微藻生物柴油的生命周期能耗和排放評估

何劍青++龔勛

摘 要：本研究基于可行的微藻柴油生產工藝，建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產系統。并采用生命周期評估方法，對這套系統生產的微藻生物柴油進行了生命周期能耗和排放評估。結果顯示：在不對副產品加以利用的情況下，該系統生產的微藻生物柴油的生命周期能耗和排放分別高達：101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton，其中微藻的培養過程是整個生產過程中能耗和排放最為集中的過程，該過程的能耗和排放占比均超過總能耗和總排放的60%。

關鍵詞：微藻生物柴油；開放式跑道池；生命周期；能耗；溫室氣體排放

引言

相比于傳統陸生生物質原料，微藻具有生長周期短、單位面積產量大、不占用農業耕地等諸多優點。使用微藻為原料生產的車用替代燃料，對緩解化石燃料危機、減少溫室氣體排放有積極作用，備受國內外學者的關注[1]。目前，微藻生物柴油的中試規模試生產已經取得成功，但是大規模工業化生產尚未實現。另外，作為水生植物，微藻的含水率極高，剛剛收獲的微藻原料必須經過一系列能耗較大的脫水/干燥處理之后才能進行后續的油脂提脂和油脂加工。據研究[2]顯示，生產微藻柴油過程中，人為投入的能量甚至高于微藻柴油產出的能量。因此為了找到降低微藻柴油生產過程能耗的辦法，為今后微藻能源化利用提供數據支持。本文基于可行的微藻柴油生產工藝，建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產系統。并從生命周期的角度出發，對這套系統生產的微藻生物柴油的能耗和溫室氣體排放進行了計算和評估。

1 定義對象與邊界

1.1 研究對象

本文建立的微藻柴油生產系統采用開放式跑道池對小球藻進行培養。收獲的小球藻原料在經過脫水、均質化處理、油脂提取和轉酯化反應的一系列工藝過程后，得到最終產物微藻生物柴油以及其他副產品。小球藻的性質參數如表1所示[3]：

表1 小球藻（干藻）的性質參數

1.2 系統邊界

本文研究的微藻柴油生產系統的系統邊界如圖1所示，涵蓋微藻柴油生產和副產品處理的各個過程，微藻柴油生產過程中直接和間接產生的能耗與排放均包含在系統邊界之內，廠房建造和系統安裝等過程帶來的能耗和排放則排除在系統邊界之外。各項物資生產過程的化石能源消耗因子和溫室排放因子來自近期相關文獻[4，5，6]。系統的功能單位定位生產1ton生物柴油。

2 微藻生物柴油的生產流程

2.1 微藻的培養過程

本文選用由Lundquist[7]設計的，面積為40000m2的開放式跑道池對微藻進行培養。跑道池裝備有由電機驅動的漿輪裝置，裝置保持24h不間斷轉動，以防微藻發生沉淀；系統使用附近火電廠排放的煙道氣（12.5Vol%CO2）為微藻的生長提供CO2。尿素和K2HPO4則分別為微藻生長所需的N元素和P元素進行補充；開放式跑道池的工作方式為半連續式：當培養液中的微藻的質量分數達到一定時，將池中一部分培養液通過水泵送入脫水單元中進行收獲。培養液的收獲過程在夜間進行，每天收獲量約等于白天微藻的生長量。

整個生產系統一共包含25個跑道池，在此規模下培養過程的漿輪、水泵以及煙氣輸送等裝置每天共需消耗9575.3kWh的電能。此外，每生產1kg微藻干藻，培養環節還需消耗0.165kg尿素，0.045kg磷酸鹽和10.864kg的電廠煙氣。

2.2 微藻的脫水過程

最初收獲的培養液中，微藻的質量分數僅為0.05%，因此在進行下一步處理之前首先要對微藻進行脫水和干燥。本研究選用了三步式脫水工藝（絮凝沉淀、可溶性氣體浮選以及機械離心）對微藻進行脫水處理，每一步過程中微藻的殘留率分別為90%、90%和95%[4]。

脫水之后，得到的濃縮藻漿中微藻的質量分數上升至15%，脫水過程中得到的去藻培養液則將匯總集中，送回跑道池中循環使用。脫水過程中，氣體浮選和機械離心工藝的電耗分別為：0.15KWh/kg干藻和0.035KWh/kg干藻。

2.3 藻漿的均質化過程

微藻的細胞由厚實的細胞壁包裹，為了增加有機溶劑對微藻油脂的萃取效率，就需要打破微藻細胞，釋放微藻細胞的內容物。本研究中對微藻的處理方法為高壓均質化法，兩次均質化處理后微藻細胞的破碎率達到95%，均質化過程中的能耗為36.1kWh/m3濃縮藻漿。

