18世纪工业革命以来，化石资源成为人类社会不断前进的动力。但是随着人类社会的不断发展，化石资源日渐短缺，并且由于化石资源的大量使用造成了严重的环境问题。在新的动力能源后继乏力与全球变暖的环境问题亟待解决的情况下，科学家开始着眼寻找和发展新的具有可再生性、可重复生产、长时间内不会枯竭的替代能源；同时要求新的能源对环境不产生过多负面影响，不会加重全球变暖负担，是符合新时代发展标准的绿色能源。在这种背景下，微藻生物柴油作为一种来源广泛、易于降解的新型可再生能源吸引了许多关注。

微藻生物柴油来自于微藻所产生的微藻油。微藻是一类广泛分布于海洋和陆地的原始自养植物，每个微藻细胞的直径大约为5~50 μm^[1]。微藻是一座由阳光进行驱动的小型细胞工厂，通过微藻细胞自身高效率的光合作用，吸收环境中的CO₂并将其转化为脂肪或糖类。在光合作用的过程中微藻细胞能够储存光能并放出O₂。微藻具有生长周期短、占地面积小、油脂质量高、净化环境等优点。

从微藻中提取的微藻油由富含12~22个碳原子的饱和及不饱和脂肪酸构成，饱和脂肪酸的比例约为23%~28%^[2]，这些组分适于转变为生物柴油。因为藻种差异及培养方式的不同，微藻的含油量一般在5%~75%。但是目前国内外对于微藻生物柴油的研究大多集中于微藻本身的性质、微藻油的提取工艺、微藻生物柴油的使用等具体的工艺过程。对于微藻生物柴油整体生产加工体系的评价及其影响，目前研究还较少。

Lardon等^[3]模拟了一个微藻生物柴油的生产流程，并对比出了在正常施肥-干法提取、正常施肥-湿法提取、缺氮施肥-干法提取、缺氮施肥-湿法提取4种培养条件中, 缺氮施肥-湿法提取的培养方法是最优选择；并将由缺氮施肥-湿法提取的培养条件下生产出的微藻生物柴油与传统柴油，以及其他的生物柴油比如棕榈油、菜籽油等作对比，计算了它们所造成的环境影响的区别。

Lardon等^[3]得出了许多微藻生物柴油的特性，比如微藻生物柴油生产过程中所产生的电离辐射、光化学氧化和对海洋的污染大于其他的生物柴油的生产过程，但是其生产过程中对于人类的毒害较小，对于臭氧层的消耗较小，而且对于生产微藻的水体中的富营养化现象有明显的改善。张庭婷^[4]模拟了一个微藻生物柴油综合炼厂，并使用该炼厂生产出的微藻生物柴油作为燃料进行了发动机台架试验。对微藻生物柴油的整个生产加工过程计算了能耗、环境排放与水足迹，并与传统的柴油燃料对比，发现微藻生物柴油的整个生产过程虽然在现有的技术条件下所产生的能耗高于传统柴油，但是其整体生产过程中所产生的环境排放要比传统柴油少很多。

现有很多拥有不同学科背景的研究者对于微藻生物柴油进行了研究，得到一些关于农业科学、水文科学、燃料科学等方面的结论。但是目前对于微藻生物柴油生产加工体系评价问题的研究都是基于对比的思想，对比微藻生物柴油的全生命周期过程与其他各种相关类型的燃料相比所产生的能耗和环境影响的大小。

可持续发展观念是以经济、资源、环境、社会等要素的一体化为特征，实现生产活动盈利与直接或间接改善生态环境、减少资源消耗的相互统一。本文以此为出发点，通过构建综合炼厂模型及模拟计算各环节相关物质与能量平衡，对微藻生物柴油生产全生命周期系统进行分析和评价，综合考虑过程系统效率、资源消耗、废物循环、废物处理及污染物排放等因素，对比微藻生物柴油生产加工过程中自身能耗与环境排放的总产出与总消耗，掌握微藻生物柴油全过程的能量平衡和碳平衡，最终确定微藻生物柴油是否对环境有正向的作用以及过程体系的经济及生态效益，这可为今后发展提供进一步改善或提高的方向，为选择最具有可持续发展潜力的产品生产过程系统提供决策和评价依据，使评价结果更具说服力。

