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主题：【原创】生物柴油之藻类1 前言 -- 圣火
家园 【原创】生物柴油之藻类1 前言 橡树村大大的生物能源系列是早早拜读过了，简直就是一篇篇详尽的综述，科普科研两相宜。可惜关于藻类部分有欠详细。其实藻类有着生长速度快（室外全年平均~25g/m2/d，年亩产一万两千斤!），含油量高（最高60%）和对耕地要求极低的特点，藻类合成生物柴油应该是适合中国国情。手头正好有些现成的资料，圣火就大言不惭的给橡树村大大的关于藻类部分章节做些补充。
生物学所说的藻类和我们平时说的藻类其实并不太一致。一般人说起藻往往指的是水草，如养鱼的和平时湖里常见的金鱼藻，其实和陆地上的花花草草是亲戚，只不过这个亲戚喜欢住水里。生物学意义上的藻类在进化可以算的上陆地植物的老祖宗。但这老祖宗除了海带，紫菜这类极个别的大个子外，一般都肉眼看不到。但和陆地植物一样，所有藻类也都能进行光合作用，个别的还能直接合成油脂质(lipid)，这就为固定太阳能，合成生物柴油提供了理论上的可能性。
早在上世纪50年代就有人对利用藻类合成生物柴油可行性进行了试验，美国在70年代的石油危机后的整个80年代和90年代初进行了大规模的产油藻种筛选和相当规模的室外实地测试（1000平方米）。但由于整个90年代石油价格都比较平稳，尤其98年左右国际原油价跌倒现在难以置信的每桶12美元附近，生物柴油尤其是藻类制油在成本上完全没有能力竞争。而且当时的观点是未来30年内石油价格都会比较稳定，所以在美国几乎所有和藻类制油的研究在近十年都被停止，直到现在才又重新捡起来。可惜很多藻种都没有保存下，来且藻类的人才也流失不少（美国大学研究藻类特别是分类学的人基本都退了差不多了，下一代基本都接不起来，中国的情况要好一点）。
比起美国全力发展室外露天养殖藻类，日本走的是在容器（生物反应器）里培养藻类不同的道路。这也是符合日本国内耕地少的国情。手头关于日本的资料实在有限，但对于一个有危机感而且自动化控制水平极高国家来说，有理由相信日本在某些方面还是走在了世界的前列。
家园 生物柴油之藻类（四）劣势 说不定有些河友看了上面这个章节之后对投资藻类制造生物柴油“蠢蠢欲动”。您手头要是有个余钱还有时间，又做好几年不赚钱只做技术积累的准备，到可以试试，毕竟藻类柴油是新能源中技术门槛相对较低的一种。但无论如何还是要看看藻类柴油其不足之处。
1. 成本
目前制约各种新能源的最主要原因可能就是成本问题。美国能源部和NREL在95年左右终止了包括藻类制油在内很多生物能源计划的根本原因就是成本。在当时原油价格低于每桶20美元的情况下，几乎没有生物能源能够在成本上战胜石油。NREL在95年评估藻类生物柴油的成本为1.40到4.40美元每加仑（当时汽油可能还没过一美元，而且是最后的销售价格）。
而另一个独立研究估计藻类柴油的成本估计为每桶100美元左右。比起现在的原油价格当然没太大劣势，但如果石油价格回落的话藻类柴油成本上将很难占到优势。藻类培养的成本主要用于培养容器(光生物反应器，成本在100美元每平方米左右，开放培养这个成本几乎可以不计)添加营养元素，二氧化碳的补充及维持藻类生长过程中流动性的能耗。而藻类的收获成本比起传统植物来说要相对高。
2. 生物因素
目前为止制约藻类大规模培养的因素有生物因素和工程因素，而其中生物因素影响更大一些。其中：
第一， 目前没有一个完美或接近完美的藻种。没有一个藻种能够同时满足对温度水的咸度敏感度低，生长速度快，含油量高在内的所有条件。最要命的是有些条件还是相互抵触的。 前文中所说有的藻种能达到60%的含油量，但这个必须要在氮或硅元素缺乏的情况下。藻类和动物不同，吃饱了的时候不长油，而在环境恶劣的情况下细胞含油量反而上升，这可能是藻类对于环境的一种防御机制。但在实际应用中，如果培养基中某个元素缺乏，藻类的生长速度将受到很大的限制。而在营养充足正常生长的情况下多数藻类含油量一般不超过30%.