2.4 油脂提取過程

在這一過程中，本文選取了適用于濕式萃取的正己烷/甲醇混合溶劑[4]作為萃取溶劑對藻漿進行油脂提取。萃取溶劑和濃縮藻漿首先將以5：1的比例混合，共同進入多級逆流式萃取器中進行油脂提取。提取完成后，得到的去脂藻渣由于仍然具有較高的能量，將作為副產品加以利用，而含有油脂的萃取溶劑則將送入氣提塔中進行油脂和溶劑的分離。經氣提塔分離后，萃取溶劑將重新回到萃取器中再次使用，而分離得到的初級藻油則將進入酯交換反應階段繼續加工[8]。

整個油脂提取過程的油脂提取率為95%。每提取1kg初級藻油，油脂提取過程將消耗0.47kWh的熱能和0.069kWh的電能，同時將損失0.52g的正己烷溶劑。

2.5 酯交換反應過程

經過油脂提后得到的初級藻油的主要成分主要為甘油三酯，需要經過酯交換化反應后才能供柴油機使用。鑒于目前微藻柴油均尚未進行商業化大規模生產，本文假設微藻柴油加工過程中的酯交換工藝與大豆生物柴油生產過程中的酯交換工藝類似[5]，使用甲醇在催化劑的催化下同甘油三酯發生酯交換反應。

2.6 副產品的利用

微藻生物柴油生產過程中，除了主產物生物柴油外，還會產生去脂藻渣和甘油這兩種副產品。這兩種副產品均存在較高的利用價值，需要進行合理的分配和利用。

副產品之一的去脂殘渣本身仍具有較高的能量，但是由于其含水量較高（高達88%），難以直接利用。因此本文將采用厭氧發酵[4]的方式對其進行處理，發酵后產生的沼氣和殘渣將分別作為發電燃料和有機肥料供整個系統使用，以減少電能和肥料的消耗。

另一種副產品甘油則是一種常見的化工原料。本文中將采用產品替代法將作為副產品的甘油進行替代，替代的對象為傳統石油基甘油產品。

3 結果討論

3.1 微藻生物柴油生命周期的能耗與排放結果

根據第二節中給出的生產流程參數以及各項物資的能耗與排放數據清單，計算得到的微藻柴油生產過程中各個環節的化石燃料能耗和溫室氣體排放結果如圖2所示：

由圖2可知，以微藻生物柴油作為唯一產品，在不考慮副產品的使用的情況下：1ton微藻柴油的生命周期化石燃料能耗和溫室氣體排放分別為101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton。鑒于每噸微藻柴油自身的低位發熱量只有37200MJ，此時系統的能量產出輸入比只有36.5%，系統不具備運行的可行性。

從化石燃料消耗的角度來看，由于化肥的大量使用，微藻培養過程是整個生產流程中耗能最為密集的過程，整個種植過程共產生了66789.1MJ/ton的化石能耗，高達總能耗的65.5%，遠高于耗能第二高的藻漿均質化過程（占比10.6%）。在所有過程中，油脂提取過程產生的化石能耗最低，僅為總能耗量的2.6%；需要特別指出的是，對副產品的使用能夠為整個系統帶來大量能量收益，生產1ton微藻柴油過程中，產生的副產品總共能夠為系統帶來94464.9MJ的化石燃料收益，可以抵消掉整個生產過程中92.6%的化石燃料消耗。因此可以得出結論：微藻柴油生產系統在運行過程中，如果對生產的副產品加以分配和利用，整個系統向外輸出的能量將大于系統自身消耗的化石燃料能量，系統可以持續運行。

從溫室氣體排放的角度來看，種植過程也是整個微藻柴油生產過程中溫室氣體排放量最大的過程，貢獻了60%以上的排放。這一過程中，肥料的使用產生的排放最為突出，單獨占到了總排放量的39.4%。同樣，副產品的使用也能給系統帶來大量的溫室氣體排放收益，總共為4220.9kgCO2eq/ton。此外，由于微藻生長過程中需要吸收大量的CO2，系統每生產1ton微藻柴油從外界額外消耗16100kg CO2，足以抵消掉整個生產過程產生的當量CO2排放量。

