基于生命周期评估的微藻光生物反应器防污涂层可持续性研究

《Bioresource Technology Reports》：Assessing antifouling coatings in microalgal photobioreactors through LCA

本研究针对微藻生物质规模化生产中生物污损这一关键瓶颈问题，通过生命周期评估（LCA）和经济学评价，系统研究了新型两亲性防污涂层在封闭式光生物反应器（PBR）中的应用可行性。结果表明，涂层处理使管式PBR（CT-PBR）生产力提升32%，全球变暖潜能（GWP）降低71.4%，且对毒性相关影响类别影响极小。该技术通过限制细胞粘附有效缓解生物污损，延长生产周期，证明其兼具环境可持续性与经济可行性，为微藻培养系统的优化提供了创新解决方案。

　　

微藻作为一种具有广泛应用前景的生物资源，因其可生产生物燃料、高价值营养成分以及用于生物修复等特性而受到广泛关注。特别是在欧洲绿色协议和可持续蓝色经济战略的推动下，微藻被视为实现循环生物经济的关键资源之一。然而，在微藻的规模化培养过程中，生物污损（Biofouling）成为了一个棘手的难题。当微藻细胞在光生物反应器（Photobioreactor, PBR）的内壁附着并增殖形成生物膜时，会显著降低透光率，影响培养质量，增加污染风险，并迫使生产过程中断进行清洗。传统的清洗方法不仅需要使用盐酸、次氯酸钠等化学品，消耗大量水和能源，还会导致生产成本增加和环境负担加重。因此，开发能够有效抑制生物污损且环境友好的技术，对于推动微藻产业的可持续发展至关重要。

近期，研究人员开发出了一种透明无毒的聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚乙二醇（PEG）共聚物构成的两亲性防污涂层（Amphiphilic antifouling coating）。初步研究表明，该涂层能够显著减少微藻细胞在反应器表面的附着。然而，这种新技术的全面环境效益和经济效益如何？与传统无涂层的培养系统相比，它是否真的更具可持续性？为了回答这些问题，来自西班牙阿尔梅里亚大学的研究团队在《Bioresource Technology Reports》上发表了他们的研究成果，首次通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）和经济学分析，系统地比较了标准光生物反应器与新型涂层光生物反应器的性能。

为了评估防污涂层的可行性，研究人员设计并开展了一项为期一年的中试规模实验。研究团队在西班牙阿尔梅里亚的户外中试工厂中，使用海洋微藻Nannochloropsis gaditana作为模式生物，对比了四种不同的培养系统：无涂层平板光生物反应器（FP-PBR）、全涂层平板光生物反应器（CFP-PBR）、无涂层管式光生物反应器（T-PBR）以及全涂层管式光生物反应器（CT-PBR）。研究采用了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界，功能单位定义为生产1千克干微藻生物质。生命周期评估使用OpenLCA软件和ReCiPe 2016中点（Egalitarian）方法进行计算，同时辅以IMPACT 2002+和ILCD 2011 Midpoint+方法进行对比验证，并进行了蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）以分析不确定性。经济评估则基于中试数据，估算了1公顷规模微藻生产厂的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），并计算了每千克生物质的成本。

3.1. 实验结果

在批次培养阶段，涂层与非涂层PBR的生产力没有显著差异。然而，在连续培养模式下，涂层系统的优势显现出来。涂层平板PBR（CFP-PBR）的连续生产力为60.0 mg L^-1 day^-1，比非涂层系统（53.9 mg L^-1 day^-1）提高了约10%。涂层管式PBR（CT-PBR）的提升更为显著，其连续生产力达到270.0 mg L^-1 day^-1，是非涂层系统（85.4 mg L^-1 day^-1）的3倍多，增幅达32%。在面积产率方面，平板PBR通常高于管式PBR，但涂层处理使CT-PBR的面积产率（12.2 g m^-2 day^-1）远超非涂层T-PBR（3.9 g m^-2 day^-1）。最关键的是，涂层极大地抑制了生物污损的形成。在非涂层PBR中运行90天后，管式PBR表面的细胞附着量高达146.2 μg mm^-2，而涂层管式PBR在运行320天后，附着量仅为38 μg mm^-2，减少了约70%。平板PBR的污损水平本身较低，但涂层也使其附着量从23.4×10^-3 μg mm^-2 降至1.2×10^-3 μg mm^-2。由于污损减少，涂层系统无需频繁停机清洗，其年度生产周期中连续运行时间占比（CT-PBR为93.75%，CFP-PBR为96.25%）显著高于非涂层系统。