1 系统边界与分析指标 1.1 系统边界的界定

由于现今尚未出现微藻生物柴油的大规模产业化生产装置和数据，本研究基于目前已开发的可行微藻生物柴油培养工艺，设计了一个日产量8.8 t^[4]微藻生物柴油的综合炼厂，并依此进行过程生命周期分析。

图 1为本文建立的微藻生物柴油生命周期研究系统边界。从培养微藻为起点，中间经历收获脱水、提取油脂、转化油类等工艺过程，最终得到符合国家生物柴油标准BD100的微藻生物柴油。

如图 1所示，本研究所设立的问题系统，除了包括微藻生物柴油生产加工过程外，还包含有过程燃料子系统，即在微藻生物柴油生产加工过程中使用到的直接参与或者间接参与的能源，比如煤、石油、电力等。这些过程燃料在制取及使用的过程中产生的能耗与排放也应该纳入整个系统的评价中。但藻种筛查、修建厂房、设备安置等前期投入过程中产生的能耗与排放不属于本文的范围。

1.2 建厂选址

小球藻(Chlorella)是一类在我国分布广泛的球形淡水藻种。目前，小球藻是现阶段少数已经成功地被用于开放池培养的藻种之一，关于小球藻的研究较多且数据较为丰富，所以本文选取小球藻作为生产微藻生物柴油的原料。

依据中国的资源、气候条件以及目前的工业技术水平，可以估算出在我国生产小球藻的生长率。张庭婷^[4]根据其建立的理论模型得出微藻生物柴油在我国的理论年产量大约为6 000~13 000 L·ha^-1y^-1。综合考虑了气温、光照、降水量、年蒸发量等多方面自然因素后，可得知在我国的大部分北方地区不适宜作为微藻生物柴油的生产地点；中西部地区较为合适；在南方特别是东南沿海一带的产量最高，可达到4 200~5 000 L·ha^-1y^{-1 [4]}。综合各方面因素考虑，本文选择具有最高微藻生物柴油生产潜力的海南地区，基于此处的一个污水处理厂作为建厂的模型^[4]。

1.3 微藻生物柴油生产的工艺流程

本文建立的微藻生物柴油综合炼厂的主要设计思路是以Lundquist等^[5]的想法作为设计依据所建立的。完整的微藻生物柴油加工生产链所包含的技术环节如图 2所示。

微藻生物柴油综合炼厂的规模为日产油量8.8 t微藻生物柴油。本文的一切计算标准均以该综合炼厂的日产量和日消耗量为基准。厂内所有液体的运输均由泵来输送，该泵输送1 m³液体的能耗为0.048 kW·h。

综合炼厂内设置大小为1 000 m²的4个预接种池，使用开放式跑道池对小球藻进行预培养。然后将微藻预培养液输送至12个与预接种池配置相同的高得率微藻培养池(high rate alage pond, HRAP)对微藻进行扩大培养，每个HRAP占地40 000 m², 长690 m、宽10 m、深0.3 m。HRAP中使用淡水为培养基底，使用自然光源进行照明，使用CO₂含量为13.5%的烟道气为微藻生长提供碳源，同时添加磷酸盐与尿素为微藻生长提供营养成分。每生产1 t干藻需要外界提供65.9 kW·h的能量。

待微藻在HRAP生长至固含量为1.7 kg·m^-3[6]后，即可开始对微藻进行收获操作。经过沉淀、微生物絮凝沉淀^[7]、进一步沉淀后，微藻液的固含量可达到42.5 kg·m^{-3 [8]}。同时将剩余在沉淀罐中60%^[4]的上清液回收至HRAP中，剩下的部分作为废水排放。絮凝沉淀的单位能耗为25.0 kW·h·t^-1干藻。

经过絮凝沉淀后的微藻液输送进入KST-B型的双螺旋压榨脱水机进行离心操作^[9]。经过离心后微藻液的质量浓度可以达到21%，即固含量达到220 kg·m^-3[4]。每离心1 m^-3的微藻沉淀液需要3.92 kW·h能量。然后将微藻液输送至自然干燥区域使微藻液在自然风干的条件下蒸发一部分水分，其质量浓度进一步提升至60%。再使用ZDG系列振动流化床干燥机对湿藻进行干燥，该操作完成后湿藻的质量浓度可以达到80%^[4]。ZDG系列振动流化床干燥机的单位能耗为32 kW·h·t^-1干藻。

