來自微棗“綠色石油”

徐寧

在海邊散步的人們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)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(fēng)景，海藻也有它的利用價值，可以變廢為寶。一些科學(xué)家正在利用某些藻類生產(chǎn)生物質(zhì)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(chǎn)生物質(zhì)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(xué)分類單元，而是泛指含有葉綠素a的微型自養(yǎng)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(dāng)面對來自環(huán)境的壓力時，它們會以脂質(zhì)（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(nèi)萃取的微藻油可以用于生產(chǎn)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(zhì)也比石油制成的燃料少，因此燃燒釋放的有毒、有害物質(zhì)更少。

早在1942年，科學(xué)家就提出培養(yǎng)微藻用于生產(chǎn)替代性食物。第二次世界大戰(zhàn)后，科學(xué)家開始研發(fā)如何大規(guī)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(chǎn)油的特性，啟動了“水生物種計劃”。科學(xué)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(chǎn)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(xué)家發(fā)現(xiàn)，快速生長和高脂質(zhì)不可兼得，因為微藻只在營養(yǎng)充分的條件下才快速繁殖，卻只在環(huán)境營養(yǎng)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(yǎng)。每生產(chǎn)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(chǎn)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(gòu)成大腦和視網(wǎng)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(nèi)的DHA本就來自藻類。微藻含油率很高，其體內(nèi)油脂含量最高可占干物質(zhì)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(yǎng)微藻？

微藻生物燃料是一種生產(chǎn)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(chǎn)量;而用于生產(chǎn)乙醇燃料的玉米生長周期一般為100天。

培養(yǎng)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(nóng)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(nóng)場經(jīng)營者最擔(dān)心天氣波動：陰天時微藻產(chǎn)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(dān)心池水過量蒸發(fā)。

封閉型容器的代表是光合生物反應(yīng)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?zé)o法比擬的優(yōu)點：光合作用反應(yīng)條件高度可控、不易受外界環(huán)境和污染物影響。但PBR的缺點是設(shè)備昂貴，且需要專門技術(shù)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(xué)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(yǎng)化。又因為用這種方法培養(yǎng)的微藻屬于淡水藻，進入海洋后無法生存，對海洋生態(tài)的影響很小。

如何萃取油脂？

當(dāng)微藻體內(nèi)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(zhì)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(zhì)無法被萃取到溶劑中。如果要萃取出更多脂質(zhì)，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(xué)的工程團隊發(fā)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(chuàng)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(dǎo)致其細胞壁破裂，其中的脂質(zhì)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(xiàn)在大量使用的石油，本質(zhì)上也是由遠古動物和植物遺體形成的。微藻產(chǎn)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(chǎn)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(xué)家已經(jīng)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(xué)家提出可以先將微藻用于淡水水質(zhì)處理，待處理完畢后，再從水體中提取微藻漿用于生產(chǎn)微藻生物燃料和其他工業(yè)原料，由此為微藻找到一條發(fā)展之路。

（責(zé)任編輯王川）