由光照强度和光能转化率评估微藻生物质产率

ｕｓｅ
ｃｈａｎｇｅ，ＬＵＣ）”带来的结果是减排还是增排“温室气体”
争论很大［４１。开荒种植、油料作物不仅会破坏原始的野生植物，更重要的是会促成长期沉积网定在热 带雨林中的碳泥地（ｐｅａｔｌａｎｄ）转化成大援“温室气体”１５】。如果原有植被或农作物的土地的碳储量
（ｃａｒｂｏｎ ｓｔｏｃｋ）较离，间接改变土地用途（ＩＬｕｃ）改种油料作物带来的碳储量损失也会转化成“温
计算脱离了大部分地域可达到的光照条件和微藻的净光能转化率。仅从某灭或某点的养殖结果
用简单的乘法推广到年、亩或公顷会导致过分夸大的错误结果，是极小可取的
２养殖地域和地点对光强度的影响 由于上述光强度等外部养殖条件（地域，气候等）对生物质产率的巨人影响，由不同地区或不
刚实验室的微藻生物质和脂质日产率推导出的年产率可相差１０倍以上”…。这说明无论是预测生物质
室气体”，虽然在评话和计算方法上还有争议郾】，但直接改变土地用途（开荒），特别是碳泥速损失 会增排“漱室气体”是不容置疑的。人们对开垦热带雨林破坏碳泥地滞来的“温室气体”效应的评 佶越来越重视‘霸，近年已有报卺提塞了ＦＡＭＥ是否适合作为替代燃料的疑阀鞠。 显然，以“温室气体”减排为目的替代燃料原料路线最好依靠没有植被的土地，如沙漠和滩涂等 “不毛之地”或海上。在这类土地上搭建跑道池或光生物反应器，养殖藻类可能是避免ＬＵＣ带来的“温 室气体排放”的最佳途径。因为土地用途变更前沙漠和滩涂的碳储量低，因此从种植（养殖）生物质 增加的碳储量中扣除少，剩余的净增碳储量较多。罴然要估算微藻生物燃料的Ｃ０２减排率，还要乘以 生物燃料产率（ＤＷ％，以生物质干重质燕为基准）并扣除养殖和加工过程的Ｃ０２排放当量嘲。 养殖用地确定之后，除了尽量降低养殖加工过程的能耗（ＣＯ：排放量）外，最重要的就是提高
ｇｒｏｗｔｈ
ｐｈａｓｅ）收获【２３１。
如果改用光程（Ｌ）较短的２５０ｍｌ锥形瓶，并将进气中Ｃ０２浓度提高到５％，表３中所有微藻的ｘ一 都超过了２９／Ｌ，且按养殖周期１４ｄ计算，２３种的Ｐｖ超过了１５０９ｍ－３ ｄ－１，１３种的Ｐｖ超过了２００９ｍ－３ ｄ．１刚， 比表２所示养殖结果大约高了一个数量级。虽然二者都用连续光照射，但分别用光量子探头（ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｎｓｏｒ，单位岬１０ｌ
２养殖条件：３Ｌ锥形瓶，温度：２２℃，光照强度：３５００ Ｉｘ。养殖周期为８－１０ｄ【２１】。 ３养殖条件：５Ｌ柱型瓶（ｒ＝９，温度：２０℃，光照强度２５００ ｌｘ。进气：空气（Ｃ０２浓度约０．０４％），养殖周期为７～ｌＯｄ， 表中均按ｌＯｄ计算日产率田Ｊ。 ４养殖条件：１５Ｌ玻璃瓶，２４＂（２，藻液容积：１０Ｌ，人工光源２５０１ａｍｏｌ ＰＡＲ ｍ－２ｓ。１（合１４０００ Ｉｘ）１２ｈ：１２ｈ间断照射， 营养液配方：Ｌ１，Ｆ／２，收获方式：在对数生长期（１０９ａｒｉｔｈｍｉｃ
ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒｅｄ ｂｙ
ｐｌａｎｔｓ）时，分母是每年到达养殖地域的全部光能。因
实际吸收光能比到达光能小得多，所以光能转化率明显低于光合效率，光合效率也可称作最大光能 转化率。
光能
