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藻类生质燃料
图片来自agritech-foresight

藻类生质燃料或称藻油，是液体化石燃料的替代品，也是常见的生物燃料来源（如玉米和甘蔗）的替代品。大型藻类制成燃料时，富含能量油的来源，其燃烧时与石化燃料一样会产生二氧化碳，但因在生长期间已在自然界吸收了二氧化碳，所以能达至减碳效果。

简介

生产力所需的营养物质

氮和磷是藻类生产力所需的两种最重要的营养物质，但还需要其他营养物质，如碳和二氧化矽。所有生物体都需要大量的磷以磷酸盐的形式进行新陈代谢。磷（P）、铁（Fe）、钴（Co）、锌（Zn）、锰（Mn）和钼（Mo）、镁（Mg）、钙（Ca）、矽（Si）和硫（S) 浓度每天使用电感耦合等离子体 (ICP) 分析进行测量。在所需的营养素中，磷是最重要的营养素之一，因为它用于许多代谢过程。在所有这些被测量的元素中，磷的减少最为显著，在培养过程中减少了84%。这一结果表明， 氮(N)、磷(P) 和钾(K)等营养素对植物生长很重要，是肥料的重要组成部分。

转化方法

依主要目的选择

目前仍没有所谓的“最佳”转换法可以适用于所有生物质，因为即使都是藻类生物质，藻种不同或是培养环境改变，生物质的化学成份就会有大幅度改变。除此之外，产物的选择也是一门学问。一般而言液态燃料可作为交通运输燃料因此价值最高；固态燃料与气态燃料主要用于发电，两者价钱互有高低，固态燃料较易于运输、气态燃料燃烧后较为干净。因此选择转换方式时必须应地制宜，依主要目的选择适当方法。

热化学法/化学/生物转化法

微藻生物质之后产出生质燃料以及这些燃料的转化方法。生物质的转换方式主要可分为热化学转化法以及化学/生物转化法。热化学法顾名思义，就是利用加热的方式，辅以加压或是无氧的环境促使生物质产生化学变化生成不同燃料产品；而化学/生物法则是利用化学药剂或是微生物将生物质转化为燃料。热化学法的主要优点是可以将所有生物质转化，无需事先分离单一成份（如油脂），而且反应时间很短，通常在1小时内即可反应完成，相对于热化学法。化学/生物转化法则需数小时至数天才能完成，不过化学/生物转化法能量消耗较低，并且转化的产品经济价值较高，因此两者实际上难分优劣，需依照使用需求来作选择。

营运成本

美国能源部估计，如果藻类燃料取代美国所有的石油燃料，则需要 15,000 平方英里（39,000 km ²)，仅占美国地图的 0.42%，或大约是缅因州土地面积的一半。这还不到 2000 年美国玉米收获面积的1 ⁄ 7。由于资本和运营成本高，藻类每单位质量的成本高于其他第二代生物燃料作物，但据称每单位面积的燃料产量高出 10 到 100 倍。

燃料生产

收获藻类后，生物质通常通过一系列步骤进行处理，这些步骤可能因物种和所需产品而异；这是一个活跃的研究领域，也是该技术的瓶颈：提取成本高于获得的成本。解决方案之一是使用滤食器“吃掉”它们。另一种提取藻类的方法是用特定类型的真菌培养藻类。这会导致藻类的生物絮凝，从而更容易提取。

脱水

通常，藻类被脱水，然后使用己烷等溶剂从干燥的材料中提取富含能量的化合物，如甘油三酯。然后，可以使用标准工业程序将提取的化合物加工成燃料。例如，提取的甘油三酯与甲醇反应，通过酯交换生成生物柴油。每个物种的独特脂肪酸组成会影响所得生物柴油的质量，因此在选择藻类作为原料时必须考虑到这一点。

水热液化

另一种称为水热液化的替代方法采用连续过程，将收获的湿藻类置于高温和高压下——350°C (662°F) 和 3,000 磅/平方英寸 (21,000 kPa)。产品包括原油，可通过一种或多种升级工艺进一步精炼成航空燃料、汽油或柴油燃料。测试过程将 50% 到 70% 的藻类碳转化为燃料。其他输出包括清洁水、燃料气和氮、磷和钾等营养物质。

二氧化碳

冒泡一氧化碳CO通过藻类培养系统可以大大提高生产力和产量（达到饱和点）。通常，约 1.8 吨CO₂每生产一吨藻类生物质（干）将使用，尽管这因藻类种类而异。珀斯郡渗滤液CO的 Glenturret 酒厂CO₂在威士忌蒸馏过程中通过微藻生物反应器制成。每吨微藻吸收两吨二氧化碳CO₂负责该项目的苏格兰生物能源公司将微藻作为高价值、富含蛋白质的渔业食品出售。未来，他们将利用藻类残渣通过厌氧消化生产可再生能源。

氮

氮是可用于藻类生长的有价值的底物。各种氮源可用作藻类的营养物，具有不同的容量。就生长的生物量而言，发现硝酸盐是优选的氮源。尿素是一种容易获得的来源，显示出可比的结果，使其成为大规模藻类培养中氮源的经济替代品。尽管与无氮培养基相比生长明显增加，但已经表明氮水平的改变会影响藻类细胞内的脂质含量。在一项研究中[125]氮剥夺 72 小时导致总脂肪酸含量（以每个细胞为基础）增加 2.4 倍。与初始培养相比，65% 的总脂肪酸在油体中酯化为甘油三酯，表明藻类细胞利用了脂肪酸的从头合成。藻类细胞中的脂质含量必须足够高，同时保持足够的细胞分裂时间，因此可以最大化两者的参数正在研究中。

