微藻产油综述

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，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，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%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：2NaHCO3→Na2CO3+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