藻類生質燃料

藻類生質燃料
圖片來自agritech-foresight

藻類生質燃料或稱藻油，是液體化石燃料的替代品，也是常見的生物燃料來源（如玉米和甘蔗）的替代品。大型藻類製成燃料時，富含能量油的來源，其燃燒時與石化燃料一樣會產生二氧化碳，但因在生長期間已在自然界吸收了二氧化碳，所以能達至減碳效果。

目錄

簡介

生產力所需的營養物質

氮和磷是藻類生產力所需的兩種最重要的營養物質，但還需要其他營養物質，如碳和二氧化矽。所有生物體都需要大量的磷以磷酸鹽的形式進行新陳代謝。磷（P）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鋅（Zn）、錳（Mn）和鉬（Mo）、鎂（Mg）、鈣（Ca）、矽（Si）和硫（S) 濃度每天使用電感耦合等離子體 (ICP) 分析進行測量。在所需的營養素中，磷是最重要的營養素之一，因為它用於許多代謝過程。在所有這些被測量的元素中，磷的減少最為顯著，在培養過程中減少了84%。這一結果表明， 氮(N)、磷(P) 和鉀(K)等營養素對植物生長很重要，是肥料的重要組成部分。

轉化方法

依主要目的選擇

目前仍沒有所謂的「最佳」轉換法可以適用於所有生物質，因為即使都是藻類生物質，藻種不同或是培養環境改變，生物質的化學成份就會有大幅度改變。除此之外，產物的選擇也是一門學問。一般而言液態燃料可作為交通運輸燃料因此價值最高；固態燃料與氣態燃料主要用於發電，兩者價錢互有高低，固態燃料較易於運輸、氣態燃料燃燒後較為乾淨。因此選擇轉換方式時必須應地制宜，依主要目的選擇適當方法。

熱化學法/化學/生物轉化法

微藻生物質之後產出生質燃料以及這些燃料的轉化方法。生物質的轉換方式主要可分為熱化學轉化法以及化學/生物轉化法。熱化學法顧名思義，就是利用加熱的方式，輔以加壓或是無氧的環境促使生物質產生化學變化生成不同燃料產品；而化學/生物法則是利用化學藥劑或是微生物將生物質轉化為燃料。熱化學法的主要優點是可以將所有生物質轉化，無需事先分離單一成份（如油脂），而且反應時間很短，通常在1小時內即可反應完成，相對於熱化學法。化學/生物轉化法則需數小時至數天才能完成，不過化學/生物轉化法能量消耗較低，並且轉化的產品經濟價值較高，因此兩者實際上難分優劣，需依照使用需求來作選擇。

營運成本

美國能源部估計，如果藻類燃料取代美國所有的石油燃料，則需要 15,000 平方英里（39,000 km ²)，僅占美國地圖的 0.42%，或大約是緬因州土地面積的一半。這還不到 2000 年美國玉米收穫面積的1 ⁄ 7。由於資本和運營成本高，藻類每單位質量的成本高於其他第二代生物燃料作物，但據稱每單位面積的燃料產量高出 10 到 100 倍。

燃料生產

收穫藻類後，生物質通常通過一系列步驟進行處理，這些步驟可能因物種和所需產品而異；這是一個活躍的研究領域，也是該技術的瓶頸：提取成本高於獲得的成本。解決方案之一是使用濾食器「吃掉」它們。另一種提取藻類的方法是用特定類型的真菌培養藻類。這會導致藻類的生物絮凝，從而更容易提取。

脫水

通常，藻類被脫水，然後使用己烷等溶劑從乾燥的材料中提取富含能量的化合物，如甘油三酯。然後，可以使用標準工業程序將提取的化合物加工成燃料。例如，提取的甘油三酯與甲醇反應，通過酯交換生成生物柴油。每個物種的獨特脂肪酸組成會影響所得生物柴油的質量，因此在選擇藻類作為原料時必須考慮到這一點。

水熱液化

另一種稱為水熱液化的替代方法採用連續過程，將收穫的濕藻類置於高溫和高壓下——350°C (662°F) 和 3,000 磅/平方英寸 (21,000 kPa)。產品包括原油，可通過一種或多種升級工藝進一步精煉成航空燃料、汽油或柴油燃料。測試過程將 50% 到 70% 的藻類碳轉化為燃料。其他輸出包括清潔水、燃料氣和氮、磷和鉀等營養物質。

二氧化碳

冒泡一氧化碳CO通過藻類培養系統可以大大提高生產力和產量（達到飽和點）。通常，約 1.8 噸CO₂每生產一噸藻類生物質（幹）將使用，儘管這因藻類種類而異。珀斯郡滲濾液CO的 Glenturret 酒廠CO₂在威士忌蒸餾過程中通過微藻生物反應器製成。每噸微藻吸收兩噸二氧化碳CO₂負責該項目的蘇格蘭生物能源公司將微藻作為高價值、富含蛋白質的漁業食品出售。未來，他們將利用藻類殘渣通過厭氧消化生產可再生能源。

氮

氮是可用於藻類生長的有價值的底物。各種氮源可用作藻類的營養物，具有不同的容量。就生長的生物量而言，發現硝酸鹽是優選的氮源。尿素是一種容易獲得的來源，顯示出可比的結果，使其成為大規模藻類培養中氮源的經濟替代品。儘管與無氮培養基相比生長明顯增加，但已經表明氮水平的改變會影響藻類細胞內的脂質含量。在一項研究中[125]氮剝奪 72 小時導致總脂肪酸含量（以每個細胞為基礎）增加 2.4 倍。與初始培養相比，65% 的總脂肪酸在油體中酯化為甘油三酯，表明藻類細胞利用了脂肪酸的從頭合成。藻類細胞中的脂質含量必須足夠高，同時保持足夠的細胞分裂時間，因此可以最大化兩者的參數正在研究中。

