近似于1 kg矿物柴油的实际价格。电能生产微藻生物柴油的费用总额是消耗相同数量电能产生的收入的数倍。微藻培养作为食物的生物价值比作为燃料要高的多。普遍认同的观点是资金应该投资于微藻生物质生产，用来生产食品添加剂，饲料和药品。其目的是为了防止在微藻类生物柴油上做太过草率的决定和投资。关键词： 生物柴油/微藻1. 简介生产微藻油是一个古老的想法，这些想法几乎每十年反复出现，到现在已经持续了50年了。从本世纪一开始，微藻一直被认为可能是柴油燃料良好的可再生来源。藻脂肪酸转化为甲酯或者乙酯可以用作生物柴油。全世界

2、各地都在使用这个方法，同时这种方法常常被一厢情愿的证据支撑着。现如今人们甚至可以在网络上找到许多电子书或者其它的来源卖“在家”或者“在车库”里生产海藻类生物柴油的方法。事实上，几乎用任何有机体作为来源来生产生物柴油都没有很多技术障碍。作为一个跨学科的事业，藻类柴油的方法需要能光合自养的生物技术和化学工业方面的理论知识以及实际生活经验。大部分情况下，实际的生活经验主要基于实验室的观察和小型的户外设备。乐观的结果往往来自于更大体积或者表面积层面上的推断。Chisti的图表上显示微藻生物量应该相当便宜，为了使微藻生物柴油的生产经济合理，原油应该更加昂贵。针对微藻生物量主要成本减少的研究和开发值得融资

3、，但是微藻生物柴油的生产现如今完全是毫无理由的冒险。特别要说的是，这对中小企业来说简直就是灾难。这和Schneider的观点不谋而合，同时和Carlsson发表的结果相吻合。关于藻类生物柴油，他们俩都参考了Gerald Cysewski的言论：“如果不是微藻类，我根本看不到这种情况。”在一个讲座中，Venter提到转基因藻类对于生物燃料的生产有着很好的前景。然而，初步选定的高产且单一栽培的品种不能轻易种植在室外的池塘或者咸水湖。水池里的原生品种将会占主导地位，这些品种将与新引进的藻类品种竞争。可以通过基因操作增加藻类三酰甘油的含量，但是增长率可能还是维持在一个有限的数字，因为增长率和三酰甘油的

4、含量逆相关。高含油脂的品种也已经可供使用。对其中一些品种来说，报道称含油量80%的品种没有把焦点放在其相当低的增长率。另外我们不禁要问：“在这些高产的品种中，我们把什么称作油类，是三酰甘油还是全部的油脂？”我们不质疑生物柴油其它来源的经济相关性，比如说更高等的植物，要么是普通含油的物种要么是新奇含油的物种。一世纪之前，R.Diesel做过实验，他用植物油作为燃料来发动引擎。高等植物的优势在于不断的二氧化碳供应，而藻类则需要搅拌以确保二氧化碳这种极其重要成分的供应。植物通过它们的叶子来接收和使用直射光，反射光以及耗散光，而藻类只能使用到达水分表面的光。藻类培育的另外一个不利条件是需要更长的时间来

5、加热水层以达到最佳温度。在植物中，油主要储存在干燥成熟的种子里，而藻类油脂主要存在于高含水量的细胞膜中。这其实就意味着藻类产油的数量还要和植物油的质量竞争。还有一些其他的研究人员认为微藻生物柴油生产不是一个现实的选择。这篇论文的目的就是要仔细来看看微藻产油还需要被考虑在内的障碍所在之处以防止在微藻类生物柴油上做太过草率的决定和投资。2.营养培养基藻类正常情况下生长在营养培养基中。在营养培养基中，盐类要和组成藻类细胞的矿物质相符合。保持正确的盐类比例是高产的先决条件。就我们的研究实践而言，我们得出一个结论，12kg微藻生物量大约可以获取1 kg的生物柴油。生产12kg的微藻生物量需要2 kg 尿