第二， 在野外的藻种控制。由于美国的实验最终目的是将藻类投放于天然的开放湖泊中，就必须保证到时最占优势的藻是想要的产油藻。在从天然湖泊中水样加入营养物质后，生长速度最快的最先占优势，而后又被生长速度慢但利用光能最充分的藻种所占领。而且何种藻类占优势更和气候有很大的关系，不同季节会有不同的结果。这就为大规模培养藻类带来了难度。
第三， 温度变化和最适温度。由于藻类最终将是是室外生长，而藻类培养的候选地往往在同一天内气候变化很大（美国的想法是利用其西南地区，熟悉美国地理的河友知道那里一般属于高海拔和荒漠地区，气候不适于种植传统作物）。藻类一般都有个生长的最合适温度，但如何找出在四季和昼夜温度变化大的情况下最适藻种目前还没有很全面的研究。
第四， 油脂质的品质。能用于生物柴油合成的主要细胞成分是三酸基甘油(Triacylglycerol)，但细胞内各种油脂质成分会根据环境不同产生变化。藻类中有些不饱和程度高的脂类不适合用于生物柴油。而陆地植物一般有特定的器官和组织来合成和储备油类，成分相对比较稳定。
3. 工程因素
由于手上资料主要来自美国，而美国走的是室外露天养殖藻类的路线，对工程方面的要求比起在生物反应器中培养要低。但无论何种情况，藻类从生长到最后产出才有这些必须步骤。
第一， 维持藻类生长
维持藻类高速生长一般需要不停补充营养元素和二氧化碳。同时一定程度的搅拌使藻种能充分接触营养物质同时避免在一个区域能氧气浓度过高而抑制光合反应。如何精确控制补充营养元素的速度是个很重要的控制因素。一般来说加入营养元素的方式有半连续和连续两种。半连续方式为每2-3天稀释一次，成本比较低。连续是指营养元素以一个稳定的速度添加，对成本要求较高，但比起半连续方式藻类生长速度能提高20%左右。
第二， 藻的收获
藻类的收获一直是个比较困难的问题，一般来说有沉淀和滤网收集的方式。靠沉淀的方式速度比较慢而且不适合某些游动性比较强的藻种。过滤的方法对相对成本较高。但目前的趋势来看还是使用沉淀的方式更可行一些。一般沉淀下来的藻类含水还是很高，需要进一步离心来去除部分水分。
第三， 油类物质的提取
由于经费的关系，NREL没有对这方面进行的专门的研究，也没有现成其他的资料可以参考。虽然有人对是否能适于水分较高的藻类存有疑问，但通常认为能够利用油类溶于有机相的特性来提取藻中的油类物质。
第四，油类物质转化为柴油
橡树村大大有专门的陈述，而且还有家庭作坊的配方。基本就是一个酯转换(transesterification)反应。但对于油类物质的成分和纯度要求较高。
总体而言，对开放培养而言，工程因素对藻类柴油的限制并不是很大，多数的技术和手段都是比较成熟，藻类生长中生物因素和自身成本才是制约藻类柴油的最主要因素。而利用生物反应器来进行大规模，自动化藻类培养，工程因素也是将决定成本和制约规模的重要因素。由于成本及工艺上的原因，美国和日本在分别投资了2千万和一亿两千万后终止了藻类柴油的研发项目。目前藻类柴油还没有成功大规模的工业化生产和应用的例子，但这个对中国来说是个机遇也是个挑战，下一章就讲讲藻类柴油在中国的可能应用。
家园 好东东！污水处理已经用上藻类了么？ 家园 想起小时候看过的一篇科幻文章 以前上小学的时候，看过一本科幻文章的小册子，里面一篇叫做《夜泳石油湖》，讲的就大致是这个事情，说用基因工程的办法，把微生物变成石油的过程大大大大的缩短了，然后把这种微生物放在湖里，过不了多久就是一湖的石油了。
真是盼着这些能够梦想成真
家园 很严重的生态问题呢！ 现在肯定没人这么科幻了。
放在自然水体里面，生态影响很大的，反对的人肯定不会少。应该还是放在容器里面影响小，不过成本要高一些。
家园 其实只要生物质产量高就好 产油当然是不错的选择，不过如果产油不好，但是生物质产量很高，也不错的。生物质有其他的利用方法，比如沼气，比如气化，都不错的。
使用藻类为媒介，目的是利用其对太阳能的利用。只要有很高的太阳能利用率，就有价值。具体如何应用，方法就很多了。