廢水

一個可能的營養來源是污水、農業或洪氾區徑流處理產生的廢水，這些都是目前的主要污染物和健康風險。然而，這種廢水不能直接餵食藻類，必須首先通過厭氧消化由細菌處理。如果廢水在到達藻類之前未進行處理，它將污染反應器中的藻類，並且至少會殺死大部分所需的藻類菌株。

在沼氣設施中，有機廢物通常轉化為二氧化碳、甲烷和有機肥料的混合物。從沼氣池出來的有機肥是液態的，幾乎適合藻類生長，但必須先清洗和消毒。

由於淡水資源的持續枯竭，學者提倡利用廢水和海水代替淡水。然而，廢水中的重金屬、痕量金屬和其他污染物會降低細胞生物合成產生脂質的能力，並且還會影響細胞機器中的各種其他工作。海水也是如此，但污染物的濃度不同。因此，農業級肥料是營養的首選來源，但重金屬又是一個問題，尤其是對易受這些金屬影響的藻類菌株。在開放式池塘系統中，使用可以處理高濃度重金屬的藻類菌株可以防止其他生物侵染這些系統。在某些情況下，甚至已經表明，藻類菌株可以在相對較短的時間內從工業廢水中去除 90% 以上的鎳和]鋅。

應用評估

即使藻類生質燃料之應用具有降低二氧化碳排放的效果，且能被生物降解，不會佔用適合耕作的地方，所需水資源亦非常少，相對於其他燃料產製對環境影響較低，仍有許多重要的課題需進一步探討與研究，才能確保綠色技術發展之同時兼顧永續之生態環境維護。 在將藻類產製燃料做為正式之企業發展前，仍有需多研究工作需深入研究與評估，依據英國藻類技術發展準則(UK Roadmap for Algal Technologies)2，整體評估項目包含：

• 是否具備適合大量養殖藻類之環境因素；
• 是否具備大量產製藻類生質燃料之場所；
• 藻類於水產與海洋系統之生命週期是否符合永續發展原則(如碳平衡)；
• 藻類疾病是否可能造成培養及野生種群之生態影響；
• 藻類繁殖後若形成非原生的藻株是否有生物安全之相關問題；
• 藻類在生態系統中之探及養份循環的角色與作用；
• 藻類大量繁殖時是否對海洋中的哺乳動物造成吸引或排斥；
• 藻類大量繁殖是否造成水體中生物多樣性變化之衝擊；
• 藻類生長產生的微量氣體排放是否造成大氣環境之影響；
• 藻類繁殖場所是否達到最大化之產能與環境效益；
• 藻類所需營養鹽之限制是否能夠克服。

生態影響

對生態環境造成的影響

與基於陸地的生物燃料作物（如玉米或大豆）相比，由於微藻的產油率高於所有其他油料作物，微藻生產導致的土地足跡要小得多。藻類也可以生長在對普通作物無用且保護價值低的邊緣土地上，並且可以使用對農業或飲用無用的含鹽含水層的水。藻類也可以在袋子或浮篩中生長在海洋表面。因此，微藻可以提供清潔能源，而對提供充足的食物和水或保護生物多樣性幾乎沒有影響。藻類種植也不需要殺蟲劑或除草劑的外部補貼，消除了產生相關農藥廢物流的任何風險。此外，藻類生物燃料的毒性要小得多，並且比石油基燃料更容易降解。

然而，由於任何可燃燃料的易燃性，如果點燃或溢出，可能會造成一些環境危害，如火車脫軌或管道洩漏中可能發生的那樣。與化石燃料相比，這種危害降低了，因為藻類生物燃料能夠以更局部的方式生產，並且總體毒性較低，但危害仍然存在。因此，在運輸和使用過程中，藻類生物燃料的處理方式應與石油燃料類似，並始終採取足夠的安全措施。

研究表明，用生物燃料等可再生能源替代化石燃料具有減少二氧化碳排放的能力 CO₂排放量高達 80%。[基於藻類的系統可以捕獲大約 80% 的CO₂當有陽光時從發電廠發出的。雖然這個CO2當燃料燃燒時，這些CO會隨後釋放到大氣中CO₂無論如何都會進入大氣層。減少總二氧化碳的可能性CO₂因此，排放在於防止二氧化碳的釋放CO₂來自化石燃料。此外，與柴油和石油等燃料相比，甚至與其他生物燃料來源相比，藻類生物燃料的生產和燃燒不會產生任何硫氧化物或一氧化二氮，並且產生的一氧化碳、未燃燒的碳氫化合物和還原其他有害污染物的排放。由於生物燃料生產的陸地植物來源根本不具備滿足當前能源需求的生產能力，因此微藻可能是完全替代化石燃料的唯一選擇之一。

微藻生產還包括使用含鹽廢物或廢二氧化碳的能力CO2流作為能源。這開啟了一種新的戰略，即生產生物燃料與廢水處理相結合，同時能夠生產清潔水作為副產品。當用於微藻生物反應器時，收穫的微藻將捕獲大量有機化合物以及從廢水流中吸收的重金屬污染物，否則這些污染物將直接排放到地表水和地下水中。此外，這一過程還可以從廢物中回收磷，這是自然界中必不可少但稀缺的元素——據估計，磷的儲量在過去 50 年中已經枯竭。另一種可能性是使用藻類生產系統來清理非點源污染，該系統稱為藻類草皮洗滌器 (ATS)。這已被證明可以降低河流和其他受富營養化影響的大型水體中的氮和磷水平，並且正在建造的系統每天能夠處理多達 1.1 億升水。ATS 還可用於處理點源污染，例如上述廢水，或用於處理牲畜污水。