6、素（尿素可用作2.666kg硝酸铵，5.465kg硝酸钙或者5.665kg硝酸钠），0.530 kg磷酸二氢钾，0.370kg硫酸镁以及几种其它微量营养物。这些盐类的总成本，尽管只是总花费的一小部分，仍然接近于1 kg 柴油燃料的实际价格。如果在培育过程中使用未经加工的海水，未必会增加钠离子的浓度，只是节约了硫酸镁和一些微量营养物的花费。此外，氮盐和磷盐可供给于用来微藻培育的装置或者咸水湖。据文件记载，当藻类细胞缺乏一种必要的营养素，相比于培育在均衡介质中的藻类，它们会分泌出10倍有机物。同时据说，高含量的有机基质会刺激细菌生长，细菌生长可以增加五六倍。培育在如此富营养化的水体中并没关系，因为

7、藻类并不能完全代表它们全部的生产能力。微藻细胞钠离子含量相对较低，这些细胞一直在试着驱除超量的钠离子，这导致介质的pH值增加。 随着培育过程的推进，碳酸氢钠开始聚集，其浓度成比例的增长。钠离子主动转移出细胞需要消耗能量和ATP，这对藻类的生长产生了不良的影响。考虑到这些，为了达到要求的日产量，必须放掉池塘中的水，在特定的时间里重新注入新的介质直到达到最佳藻类密度。这个生产步骤即耗时又耗力。用于培育藻类的水池中的盐类和重金属的含量需要严格控制，因为藻类常常会聚集重金属离子。这会引起生物量的化学污染和细菌污染。和一些观点不同的是，这也是限制食品添加剂和饲料生产的原因之一。3.二氧化碳的供应从烟灰，

8、尘土，不完全燃烧的产物以及二氧化硫中来的废气必须要净化。这一步常常通过碳酸氢钠的逆流吸收溶解来进行。 用于此目的的设备需要一定的能源费用，这些费用用于瓦斯鼓风机和清洗溶液泵。纯净的气体中包含15%的二氧化碳，这些二氧化碳在压力下引进藻类装置以克服来自油脂层的液体静压力。热力学上的消耗也要考虑在内。这些过程一起实施的话，生产1kg的生物柴油需要近1kwh的能量。Chisti的观点需要修正。他的观点是每年水塘和光生物反应器中二氧化碳的消耗量和1.83 kg的生物量相同，通过化学计算是正确的。早些时候据报道水塘中供应的二氧化碳低于20%被有效利用。在严格控制下，如果不限制小球藻的生长，水塘中大约70

9、%的二氧化碳被利用。不幸的是这样严格的控制在很大范围内几乎无法实现。事实上，如果在主要成本中，二氧化碳的价格容易计算的话，室外池塘中的解吸可能会彻底影响到经济。根据简单的化学方程式：2NaHCO3Na2CO3+CO2+ H2O Q，即使介质中一开始就有碳酸氢钠，在338摄氏度的培育温度下，二氧化碳施加8毫米汞柱的分压同时从粗糙表面释放出来。这些耗损是无法避免的。因此，在室外池塘中培育1kg干燥的藻类生物量需要至少5到6kg的二氧化碳。在理想条件下培育，甚至需要更多额外的二氧化碳以满足藻类完全的光合潜力。二氧化碳的逆流吸收可以运用于光生物反应器中，但是在抽掉氧气的过程中，也会损耗一定数量的二氧化

10、碳。我们不否认没有额外的二氧化碳供给和搅拌，在水池中培育藻类也是可能的，但是由于培育过程中的几个障碍问题，我们发现培育出来的品种将会比我们预期的要低等。自然中可供利用基质的消耗将会降低增长率。低比例的二氧化碳和氧气加上强光将会增强核酮糖中加氧酶的功能，同时各自达到光呼吸的更高层次。我们先前的结果表明，在我们停止供应二氧化碳后的15分钟内，光呼吸产生的细胞外的羟基乙酸在介质中聚集。没有额外的二氧化碳供应的话，藻类的密度每立方分米不足0.5克。特别需要提到的是海水中主要的自由有机物质是羟基乙酸，它是浮游植物光呼吸的产物。我们期待着水池有着相似的水质特征，这可能是不良藻类生物量损耗的先决条件。要不然