家园 的确如此，但每多一部陈本就高一步，能量也少利用一部分 发酵应该是利用能量最完全的，但要完全解决发酵中的问题难度不比找到高油藻低。藻类的遗传工程基础已经打好了，但对产油途径的认识还差一点。找到限制产量的酶才是关键。
家园 生物柴油之藻类(三) 优势 生物柴油的相对于传统柴油和其他新能源的好处在村长的帖子里已经说了很多了，具体可以参照
这里主要说下藻类独有的优势。
在文章开头部分已经说了，藻类有着生长速度快（全年平均~25g/m2/d，年亩产一万两千斤），含油量高（最高60%）和对耕地要求极低的特点，现在具体展开一下。
1. 生长速度快
藻类有着其他陆地植物没法比拟的生长速度。最主要的原因是由于生长在水中，细胞有足够多的表面积接触到营养物质。第二是因为其结构简单，不用向高等植物一样需要将比较做的能量由于次级生长和生殖生长。三是藻类通常通过细胞分裂的方式来繁殖，这就省去了开花结果、种子发芽的时间，保证在营养充足的条件下最快生长。
一般来说大规模藻类培养方式按场地来分分为室外开放培养和在光合生物反应器中培养。这里先说一下室外开放培养。
室外开放培养并不完全等同于在湖泊中放养。为了防止藻种污染其他水体，也为了能提高产能，一般往往利用在一个类似于赛车跑道(raceway)的系统来培养。
外链图片需谨慎，可能会被源头改藻类就好比在跑道中的小车，由泵或桨轮来推动含藻和营养物质的循环流动利用这个系统，研究者在夏威夷得测的一种产油藻类实际生长速度为全年平均每天25克每平方米，年亩产一万两千斤，极限日最高生长速度达每天50克每平方米。如果大家还记得村长的文章里提到陆生植物很少能达到两位数的生长速度（g/m2/d），可见藻类生长之快。而这个还只是利用了5%左右的总太阳能，一般比较保守的估计藻类最高能固定10-12%左右的总太阳能，实验室中藻类测试得到的最高的光能利用率达到47%，相当于每天产生的生物质约为500克每平方米，亩产二十四万斤（当然只是理论上，目前亩产为十分之一，二十分之一左右）。
2. 含油量高
在NERL的藻类筛选过程中，其中一种硅藻在生长过程中达到了60%的含油量。而高等植物在生长过程绝大多数的物质被由于根茎叶的生长，相当少部分生物质以油脂形式储存。由中国农业科学院油料研究所培养出“世上最油的油菜”，汉中油-0361每亩产油量为98公斤。如果用前面夏威夷的实测数据，将藻类年亩产（一万两千斤）乘以百分之六十的含油量，藻类的每亩理论产油量可能达到3600公斤，为油菜的三十六倍多。另一个数据则估计藻类的产油量为5,000到20,000 加仑每公顷，每平方米平均每年产油4.6 到18.4 升。美国能源部估计如果用个数字，用藻类柴油替换所有的美国石油消耗，总体所需的土地面积为4万平方公里左右，仅相当于18分之一的青海和四十分之一的新疆。
3. 对耕地及环境要求低
绝大多数的陆地植物受气候尤其是温度的影响很大。而藻类相当多的品种对温度及不敏感，在高温(>40度)和低温（接近0度） 的情况都能生长。很多实验表明藻类在水面冰封的条件下还能保持一定速度的生长。许多藻类尤其是硅藻对盐的耐度也极大，盐藻是目前为止最耐盐的藻种，能够在高于海水盐度10倍的盐度中生长。这就为在盐碱地，高盐湖泊等原先很难被用作耕地的土地上培养藻类。
4. 需水量小
有些河友可能会问藻类生活在水中生长怎么可能需水量小呢？其实在陆地植物生长过程中，大部分灌溉水其实是被土壤所吸收。即使使用滴灌这样的栽培方式，植物通过蒸腾作用（类似人从皮肤的毛孔中出汗流失水分）从叶片表面中丧失的水分也很多。如果在密闭容器和培养液循环利用的前提下，藻类几乎能利用所有的水分。
5. 环境保护上的优势
现在对于二氧化碳排放的话题是一天比一天热。如果那位河友看了戈尔了<The Inconvenient Truth>一定会对这个话题印象深刻。其实宏观意义上说所有和生物能源都有利于减少二氧化碳排放。归根结底，化石能源如石油和煤都是把百万年前的碳拿到今天来用了，所有大气中的碳是增加的。 而生物能源这是把今天的碳固定起来一部分留到明天用，并不会提高大气中总的碳浓度。