６Ｃ０２＋６Ｈ２０＋营养盐（磷肥、氮肥）＿Ｃ６Ｈ１２０６
（糖类等生物质）＋６０２
ｔ／ｈａ。
嗣前在最适养藻的Ｉ类区域雨生红球藻和螺旋藻年产率可达２０～３０ ｔ／ｈａ，国内大都处于Ｉｌ、硪类区域， 螺旋藻年产率仅为１０～１５ ｔ／ｈａ。到２０２０年，如能利用国内１０３３万ｈａ滩涂和北方沙地全部养藻，按 生物质年产率１５ ｔ／ｈａ，液体生物燃料产率２０％计，可顶替当年１０％酶液体燃漶，实现与欧盛相当皎 豳标。
对最大光能转化率的说法不一，如把光子（ＰＡＲ）能源利用率作为最大光能转化率，则为
１６％２６％［１们，但也有文献认为只有５％。１２％［１１１。通过表ｌ所述光能转化过程分析可知，微藻的净光
能转化率只有３．１％【１２】。对Ｃ３植物来说，４．５％是上限，实际上包括生长迅速的白杨（ｐｏｐｌａｒ）也只 有１％左右，全球表面平均的净光合效率只有０．１％［１３１。
（１ ６７３６ＭＪｍ２ ｄ一，按转化系数１ ７４＋００７ｐ
Ｅ／Ｊ计算㈣．光强度台６７１／ＥＰＡＲｍ ｓ１），设１２０ｋｃａｌ
２
ｍ２ｄ。（３％）即转化成生物质的能量，按每克微藻生物质耗能５ｋｃａｌ一微藻牛物质的母大理论日产率
（ＭａｘＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＡｌｇａｌＰｒｏｄｕｅｔｉｖｉｔｙ）为２５州矗１１。Ｉｏ除阳光之外，温度也很重要，适宜养藻的温度因藻
苷）．同时ＮＡＤＰ＋（烟酰胺腺嘌呤二棱苷磷酸， 种辅酶）被还原ｈ荒ＮＡＤＰＨ（还原型烟酰胺腺嘌呤
二核苷磷酸）。在暗反应阶段，ＮＡＤＰＨ和ＡＴＰ起Ｍ大气环境中获取ＣＯｎ并将Ｃ０２转化为碳水化合
物的作用。两部分组成了光台作用的全过程（图１）。这罩肯３道关口：（１）光台效率随光强度变化，
光弱时效率高，光特别强时反而低；
２８
｛会议义集一，－＿蹦ｊ曩、。？
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微藻生物质的年产率（与单位养殖面积的碳储量成正比），也就是利用养殖地域一年的阳光，能将多 少二氧化碳转化成生物质。二氧化碳、水和营养盐（化肥）是微藻养殖体系内部不可缺少的原料（反 应物），而阳光则是光合反应不可缺少的外部能量来源。本文将重点讨论不同时间和不同地域的日光 强度分布和光能转化率对生物质产率的影响。在此基础上，对单位面积的微藻生物质产率（新增碳 储量）给出比较切合实际的估值。养什么藻？花多少钱？占多少地？是判断微藻生物燃料路线可行 性的基本问题。本文试图参照前人的工作，为回答上述问题提供一些依据。
４５／ｈ／ａ。谈数值会艟菪地域和天气的光强度改变。国内Ｈ前量产螺旋藻的最佳牛物质年产率只冉 １０～１５１］ｈａ口】，即使在夏威夷等少数特别适合养藻地域年产率也未达到３０ｔ／ｈａ。如果在计算过程中一味 提高光强度（能量）．也可以算山高达７５９，ｍ２的Ｈ产率，相应的年产率超过了１００Ｖｈａｔ””１。但这类
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《弱膨蒸蠢鹰囊麓萨煎熬蠛蕊露餐
由光照强度和光能转化睾评估徽藻生物质产率
彭朴 （孛国石化石灌仡工辩学研究跷，石涟他工催化材料与反应工程国家熏点实验室，她京１０００８３）
摘要：本文介绍了不同地域光照强度、温度分布和反应器光程等外部因素对微藻生物质产率的显