11、的话，所有温暖的水池和室外的池塘本应该变成藻类的天堂。在一些相当具体的情况下，即在具有独特环境特征的地方，如Tchad的喀喀湖（螺旋藻属自然生长的地方）还有勒拉马斯（束丝藻属自然生长的地方），生长的生物量用作食品添加剂。实际上，野外的生物量没有额外的二氧化碳的供应不能用来大规模的生产。整个培育过程中必须保持二氧化碳的供应以确保整个培育面积内的均匀分布，这可以通过搅拌来实现。 其他学者证明在整个藻类悬浮体积内二氧化碳的浓度达到每平方米10到15克就可以完全消除光呼吸带来的负面影响。4。藻类的生长藻类产油要考虑的另外一个重要参数就是它们的生长。就这一点而言，处理和比较植物和藻类的收益及生物量的生产

12、很有必要。地球上最高产的C3类植物是水葫芦-凤眼莲。据证明其最大产量是干重60吨/公顷/年，相当于17.3克/平方米/天。据另外一个研究小组报道水葫芦的日产量是干重22到53克/平方米，这个产量维持了大约7周。最高产的一种C4类植物是多穗稗，其产量是干重100吨/公顷/年或者平均27.4克/平方米/天。生物量的聚集和光合效率密切相关。通常，光强度低的情况下，C3类植物的光合效率大约是4.7%；光强度高的情况下，其光合效率是1-2%。C4类植物在光强度低的情况下光合效率达到4%，光强度高的情况下光合效率是3-4%。理论上最大光合效率大约是34%。在非常低的光强度下，真正的价值不超过10%。记载的

13、海产微藻类20天内的最大光合效率仅仅大约9%。特别要说的是，小球藻预计的光合效率是7%，最多达9%。在光强度高的情况下，这个参数更低。当大面积范围内培育藻类的时候，这种情况几无可能得到改善。在德州地区，藻类生物量产量的上限预计达42 200公斤/公顷/年。实际中最好的情况是从40700到53200升/公顷/年。Chisty参考的藻类生产干重量是0.035克/平方米/天，相当于理想条件下128吨/公顷/年。一种被认为是潜在的生物柴油来源的物种是颗石藻，这种藻类已经在室外水塘中培育。受控条件下，颗石藻的产量是2018克/平方米/天（2.5-47.6克/平方米/天）。这就意味着藻类生物量总计达73吨

14、/公顷/年，当培育在控制下的环境下（但不能是大面积的水池），就可以培育出藻类生物量。类似最高产量达48克/平方米/天的藻类是绿藻斜生珊藻，其生长在一个20平方米的水沟里达3个月之久。这儿需要指出的是藻类的生长环境光照充足，但是光照的持续性对于藻类产量来说是个限定的参数。 在室外的池塘或者自然照射下的光反应器中都无法得到高产，否则当白天低于12小时时，光反应器会在理想控制的条件下运行。培育阶段，尽管会比较长，也不会一年365天都在理想温度下达到光照12小时。继而，在室外池塘中，光和温度的变化大大影响了藻类的产量，这在澳大利亚的一个研究中得到广泛认可和证实。Tchad湖中4公顷面积内的生物量生产大

15、约是80吨/年。但是，从我们在同样的地点取样1kg的生物量的结果中显示，其样品中含有大约250克的沙石粉末（未发表的数据，Petkov, 1995）。根据公布发表的数据，在天然盆地中生长的藻类，产量预计大约是干重5.5克/平方米/天。这对咸水湖中藻类的生产也有着一定的价值。Pulz和Scheibenbogen报道称光反应器中藻类的生产力是干重100克/平方米。在透明的1.5米的并有着0.15平方米的横截面（10块穿孔的平板，0.3米*0.5米，每两块平板之间距离是15厘米）的逆流圆柱体中，栅藻的日产量可长时间维持在干重501克。这相当于333克/平方米/天的产量，但这并不意味中在大型的装置中将