废水

一个可能的营养来源是污水、农业或洪氾区径流处理产生的废水，这些都是目前的主要污染物和健康风险。然而，这种废水不能直接喂食藻类，必须首先通过厌氧消化由细菌处理。如果废水在到达藻类之前未进行处理，它将污染反应器中的藻类，并且至少会杀死大部分所需的藻类菌株。

在沼气设施中，有机废物通常转化为二氧化碳、甲烷和有机肥料的混合物。从沼气池出来的有机肥是液态的，几乎适合藻类生长，但必须先清洗和消毒。

由于淡水资源的持续枯竭，学者提倡利用废水和海水代替淡水。然而，废水中的重金属、痕量金属和其他污染物会降低细胞生物合成产生脂质的能力，并且还会影响细胞机器中的各种其他工作。海水也是如此，但污染物的浓度不同。因此，农业级肥料是营养的首选来源，但重金属又是一个问题，尤其是对易受这些金属影响的藻类菌株。在开放式池塘系统中，使用可以处理高浓度重金属的藻类菌株可以防止其他生物侵染这些系统。在某些情况下，甚至已经表明，藻类菌株可以在相对较短的时间内从工业废水中去除 90% 以上的镍和]锌。

应用评估

即使藻类生质燃料之应用具有降低二氧化碳排放的效果，且能被生物降解，不会占用适合耕作的地方，所需水资源亦非常少，相对于其他燃料产制对环境影响较低，仍有许多重要的课题需进一步探讨与研究，才能确保绿色技术发展之同时兼顾永续之生态环境维护。 在将藻类产制燃料做为正式之企业发展前，仍有需多研究工作需深入研究与评估，依据英国藻类技术发展准则(UK Roadmap for Algal Technologies)2，整体评估项目包含：

• 是否具备适合大量养殖藻类之环境因素；
• 是否具备大量产制藻类生质燃料之场所；
• 藻类于水产与海洋系统之生命周期是否符合永续发展原则(如碳平衡)；
• 藻类疾病是否可能造成培养及野生种群之生态影响；
• 藻类繁殖后若形成非原生的藻株是否有生物安全之相关问题；
• 藻类在生态系统中之探及养份循环的角色与作用；
• 藻类大量繁殖时是否对海洋中的哺乳动物造成吸引或排斥；
• 藻类大量繁殖是否造成水体中生物多样性变化之冲击；
• 藻类生长产生的微量气体排放是否造成大气环境之影响；
• 藻类繁殖场所是否达到最大化之产能与环境效益；
• 藻类所需营养盐之限制是否能够克服。

生态影响

对生态环境造成的影响

与基于陆地的生物燃料作物（如玉米或大豆）相比，由于微藻的产油率高于所有其他油料作物，微藻生产导致的土地足迹要小得多。藻类也可以生长在对普通作物无用且保护价值低的边缘土地上，并且可以使用对农业或饮用无用的含盐含水层的水。藻类也可以在袋子或浮筛中生长在海洋表面。因此，微藻可以提供清洁能源，而对提供充足的食物和水或保护生物多样性几乎没有影响。藻类种植也不需要杀虫剂或除草剂的外部补贴，消除了产生相关农药废物流的任何风险。此外，藻类生物燃料的毒性要小得多，并且比石油基燃料更容易降解。

然而，由于任何可燃燃料的易燃性，如果点燃或溢出，可能会造成一些环境危害，如火车脱轨或管道泄漏中可能发生的那样。与化石燃料相比，这种危害降低了，因为藻类生物燃料能够以更局部的方式生产，并且总体毒性较低，但危害仍然存在。因此，在运输和使用过程中，藻类生物燃料的处理方式应与石油燃料类似，并始终采取足够的安全措施。

研究表明，用生物燃料等可再生能源替代化石燃料具有减少二氧化碳排放的能力 CO₂排放量高达 80%。[基于藻类的系统可以捕获大约 80% 的CO₂当有阳光时从发电厂发出的。虽然这个CO2当燃料燃烧时，这些CO会随后释放到大气中CO₂无论如何都会进入大气层。减少总二氧化碳的可能性CO₂因此，排放在于防止二氧化碳的释放CO₂来自化石燃料。此外，与柴油和石油等燃料相比，甚至与其他生物燃料来源相比，藻类生物燃料的生产和燃烧不会产生任何硫氧化物或一氧化二氮，并且产生的一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物和还原其他有害污染物的排放。由于生物燃料生产的陆地植物来源根本不具备满足当前能源需求的生产能力，因此微藻可能是完全替代化石燃料的唯一选择之一。

微藻生产还包括使用含盐废物或废二氧化碳的能力CO2流作为能源。这开启了一种新的战略，即生产生物燃料与废水处理相结合，同时能够生产清洁水作为副产品。当用于微藻生物反应器时，收获的微藻将捕获大量有机化合物以及从废水流中吸收的重金属污染物，否则这些污染物将直接排放到地表水和地下水中。此外，这一过程还可以从废物中回收磷，这是自然界中必不可少但稀缺的元素——据估计，磷的储量在过去 50 年中已经枯竭。另一种可能性是使用藻类生产系统来清理非点源污染，该系统称为藻类草皮洗涤器 (ATS)。这已被证明可以降低河流和其他受富营养化影响的大型水体中的氮和磷水平，并且正在建造的系统每天能够处理多达 1.1 亿升水。ATS 还可用于处理点源污染，例如上述废水，或用于处理牲畜污水。