來自微棗“綠色石油”

徐寧

在海邊散步的人們經常會發現岸邊一團團的海藻。在海藻生長高峰期，青島、威海、大連等沿海城市，一個大型海濱浴場每天要清理掉幾十噸海藻。其實，別以為這些清理出來的海藻只會煞風景，海藻也有它的利用價值，可以變廢為寶。一些科學家正在利用某些藻類生產生物質燃料。在他們看來，藻類非但不是垃圾，還是一種大有潛力的未來綠色能源。

什么是微藻？

用于生產生物質燃料的藻類主要是微藻，廣泛分布于全球的海水和淡水中。微藻并不是一個標準生物學分類單元，而是泛指含有葉綠素a的微型自養生物，主要是藻類（植物），也包括藍藻（原核生物）。

微藻最奇妙的一點就是，當面對來自環境的壓力時，它們會以脂質（主要是甘油三酯，有些品種也會合成長鏈脂肪烴）的形式儲存能量。從微藻體內萃取的微藻油可以用于生產生物柴油（脂肪酸甲酯）等微藻生物燃料。微藻生物燃料不含石油中常見的石蠟，且氮、硫等雜質也比石油制成的燃料少，因此燃燒釋放的有毒、有害物質更少。

早在1942年，科學家就提出培養微藻用于生產替代性食物。第二次世界大戰后，科學家開始研發如何大規模培育小球藻（一種微藻）來治理污水。1978年，美國能源部看中了微藻產油的特性，啟動了“水生物種計劃”。科學家從美國全國各地收集了3000多種微藻，并篩選出300種具備高生產力、高脂肪含量或耐熱的理想品種。在分析了大量微藻品種后，科學家發現，快速生長和高脂質不可兼得，因為微藻只在營養充分的條件下才快速繁殖，卻只在環境營養不足時才合成脂肪。進入21世紀，原油價格上漲和全球變暖等因素讓各國重新開始重視微藻生物燃料。

培育微藻只需要提供微藻繁殖所需的場所以及陽光、水、空氣和必要的營養。每生產1升微藻油，還能得到1千克左右的微藻粉，既可以用作動物飼料，也可以用于生產纖維素乙醇和丁醇等燃料。微藻含有人類維持健康所需的ω-3和ω-6脂肪酸。微藻粉中的二十二碳六烯酸（簡稱“DHA”）是構成大腦和視網膜細胞的主要ω-3脂肪酸，其含量基本等同于鮭魚魚油。其實這也不稀奇，因為魚類體內的DHA本就來自藻類。微藻含油率很高，其體內油脂含量最高可占干物質總重的80%，平均含油率也可達5096左右，比大豆、棕櫚等油料作物的含油率更高。

怎么培養微藻？

微藻生物燃料是一種生產周期非常短的可再生能源：一個微藻池7～14天就能達到最大油脂產量;而用于生產乙醇燃料的玉米生長周期一般為100天。

培養微藻的容器可以分為開放型和封閉型。形狀類似體育場跑道的“跑道池”就是一種開放型容器。別看池子面積大，水卻很淺。表面積大有利于微藻從空氣中獲取二氧化碳，水淺則不會遮擋下層微藻吸收陽光。但這也造成微藻農場需要占用大量土地，同時開放容器容易遭受細菌、寄生蟲或其他種類的微藻感染。使用跑道池的微藻農場經營者最擔心天氣波動：陰天時微藻產油效率低;下雨不但污染跑道池，池水還容易溢出;晴天光照強、溫度高，還得擔心池水過量蒸發。

封閉型容器的代表是光合生物反應器（簡稱“PBR”）。為了獲取盡可能多的光照接觸面積，許多PBR的外形就像來回穿梭的管道。PBR有許多微藻池無法比擬的優點：光合作用反應條件高度可控、不易受外界環境和污染物影響。但PBR的缺點是設備昂貴，且需要專門技術人員操作。此外管道需要定期沖洗和清洗，這需要消耗大量的水。

其實，無論是開放型還是封閉型，都要大量用水。因此，有科學家提出利用污水處理廠排放的廢水培育微藻。微藻可以吸收廢水中的沒有被處理完的氮、磷、鉀、硫、鐵等元素，能夠進一步緩解排放水的富營養化。又因為用這種方法培養的微藻屬于淡水藻，進入海洋后無法生存，對海洋生態的影響很小。

如何萃取油脂？

當微藻體內囤積了足夠多的油脂，人們就要想辦法萃取出這些油脂。首先，微藻被從池水中過濾出來，形成含水較少的微藻漿。接下來，將微藻漿與乙烷等溶劑混合，微藻細胞中的一部分脂質會溶解在溶劑中。由于微藻細胞壁會阻礙萃取溶劑的滲透，所以總有一部分脂質無法被萃取到溶劑中。如果要萃取出更多脂質，就要采用出油率更高的壓榨法。但壓榨法也有問題：需要提前對微藻漿進行干燥，這個干燥過程能耗較高。

2019年，美國猶他大學的工程團隊發明的新型攪拌萃取裝置在一定程度上解決了這個難題。這種裝置的萃取過程很有創意：兩個方向相對的噴嘴各自噴射溶劑流和微藻流，液體對流對微藻細胞施加剪切力，導致其細胞壁破裂，其中的脂質在渦流的帶動下被甩進溶劑流中。這個辦法可以在不干燥微藻的前提下萃取其中的微藻油。其他萃取方案還包括“超臨界二氧化碳萃取法”“酶解法”“凍融法”等等。

人類現在大量使用的石油，本質上也是由遠古動物和植物遺體形成的。微藻產油過程中從大氣中吸收并固定二氧化碳，釋放出氧氣，再次燃燒后釋放出的二氧化碳，只是微藻生長過程中吸收的一部分二氧化碳。因此，微藻生物燃料可能成為一種碳中性燃料（能源在生產及使用過程中達到二氧化碳排放平衡）。

不過，在微藻生物燃料全面代替汽油、柴油等化石燃料之前，還有許多難題要攻克。比如綜合成本高于化石燃料、占地面積大等等。好在一些科學家已經想到了辦法：因為微藻具有移除水體中氮、磷、重金屬和有害有機物的特性，一些科學家提出可以先將微藻用于淡水水質處理，待處理完畢后，再從水體中提取微藻漿用于生產微藻生物燃料和其他工業原料，由此為微藻找到一條發展之路。

（責任編輯王川）