16、会取得同样的结果。上面描述的装置的设计使得装置表面更大范围可受到直射，反射以及漫射光照射。每平方米面积上的高产也可以通过小小的垂直光生物反应器实现，因为这种反应装置可利用大量的光。但是当小模型扩展到一个工业规模的话，高产还是没办法实现。在管状的光生物反应器中，光可以穿透稠密的藻类悬浮物到大约6-7毫米。因此，管子的直径相对要小些，同时这也会限制整个装置的体积。5.藻类亲脂性提取物的定量和定性成分有许多已发布的数据显示藻类含有达77%的油脂。通常这种成分由不利的生长条件引起的（Table 1）。在不利的条件下，藻类不能集中地生长，往往会储存着油脂。藻类生长和油脂含量成反比是由Li等人提出的。油质

17、的绿藻油脂含量从理想条件下的25.5%增长到压力条件下的45.7%。其它类群的藻类也表现出类似的生理反应。所有的这些数据指的是总油脂含量，并不是三酰甘油。低生长率的条件下可实现藻类油脂含量增高，因为据记载一种绿藻葡萄藻属在缺氮条件下生长 所表现出来的就是这样。高脂含量的藻类的栽培不能够提供令人满意的日生产量，我们应该强调这一重要的事实（Table 1）。对葡萄藻的研究长达21天，栽培密度从0.2-1.2克/升到0.7-2克/升，这和低生长率相对应。当生物量的成分由40%的油脂和50%的蛋白质组成，期望其快速增长是不合理的。在此栽培条件下，剩下的10%分配给糖类，叶绿素，类胡萝卜素，矿物质，核酸

18、，克雷伯氏循环酸以及固醇类等等。如果你接受海藻含油量是40%，那么总油脂含量至少是65%到70%。在这种情况下，怎么可能使这种特别的藻类含有50%的蛋白质，这样最好混合物的总成分将超过100%。充分供应氮的三角褐指藻细胞含有55%的蛋白质和20%的油脂。同样的物种在缺氮条件下栽培含有25%的蛋白质和22%的油脂。上一章我们指出，颗石藻富含油，且平均年产量相当于干重中33%的油脂。此外，预计油脂的产量会达到大约24吨/公顷/年，这其中只有一半，即12吨/公顷/年由用于生产生物柴油的脂肪酸组成。微藻每年每公顷可以产十万升油的预估完全超过了其产油的实际能力。根据我们的计算， 十万升的油本应该来源于大

19、约干重106kg的微藻。通常植物油，如棕榈树，葡萄树，向日葵等等，都是三酰基甘油，其含有90%的脂肪酸。其相对容易从种子中提取。和其它高等植物种子不同的是，藻类油脂不是三酰基甘油。例如，高油质的藻类缺刻缘绿藻的三酰基甘油有42.9%的油脂，巴夫藻的三酰基甘油有40.3的油脂。从干燥的脂质中提取的三酰基甘油的比例要更低，干燥的脂质中聚集着叶绿素，类胡萝卜素和固醇类。1kg藻类脂质水解后，产物通常是0.3-0.5kg的脂肪酸，0.2-0.4kg的不皂化物（碳氢化合物，类胡萝卜素，叶绿醇，固醇类）还有0.2-0.3kg的水溶性物（甘油，半乳糖，硫代异鼠李糖，磷酸）。天然的藻类脂质主要是单乳糖和二半乳