这里发下牢骚，中国目前没有对二氧化碳排放进行有效控制，私以为是很不负责任的行为（当然美国更不负责任），这是以让人民吃饱饭为借口来维持低效率，高污染的生产方式。高温导致的更多的气象灾害，海平面的升高固然可以看做天灾，似乎任何人不需为此负责，但在这些灾害的背后人祸扮演越来越多的成分，最终还是全国人民为其买单。
言归正传，比起其他的生物能源，二氧化碳易溶于水，水中的藻类对输入二氧化碳的利用率更高。实验证明在开放培养体系中，藻类就能固定60%的输入二氧化碳。那如果将藻类培养基地建在煤炭发电站附近，而电站排放的二氧化碳排入含藻的培养液，这就能达到减排60%的效果。日本目前处理二氧化碳的方法固化后是由船运入公海，然后在海平面2000米以下排放，而如果有个大规模的藻类生产基地，不知道日本会不会排队过来给你免费送二氧化碳呢？而南非的二氧化碳排放大户索萨要是知道这个好处会不会也投资点藻类研究呢？
最后，藻类培养同样可以在污水处理中起作用，污水中含有较高的磷和氨氮，是藻类生长的主要营养物质。河水发臭的一个很大原因就是由于未经处理的污水直接排入湖泊和河水，造成水中藻类繁殖太快而引起的。藻类生长过快后紧接着大量死亡，引起水中含氧量过低导致鱼类死亡；有毒藻类污染生活用水已经越来越多的成为重要的环境问题。把污水中的“营养”用于培养藻类就即省了原料钱，又解决了环境污染。
家园 最后一部分有点技术上的问题 “最后，藻类培养同样可以在污水处理中起作用，污水中含有较高的磷和氨氮，是藻类生长的主要营养物质。河水发臭的一个很大原因就是由于未经处理的污水直接排入湖泊和河水，造成水中藻类繁殖太快而引起的。藻类生长过快后紧接着大量死亡，引起水中含氧量过低导致鱼类死亡；有毒藻类污染生活用水已经越来越多的成为重要的环境问题。把污水中的“营养”用于培养藻类就即省了原料钱，又解决了环境污染。”
一般来说，污水处理技术处理是有机物，对于氮磷钾去除能力有限。如果不处理有机物的话，有机物就在天然水体中经过菌类氧化，如果发臭的话，那么进行的无氧呼吸。有机物的氧化消耗掉大量的氧气，最终导致其他生物灭绝。
所以，从这个意义上讲，藻类只能利用处理后的污水，而不能直接使用未经处理的污水。但是如果能长期坚持把藻类从水中捞出来的话，能够带来另外的一个好处，那就是：
降低水中的氮磷钾的含量。而这几种物质是导致水体富营养化的最基本因素。
家园 花你的补充。 没有什么处理污水的经验，见笑了。
那一般有机物处理的方法有哪些呢？
- 复 花你的补充。
家园 污水处理有多种方法 物理、化学、生物等等。但是市政污水的处理主要采用生物方法，就是利用菌类生长来清除水中的有机物，这和自然的净化过程是一样的。分为有氧和无氧两种处理方式。
市政污水处理主要是有氧过程。就是不断地往水中鼓空气，以保障氧气对水中细菌的供应。
有氧生物方法的特点是成本低廉，无污染，但是，生物方法在去除无机物比如氮磷钾和重金属是没有太大作用的。而无机物氮磷钾是造成水质的富营养化的最主要因素，那么我们如何来防止水质的富营养化呢？
一种方法是采用物理化学的手段来去除氮磷钾，这种方法成本太过高昂。
另外一种方法是限制氮磷钾中某一个因素，比如磷，现在在推广无磷洗衣粉，就是这个原因。
还有一个方法是，在水中种植生物体，然后把它捞出来来降低水中的无机物含量，这也是一个办法，也就是前文提到的种植藻类。
最后一个办法是最常用的，将处理后的污水排入大海而非湖泊。大海对于无机物来说稀释能力是非常强的，但是，有些区域，比如渤海，也有富营养化的危险。
家园 小型藻类的另一个能够有效利用优点能够利用光源和营养 小型藻类悬浮在水中，任何微量的溶解矿物质都能有效利用，同样，日光除了入水折射的部分几乎都可以在水体内穿过，互相遮掩的少，这样比陆生植物的对光的利用率要好。