来自微枣“绿色石油”

徐宁

在海边散步的人们经常会发现岸边一团团的海藻。在海藻生长高峰期，青岛、威海、大连等沿海城市，一个大型海滨浴场每天要清理掉几十吨海藻。其实，别以为这些清理出来的海藻只会煞风景，海藻也有它的利用价值，可以变废为宝。一些科学家正在利用某些藻类生产生物质燃料。在他们看来，藻类非但不是垃圾，还是一种大有潜力的未来绿色能源。

什么是微藻？

用于生产生物质燃料的藻类主要是微藻，广泛分布于全球的海水和淡水中。微藻并不是一个标准生物学分类单元，而是泛指含有叶绿素a的微型自养生物，主要是藻类（植物），也包括蓝藻（原核生物）。

微藻最奇妙的一点就是，当面对来自环境的压力时，它们会以脂质（主要是甘油三酯，有些品种也会合成长链脂肪烃）的形式储存能量。从微藻体内萃取的微藻油可以用于生产生物柴油（脂肪酸甲酯）等微藻生物燃料。微藻生物燃料不含石油中常见的石蜡，且氮、硫等杂质也比石油制成的燃料少，因此燃烧释放的有毒、有害物质更少。

早在1942年，科学家就提出培养微藻用于生产替代性食物。第二次世界大战后，科学家开始研发如何大规模培育小球藻（一种微藻）来治理污水。1978年，美国能源部看中了微藻产油的特性，启动了“水生物种计划”。科学家从美国全国各地收集了3000多种微藻，并筛选出300种具备高生产力、高脂肪含量或耐热的理想品种。在分析了大量微藻品种后，科学家发现，快速生长和高脂质不可兼得，因为微藻只在营养充分的条件下才快速繁殖，却只在环境营养不足时才合成脂肪。进入21世纪，原油价格上涨和全球变暖等因素让各国重新开始重视微藻生物燃料。

培育微藻只需要提供微藻繁殖所需的场所以及阳光、水、空气和必要的营养。每生产1升微藻油，还能得到1千克左右的微藻粉，既可以用作动物饲料，也可以用于生产纤维素乙醇和丁醇等燃料。微藻含有人类维持健康所需的ω-3和ω-6脂肪酸。微藻粉中的二十二碳六烯酸（简称“DHA”）是构成大脑和视网膜细胞的主要ω-3脂肪酸，其含量基本等同于鲑鱼鱼油。其实这也不稀奇，因为鱼类体内的DHA本就来自藻类。微藻含油率很高，其体内油脂含量最高可占干物质总重的80%，平均含油率也可达5096左右，比大豆、棕榈等油料作物的含油率更高。

怎么培養微藻？

微藻生物燃料是一种生产周期非常短的可再生能源：一个微藻池7～14天就能达到最大油脂产量;而用于生产乙醇燃料的玉米生长周期一般为100天。

培养微藻的容器可以分为开放型和封闭型。形状类似体育场跑道的“跑道池”就是一种开放型容器。别看池子面积大，水却很浅。表面积大有利于微藻从空气中获取二氧化碳，水浅则不会遮挡下层微藻吸收阳光。但这也造成微藻农场需要占用大量土地，同时开放容器容易遭受细菌、寄生虫或其他种类的微藻感染。使用跑道池的微藻农场经营者最担心天气波动：阴天时微藻产油效率低;下雨不但污染跑道池，池水还容易溢出;晴天光照强、温度高，还得担心池水过量蒸发。

封闭型容器的代表是光合生物反应器（简称“PBR”）。为了获取尽可能多的光照接触面积，许多PBR的外形就像来回穿梭的管道。PBR有许多微藻池无法比拟的优点：光合作用反应条件高度可控、不易受外界环境和污染物影响。但PBR的缺点是设备昂贵，且需要专门技术人员操作。此外管道需要定期冲洗和清洗，这需要消耗大量的水。

其实，无论是开放型还是封闭型，都要大量用水。因此，有科学家提出利用污水处理厂排放的废水培育微藻。微藻可以吸收废水中的没有被处理完的氮、磷、钾、硫、铁等元素，能够进一步缓解排放水的富营养化。又因为用这种方法培养的微藻属于淡水藻，进入海洋后无法生存，对海洋生态的影响很小。

如何萃取油脂？

当微藻体内囤积了足够多的油脂，人们就要想办法萃取出这些油脂。首先，微藻被从池水中过滤出来，形成含水较少的微藻浆。接下来，将微藻浆与乙烷等溶剂混合，微藻细胞中的一部分脂质会溶解在溶剂中。由于微藻细胞壁会阻碍萃取溶剂的渗透，所以总有一部分脂质无法被萃取到溶剂中。如果要萃取出更多脂质，就要采用出油率更高的压榨法。但压榨法也有问题：需要提前对微藻浆进行干燥，这个干燥过程能耗较高。

2019年，美国犹他大学的工程团队发明的新型搅拌萃取装置在一定程度上解决了这个难题。这种装置的萃取过程很有创意：两个方向相对的喷嘴各自喷射溶剂流和微藻流，液体对流对微藻细胞施加剪切力，导致其细胞壁破裂，其中的脂质在涡流的带动下被甩进溶剂流中。这个办法可以在不干燥微藻的前提下萃取其中的微藻油。其他萃取方案还包括“超临界二氧化碳萃取法”“酶解法”“冻融法”等等。

人类现在大量使用的石油，本质上也是由远古动物和植物遗体形成的。微藻产油过程中从大气中吸收并固定二氧化碳，释放出氧气，再次燃烧后释放出的二氧化碳，只是微藻生长过程中吸收的一部分二氧化碳。因此，微藻生物燃料可能成为一种碳中性燃料（能源在生产及使用过程中达到二氧化碳排放平衡）。

不过，在微藻生物燃料全面代替汽油、柴油等化石燃料之前，还有许多难题要攻克。比如综合成本高于化石燃料、占地面积大等等。好在一些科学家已经想到了办法：因为微藻具有移除水体中氮、磷、重金属和有害有机物的特性，一些科学家提出可以先将微藻用于淡水水质处理，待处理完毕后，再从水体中提取微藻浆用于生产微藻生物燃料和其他工业原料，由此为微藻找到一条发展之路。

（责任编辑王川）