将收获完成的微藻浓缩液送至高速均质机进行预处理，破坏微藻的细胞结构以方便油脂的渗出^[10]。预处理每1 m^-3的微藻浓缩液的能耗为18.5 kW·h，然后使用正己烷与甲醇按1:5比例混合的有机溶剂对经预处理的微藻液进行油脂提取。将有机溶剂与微藻液一起送入混合罐中进行油脂萃取，然后将混合液一起送入沉淀罐进行沉淀。沉淀完成后进行固液分离操作，回收溶剂。该环节中一共可以得到9.2 t微藻油和24 t废渣^[4]，作为溶剂的正己烷的回收率可以达到99.5%^[4]。每提取出1 t的微藻油需要消耗194 kW·h能量。

将得到的微藻油与甲醇进行混合，通过碱性酯化反应得到符合BD100标准的8.8 t微藻生物柴油，同时还可以得到副产品—1 t甘油^[4]。每生产1 t微藻生物柴油消耗1 470 kW·h能量。

本文中微藻生物柴油成品作为发电燃料使用，其热值为39 MJ·kg^-1[4]。同时微藻油提取后产生的废渣也可用作发电的燃料以提高微藻生物柴油生产加工链的总体产值，该生物气的热值大约为20.908 MJ·m^-3[4]。每产生1 m³生物气会消耗0.008 kW·h能量。微藻生物柴油综合炼厂中设置有一个生物质发电厂，该发电厂采用电锅炉燃烧，该装置的发电效率为32%，该发电厂内的损失率为6.3%^[11]。

综上所述，将微藻生物柴油生产加工过程中每个环节的生产量汇总于表 1。

2 能量平衡与碳平衡分析 2.1 能量平衡分析

微藻生物柴油从微藻培养到微藻油转化，再到微藻生物柴油生产，乃至最后微藻生物柴油被使用消耗的整个生命周期过程中，每个阶段都需要直接或者间接地消耗资源，尤其消耗化石能源。因此，微藻生物柴油整个生产系统的运行是基于非可再生资源不断地向系统中供给能量这个前提下完成的。虽然微藻生物柴油是可再生能源，但其是否具有可持续性或者说可持续性的大小，还要考察微藻生物柴油燃烧所产生的热值及其生产出的副产物的热值与整个的生命周期过程中所消耗的能量相比是否有所剩余。

利用生命周期分析原理，对于微藻生物柴油生产过程的整个能量平衡系统，本文建立了微藻生物柴油的净能量分析模型，根据我国现有的生产技术水平和条件，可以计算出整个微藻生物柴油生产系统的净能量盈余和能量比。

整个微藻生物柴油系统所产生的能耗计算以各设备的日处理量为基准。微藻生物柴油生产加工各环节中使用设备的功率及其对应的日处理量汇总于表 2。

根据表 2各项数据可以计算出微藻生物柴油生产过程中各环节所产生的能耗，汇总于表 3。

由图 3可以看出在微藻生物柴油生产加工各环节中，消耗能量最多的是油脂转化过程，其次是微藻的收获环节。

微藻生物柴油的热值为39 MJ·kg^-1，则每日产生的8.8 t微藻生物柴油的总热量为343 200 MJ，换算为电力单位为95 333.33 kW·h。厌氧发酵产生的生物气为30 008 m³，该生物气蕴含的总热值为627 407.2 MJ。该生物气厌氧发酵装置采用电锅炉燃烧，发电效率为32%，损失率为6.3%。则该生物炼厂发电站的日产量为186 716.38 MJ, 折算为51 907 kW·h。若将生产出的8.8 t微藻生物柴油送入同一炼厂，经电锅炉燃烧后，可得到28 371.1 kW·h能量。因为副产物甘油不用做燃料来提供能量，暂未用副产品替代法计算其能量产出，故整个微藻生物柴油系统的能量产出不将其计算在内。整个微藻生物柴油生产系统每日所产出的总能量为80 278.20 kW·h。

由图 4微藻生物柴油系统对比结果可知，微藻生物柴油每日产出的能量远远高于每日所消耗的能量，每日所产生能量是所消耗能量的3.1倍。

2.2 碳平衡分析

微藻生物柴油作为化石燃料的替代品，在燃烧过程中释放的CO₂全部来自于微藻通过光合作用所固定的大气中的CO₂。但从微藻的培养开始直到最后微藻生物柴油被消耗的整个生命周期过程中，各个环节都直接或者间接地在产生温室气体和其他的环境排放。因此，使用微藻生物柴油作为化石燃料的替代品能否真的减少温室气体的排放，也需要通过计算生命周期来分析。