3.2 敏感性分析

為了辨識各個變化參數對微藻柴油生命周期影響程度的大小，找到降低能耗和排放的最佳途徑。本文選取了包括微藻單位面積產量在內的7個參數對微藻柴油的生命周期化石燃料能耗和溫室氣體排放量進行了敏感性分析，研究的參數及其取值范圍如表2所示，除微藻單位產量這一參數外，其他參數的上下限取值均為各自基準值的±50%。

圖3和圖4分別顯示了各項參數的取值變化對生產微藻生物柴油的生命周期化石燃料消耗和溫室氣體排放結果的影響（敏感先分析中對有機肥進行了回收，但不考慮其他副產品的使用）。

分析圖3可以知，在所有變化參數中，對微藻柴油生命周期化石燃料消耗這一指標有較大影響的參數包括：微藻含油量、微藻單位產量、跑道池中水流的循環速度以及N元素的循環比例這四個參數。其他三個參數對生命周期化石燃料消耗的影響極小，可以忽略不計。

在影響較大的這幾個參數中，通過提高微藻的含有油量、降低循環水流速、增大發酵藻渣中N元素的循環比例能夠在最大程度上減小生命周期能耗。

圖4反映的敏感性情況與圖3類似。對微藻柴油的生命周期排放這一指標而言，影響較大的幾個參數同樣依次為：微藻含油量、微藻單位面積產量、跑道池水流的循環速度和N元素的循環比例。其他三項參數對指標影響不大，因此減小生命周期溫室氣體排放的途徑和減少化石燃料消耗的途徑類似，包括提高微藻的含油量，稍微降低跑道池中水流速度以及增加發酵藻渣中N元素的循環比例。

4 結束語

基于可行的微藻柴油生產工藝，本文建立了一套開放式跑道池微藻柴油生產系統。采用生命周期評估方法，本文對這套系統生產的微藻生物柴油進行了生命周期能耗和排放評估。得到的主要結論如下：

（1）本文建立的微藻柴油生產系統包含微藻的培養、藻漿的脫水、藻漿均質化、油脂提取、藻油的轉酯化等過程。系統每生產1ton微藻柴油需要消耗干重為5.98ton的微藻原料，同時生成3.57ton的脫脂藻渣和0.1ton的甘油副產品。

（2）在不對副產品加以利用的情況下，該系統生產的微藻柴油的生命周期能耗和溫室氣體排放分別為：101952.9MJ/ton和10226.3kgCO2eq/ton，微藻的培養過程是整個生產過程中能耗和排放最為集中的過程；生產過程中產生的副產品能夠給系統帶來巨大的能耗和排放收益，如果對副產品全部加以利用，足以抵消掉生產過程中的能耗和排放。因此為了維持系統的持續運行，必須對副產品進行充分的利用。

（3）減少微藻柴油生命周期化石燃料消耗和溫室氣體排放的途徑類似，提高微藻的含油量，在不影響生產的情況下降低跑道池中水流速度以及增加N元素的循環比例均能有效降低能耗并減少排放。

參考文獻

[1]夏金蘭，萬民熙，王潤民，等.微藻生物柴油的現狀與進展[J].中國生物工程雜志，2009，29（7）：118-26.

[2]Jorquera O， Kiperstok A， Sales E A， et al. Comparative energy life-cycle analyses of microalgal biomass production in open ponds and photobioreactors[J].Bioresource Technology，2010，101（4）：1406-13.

[3]Frank E D， Elgowainy A， Han J， et al. Life cycle comparison of hydrothermal liquefaction and lipid extraction pathways to renewable diesel from algae[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change， 2013，18（1）：137-58.

[4]Gao X， Yu Y， Wu H. Life cycle energy and carbon footprints of microalgal biodiesel production in Western Australia： a comparison of byproducts utilization strategies[J].ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2013，1（11）：1371-80.

[5]Handler R M， Canter C E， Kalnes T N， et al. Evaluation of environmental impacts from microalgae cultivation in open-air raceway ponds： Analysis of the prior literature and investigation of wide variance in predicted impacts[J].Algal Research，2012，1（1）：83-92.

[6]Poeschl M， Ward S， Owende P. Environmental impacts of biogas deployment-Part I： life cycle inventory for evaluation of production process emissions to air[J].Journal of Cleaner Production，2012，24（168）-83.

[7]Lundquist T J， Woertz I C， Quinn N W T， et al. A realistic technology and engineering assessment of algae biofuel production [J]. Energy Biosciences Institute，2010.

[8]Stephenson A L， Kazamia E， Dennis J S， et al. Life-cycle assessment of potential algal biodiesel production in the United Kingdom： a comparison of raceways and air-lift tubular bioreactors [J]. Energy & Fuels，2010，24（7）：4062-77.