20、糖甘油二酯，硫酸甘油糖脂，磷脂类和大量的不皂化物，其脂肪酸的含量达到平均31-32%。由于叶绿素含量较高，藻类脂质的提存需要额外的处理。半乳糖，甘油以及磷酸在处理过程中酯化为脂质分子，其质量将会减少为营养成分或者完全浪费掉。从以上列子中可以得出结论，最佳情况下，植物油中脂肪酸的含量是藻类脂质的两到三倍、当然从干重12kg单一清洗过且快速生长的藻类中生产1kg的脂肪酸还是可能的。据证明15kg的小球藻和栅藻可以提取出1kg的生物柴油。然而，在室外池塘单一栽培高产且含油丰富的菌株仍然是个挑战。6 水分蒸发为了生产1kg的生物柴油，需要大约干重12kg的微藻。如果把赌注押在365天平均产量是干重30

21、克/平方米，那么至少400平方米的开放区域才能保证日产12kg海藻。这个区域内平均每天水分蒸发4立方米。很显然，当计算1kg生物柴油的主要成本的时候，这4立方米的湖水的价格也不能忽略。海水只能用作初始营养培养基的一部分。海水的蒸发不得不用淡水来补给，因为盐分浓度是一个关键的因素，其浓度的增加会给藻类的生长率带来负面影响从而降低生产力。Wolkers等人认为盐水中微藻每产1L的成品油潜在需要1.5L的淡水。我们仍然不清楚怎样在增加盐分浓度的情况下维持藻类的快速生长。生产1kg的生物柴油，覆盖的池塘中水分的蒸发大约是1.5立方米，但是为了防止过热而搭建的通风设备需要额外的花费。生产1kg的生物柴油

22、需要鼓进54000立方米的干燥空气，其中大约有28克/立方米的湿气真实有效以弥补1.5立方米的水分蒸发。这个过程需要2到3kwh的电量，这是可以忽略不计的。7. 微藻悬浮物的搅拌搅拌是为了加强质量传递和热传递且搅拌最好在湍流条件下进行。微藻栽培的密集式生长需要搅拌。栽培的每个单一细胞是都是一个单株有机物且必须有光照和供应二氧化碳。整个油脂体积的运动需要消耗能量。不管用了什么样的搅拌技术，都必须保证整个体积连续不断的运动。不同方式的搅拌决定了目标藻类的形态特征和生理需求。可以用桨叶，离心机，活塞泵或者是气升器来搅拌藻类悬浮物。微藻生产最少需要6 w/m2不间断的能量，这相当于每天消耗能量 0.1

23、44 kWh/m2。要生产1kg的生物柴油，搅拌需要消耗400m2*0.144kWh/m2=57.6kWh，这个值比1kg柴油燃料的能量（相当于11.6kWh）要高的多。Richmond 和 Becker推荐气升期搅拌的方法， 这种方法是用190w的总电量和70%x效率的压缩机搅拌85平方米的池塘。总的来说，等式0.7*195/85=1.6W/m2表明这种能量输入对于密集培育来说是不够的。此外，在计算电能转化为机械能的时候，把机械能等同为数量的运动才能得到70%的效率值。当空气被压缩，会有大量热能损耗。Dodd 和Oswald计算得出0.244W/m2的电量需求对于器械搅拌来说足够了。这个理论

24、值不包括藻类悬浮物的内部阻力，即粘度。机械阻力和向量速度的变化在计算过程中没有被考虑在内，这可能会导致低估了真实费用。Torzillo等人认为雷洛系数为4000的管状光生物反应器中水循环利用所需要的能量是0.0393 W/m2。尽管形式上是正确的，但是所运用的等式并不能证明这样的能量供应足以使藻类悬浮物的流通速度达到0.3 m/s。我们也应该考虑到直径26毫米管子中的湍流，即藻类悬浮物的物理密度，大约是1020 kg/m3，其粘度为1.25mP/s。如此的计算方式也是有问题的，因为他们低估甚至忽略了机械阻力和流体阻力的数值。微型机动玩具和模型的阻力至少要强100倍。在Lundquist等人的研