现已知微藻在培养阶段需要含13.5%的烟道气和13 649 g/kg微藻固体，该烟道气中的CO₂只有85%被微藻所吸收。则在日产微藻42.2 t的系统中，每天可固定的CO₂为66.09 t。本文主要针对将微藻生物柴油作为燃料使用的情况进行研究。由于目前还没有实现微藻生物柴油的大规模产业化方案，因此本文根据微藻生物柴油的化学式CO_0.48H_1.83N_0.11P_0.01来推断微藻生物柴油作为燃料使用时产生的排放。根据化学元素比例计算，1 t微藻生物柴油可以产生16.58 t的CO₂。油脂提取后的废渣用以进行厌氧发酵发电。本设计中生物质能发电使用的是电站锅炉，该装置的排放因子为46.85 g·MJ^-1[4]。该厌氧发酵装置的日产量为30 008 m³，生物气的热值为20.908 MJ·m^-3, 电站锅炉的发电效率为32%，输电损失为6.3%，则该厌氧发电装置日产能量186 716.4 MJ，日排放CO₂的量为8.75 t。

通常LCA方法中，对于碳排放量的计算共有3种方法：实测法、物料衡算法、经验计算法^[12]，其中以实测法工作量最大且结果较为准确。本文因条件限制，使用经验计算法对微藻生物柴油生产过程中的各环节所产生的CO₂排放量进行计算。对微藻生物柴油生产过程中各环节的CO₂排放量进行简单估算，得到一个初步的结论，还有一些未考虑的因素待后续研究进行补充。

微藻生物柴油的各生产环节中均使用电力供能。在海南省的实际电力构成中，火力发电占了84.2%，水力发电占13.2%，风力发电占2.6%^[4]。其中只有火力发电会产生排放，水力发电和风力发电过程中产生的排放可以忽略不计。火力发电会产生245.28 g·MJ^-1[4]的CO₂。则可计算出微藻生物柴油各环节CO₂排放量，如表 4所示。

微藻生物柴油各环节使用电力造成的排放为19.4 t CO₂, 则整个微藻生物柴油生产加工过程所产生的CO₂排放量为44.73 t。

由图 5可以看出，由于微藻生物柴油的生产环节中CO₂排放量是根据其生产过程各环节消耗的电量所计算得到的，因此微藻生物柴油生产过程中各环节CO₂排放量的比例与其消耗的电量相同。由此可知，CO₂排放量最大的是油脂转化的过程，其次是微藻的收获过程。

由图 6可看出微藻生物柴油在生产加工过程中固定的CO₂的量大于产生的CO₂排放量，整个生产过程中固定的CO₂的量大约是排放量的1.47倍。由此可知，微藻生物柴油的全生命周期过程是一个消耗环境中CO₂的过程。因此使用微藻生物柴油作为化石的替代燃料，有利于减少现今因化石燃料过度燃烧所产生的CO₂的量。

3 结论

本文基于生命周期分析方法，对其整个生产过程的能量平衡和碳平衡进行了分析，结果表明微藻生物柴油在生产加工的过程中，所产生的能量远大于消耗的能量；整个生产加工过程中固定的CO₂的量大于产生的CO₂的量。由该两项结果可以看出，微藻生物柴油是一项具有可持续性，并且有利于改善目前全球的温室变暖效应情况的，很有发展潜力的新型可再生燃料。

从各环节的能耗与排放CO₂量的统计来看，油脂转化过程和微藻收获过程的能耗与排放CO₂量都很高。对整个系统的能耗与排放CO₂量的优化，可以优先从这2个环节开始。

微藻生物柴油炼制系统作为一个复杂的体系，其构成、影响因素和评价指标较多, 对于地区和区域层面上的较大规模的生物炼制系统设计和生产优化，必须综合考虑多方面因素，必须对系统的产品结构、技术路线进行全面细致的方案设计和优化。未来本研究对微藻生物柴油的全生命周期分析，还将从微藻生物柴油的有效能计算、能值分析、水足迹分析等方面进行，全方面验证其各方面的特性，客观全面评价其可持续性。