著影响，从反应器受光强度和光能转化率（光合效率）两方面解释了微藻生物质秘骀质产率预测值 差别较大的原因。微藻的净光能转化率只有３％ｖ６％，虽然比陆生Ｃ３槭物高，目前实际水平仍徘徊 襁１％左右。再考虑养殖地域和一年中光照强度的变化，推测微藻理论生物质年产率为１５￣４５
同位置两并列柱形反应器（ＳＩ，ｓ２）东部（Ｅ）和西部（ｗ）表面受光强度差异非常太，有遮挡的东部 受光强雇低（４０∞一１２０００ｈ），而卒目的西部受光强度高（１０００正１０００ｈ），不同位置的受光强度柏
最近１倍，且同一地点白天８小时间（弘１６时）的变化幅度均为３倍。与空旷地１日时间光强度测量
结果比较司知，图２所不反应器表向受光强度只有室内外窀旷地的ｌｎ～ｌＨ。冈此，测量光强度应在
种而异（小球藻和螺旋藻：１ ５－３５＇Ｃ，雨生红球藻：２５－２７。Ｃ），对大多数ｊ受水微藻来说，２５～３５℃是 台适的。也就是说，在、ｍ热带地区１年中有相当长时间不适台微藻生长。所以，设年半均理论Ｈ产 率为１２
５９／ｍ２（最不适合养藻Ｅｌ的产率为０９／ｍ２，最适合养藻日的产率为２５☆秆），理论年产率为
Ｐｖ的计算最简单，用藻液浓度（‰）陈以养殖天数（ｄ）即叮得到，Ｐｖ越高加工成干藻的能耗就
越少。表１所示３组实例的光照强度虽有币州，但反应瓶均较大（３～５Ｌ）＋光程（Ｌ）较长，所以
Ｐｖ普遍偏低。‰。大都在０．５扎以下，Ｏ ２加３∥Ｌ居多。按养殖时间１０ｄ计算，单位容积日产率大
都在２０～３０９ｍ ３一（ｍｇｌ’。ｄ。）。绿色巴夫藻、柔弱角毛藻和聚球藻等甚军不足１０９ｍ
（２）不是所有光都能被叶绿素吸收；
（３）复杂的光量子转化
过程将一氧化碳转化成碳水化台物．生成Ｉｍｏｌ ＣＨ２０一需要８～１０ｔｏｏｌ或更多光量子。改变光合效率足 不容易做到的，光合作用历程的形成经过Ｔ３５亿年，改变绝非易事““。
光
Ｃ０２
物席
圈１光台反应过程示意圈
＿＾＝阳光能和化学能间的转化关系比较复杂，且与气象有关”…。设藻液面１３照能量４０００ｋｃａｌｌＩｆ…ｄ
或脂质产苹都必须慎用外推法。美国科罗拉多州屯大学（ｃｏ时ａ如ｓ协ｅ
ｕ㈣镕崎）受ｓ“１ｘ公司鸺
委托曾对光强度和温度两项因素作过系统分析，发现仅美国境内的光强和温度差异就能使微藻脂质
的年产牢相莘１倍（１２—２４ｔ／ｈａ）ｔｌ。。Ｊ
ｏ
除了地域上外，暖房（大棚）或反应器间的遮挡对光强度影响也非常明屁。罔２所示暖房中不
１．光合效率
藻类生物质包括多糖等碳水化合物（Ｃ，Ｈ，Ｏ）、蛋白质（Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎ）和脂质（Ｃ，Ｈ，较少Ｏ），与石 油的主要区别在氧含量。生物质中的ｃ和Ｈ只有大约５０％，而石油中几乎都是Ｃ和Ｈ。仅针对非生 物因素而言，如果反应物水、二氧化碳（碳源）和其他无机营养盐源等保持充足，光照和温度等对 生成微藻生物质的产率起决定作用。光合效率（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）是指微藻的光合器官把 日光能转化成化学能的效率。计算光合效率时，分母是光合反应体系吸收的光能。而计算光能转化 率（ａｃｔｕａｌ
３
衷２最后的４种藻，荧光灯强虽高达２５０１Ｉｍｏｌ
ＰＡＲ…２ｓＩ（约合１４０００ １ ｄ。）。