25、究中，他们甚至一次也没有提到像“粘度”、“湍流”以及“藻类密度”这些术语。所以这儿问题出现了，用于搅拌纯水和用于搅拌藻类悬浮物的能量费用是否是一样的。忽略粘度和藻类悬浮物的湍流会导致低估搅拌过程中的能量费用。在一些情况下，比如紫球藻，它可以分泌多糖，其悬浮物的粘度在培育过程中增加2倍，因此，搅拌的能量费用也会增加2到3倍。Lundquist等人总结道：“这是重要的能量消耗，大约每公顷2.4kW。根据我们的经验，我们得出这点能量消耗至少要小于如此面积内所需要的搅拌能量的20倍。类似的2000平方米的水塘现已经运行了12年，其每平方米消耗10W的能量。保加利亚已经在3000平方米的斜坡区生产小球藻

26、和栅藻多达20年以上，培育搅拌所需要的能量预计达67 W/m2。在捷克共和国特热邦地区也有过类似的报道， 900平方米的培育面积搅拌所需要的能量是12kW。在Wijffess 和 Barbosa发表的文章中,他们认为湍流需要高能量输入，因此，不适合用来大规模的微藻产油。这个观点证实了我们之前发布的结论，结论是关于藻类培育粘度的量度和藻类装置中湍流的定量。当计算藻类悬浮物搅拌所需的能量费用时，雷诺系数和所有的阻力都应该被考虑在内。不幸的是，大部分微藻产油领域内研究与开发的论文完全都没有考虑到雷诺系数。根本没必要去期望搅拌24小时不停运动的液体所需的能量费用会忽略不计。事实上，用功率计和钟表去计算

27、所需要的能量更准确有用。6W/m2的值是搅拌横向池塘最少的能量供应。斜坡区，垂直装置，水泵和导管需要更高的搅拌能量，其实际范围大约是1025 W/m2。这个值可能会更大，那取决于静水柱的压力和液体体积的粘度。8. 生物量的分离在栽培介质中，不同藻类的理想密度范围是2-6kg/m3。如果使用栽培密度的平均值（4 kg/m3）的话，那么生产1kg的生物柴油所需要的12kg藻类生物量需要从3立方米的悬浮物中分离出来。离心分离是分离步骤的首选。离心分离所需要的电量接近7kW，其效率是10m3/h。生产1kg的生物柴油，离心分离需要2.1kWh的能量。这儿说明的是其它的分离方法比起离心分离来说效率要低。

28、螺旋藻和丝状的蓝藻细菌以及一些其它藻类相对容易过滤。然而，重量分析地过滤生物量太过潮湿且真空过滤是首选的方法，这意味着额外的能量费用。离心分离的成本估计达每吨3400美元，其次过滤和烘干每吨还要增加1.92美元。根据我们以往的经验，离心分离的真实成本要比上面列举的值低45倍，但是过滤的成本要高出45倍。9.藻类亲脂物质的提取高等植物中的油集中在种子里，然而藻类油脂主要储存在细胞膜中。藻类油脂无法挤出来，而向日葵和其它种子作为原料是都是首选此种方法。比起干燥的藻类生物量，藻类油脂的提取需要数倍高的有机溶剂。提取的步骤需要溶剂的蒸馏，这也是消耗能量的过程。生产1kg的生物柴油，接近25kg的有机溶剂需要蒸馏：(25kg*400kJ/kg)/3600s=2.8kWh, 这是溶剂蒸发所需的能量。用超临界温度的二氧化碳提取的方法在高压下进行且需要更高的能量。10.藻类脂肪酸从藻类中提取的油脂必须水解，水解后加入甲醇或者直接转化为酯类。这些过程同样需要能量以及至少2小时的逆流。藻类脂肪酸是多元不饱和酸，和鱼油中的脂肪酸比较相似（Table 3）。光合器（类囊体膜）的生理状态取决于未饱和膜脂的程度，其是高产的先决条件。当用作食物，饲料，药品时，不饱和脂肪酸相当有价值，但是用作生物柴油的生产