显增加，可见反应器光程比光源强度（Ｉ）的影响更大（表２和表３比较也能说明遗一点）。
纛爨感璧醯萨避竣愿礤露餐
表２室内长光程（５～８ｃｍ）广口瓶微藻养殖结果 藻种
小球藻 绿藻１ 小球藻
Ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ Ｃｋｌｏｒｅｌｌａ ｖｕｌｇａｒｉｓ
ｘｍａｘ
Ｉ Ｐｖ，，
Ｌ
（ｇ／Ｌ）
０．５５ ０．８６
（ｇｍ－’ｄ。１）
３７ ４３
（埘
２０００ ２０００
（ｃｍ）
７ ７
ｌ养殖条件：４Ｌ瓶，温度：２２＂Ｃ，光照强度：３０／ｉＥｍｏｌ
ＰＡＲ ｍ－２
ｓ‘１（约２０００ Ｉｘ）。养殖周期为１５ｄ，２０ｄ【２０１。
表１
微藻光合作用中的光能转化率分析
１对ｃ３植物为５３％，因为绿光、紫外光和红外光等不能被叶绿素吸收【１０１
２对Ｃ３植物为１６％２６％（平均２０％）【１０】
光合反应由光反应（１ｉｇｈｔ ｒｅａｃｔｉｏｎｓ）和暗反应（ｄａｒｋ ｒｅａｃｔｉｏｎｓ）两部分组成。在光反应阶段，光 ．ｉ会议文集：
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台色素（叶绿素）吸收的光能被传输到反应中心，在这里实现了初级电荷分离和电子的跨膜输送， 电子和质子的转移促成ＡＤＰ（哚苷一磷酸）和无机磷酸盐合成了通用生物能量载体ＡＴＰ（三磷酸腺
藻渡（反应器）表面，而不足远离藻液的空间。如果能在藻液的不同深度处测量光强度更好。测量
点选择币当，会导致测量结果成倍的误差。
∥～、。
淼黧㈣。。
圈２两并列柱形反应器东部（遮挡）和西部（空盯）表面受光强度（Ｉｘ）的变化
３．光强度和光程和ｃ仉浓度对生物质产宰的形响 ３．１室内光强和光程对生物质产率的影响
微藻生物质产率的衷不方法有３种，分别是容积、表面积和占地而积生物质产率（Ｐ…Ｐ，ＰＬ）Ⅲ。
生物柴油（脂肪酸甲酯，ＦＡＭＥ）经过持续多年的推广，２０１０年欧洲总产量已接近１０００万蚀， 健２０１１年来能保持增长势头，产量明显下降ｆｌ】。我豳土地短缺闽题尤为突出，食用油料种植厦积一 逝不足，２０１０年油脂进口总量高达１３５０万ｔ（占总供给的７２％），且进口价格也在持续上涨。我国 既无欧洲菜籽和美国大豆种植面积的优势，也无进口棕榈油成大豆油生产生物柴油的财力，与欧美 糯比，寻求新的生物柴油原料来源的需求曼迫切馨】。以食用漓等植物漓为原料发震生物柴游酶一个 重要的推动力是政府补贴，然而发展中圈家一直无力实施，欧洲的政府虽然一或坚持，但最近由于 经济危机也出现了减少或停止补鬓砉酶现象。欧盟虽然曾提出到２０２０年生物柴漓占＝有率要达到运输燃 料的１０％，但后来修改为１０％也包括生物乙醇在内。国际能源署（ＩＥＡ）提出生物燃料到２０５０年要 达劐运输燃料总量的２７％（目蘸是３％）［３１。要实现上述目标，必须扩大生物燃料原料的种植或养殖 面积，然而对“改变土地用途（１ａｎｄ
拦曩攀燕鹰璧豳萨夔黢瑟蕊游餐氦渤我国沿海滩涂和北方4大沙地面积分别达350万ha和1033万ha261如全部用来养藻考虑到这些地区大多处于亚热带i类区域按生物质年产率15thaa液体燃料产率20计271可年产4149万吨运输燃料2020年我国液体运输燃料消费量将达到4亿吨左右281如果此时上述养藻规模能够能实现我国生物燃料的替代水平也能达到与欧盟设定的10目标