3.2. 环境结果

生命周期影响评估（LCIA）结果清晰地表明，生物污损对两种PBR设计的环境影响都有显著的负面效应，这种效应在管式PBR（T-PBR）系统中尤为突出。在几乎所有的影响类别中，非涂层系统的环境影响都远高于涂层系统。例如，在核心指标全球变暖潜能（GWP）上，非涂层T-PBR为350 kg CO₂ eq，而涂层T-PBR（CT-PBR）仅为100 kg CO₂ eq，降低了71.4%。在化石资源稀缺性（Fossil resource scarcity）方面，非涂层T-PBR为72.0 kg oil eq，涂层T-PBR为21.0 kg oil eq。在毒性相关类别，如人类致癌毒性（Human carcinogenic toxicity）和海洋生态毒性（Marine ecotoxicity）上，非涂层T-PBR的影响值也是涂层系统的三倍以上。平板PBR系统也显示出涂层带来的环境效益，但增幅幅度小于管式系统。贡献分析显示，电力消耗是绝大多数影响类别（18个类别中的15个）的主要贡献者，占比超过80%，在某些类别甚至超过95%。硝酸钠（NaNO₃）生产是淡水生态毒性（Freshwater ecotoxicity）、海洋富营养化（Marine eutrophication）和矿物资源稀缺性（Mineral resource scarcity）的主要贡献者。而塑料薄膜的挤出成型（flat panel）或注塑成型（tubular PBR）则分别是淡水富营养化（Freshwater eutrophication）和人类致癌毒性（Human carcinogenic toxicity）的主要来源。单指标贡献分析进一步证实，电力在所有系统中都是首要环境影响驱动因素，占总影响的60-70%。使用三种不同标准化方法（ReCiPe, IMPACT 2002+, ILCD）得到的结果趋势一致，均表明涂层T-PBR（CT-PBR）的环境表现最佳。敏感性分析（蒙特卡洛模拟）和统计检验（Kruskal-Wallis）证实了大多数影响类别结果的差异具有统计学显著性。

3.3. 经济结果

在中试规模下，生产1千克干生物质的运营成本显示，涂层T-PBR成本最低，为76.91欧元，涂层FP-PBR次之，为81.99欧元。生物污损导致成本显著上升，非涂层T-PBR的成本高达188.18欧元，是非涂层FP-PBR（105.66欧元）的1.8倍。电力成本是最大的运营成本组成部分。在放大到1公顷规模的模拟中，涂层FP-PBR的微藻生物质生产成本最低，为36.11欧元/千克，涂层T-PBR为37.42欧元/千克，而非涂层T-PBR的成本高达96.98欧元/千克。涂层技术的应用使得管式PBR的生产成本能够与更具成本效益的平板PBR系统相竞争。

本研究通过综合的环境和经济学分析，证实了应用PDMS-PEG两亲性防污涂层在微藻光生物反应器中的巨大潜力。该技术通过有效抑制生物污损，显著提高了生物质生产力（尤其在管式PBR中），减少了因清洗造成的生产中断和化学品消耗，从而带来了显著的环境效益（如大幅降低全球变暖潜能）和经济优势（降低单位生物质生产成本）。研究结果强有力地表明，防污涂层技术，特别是与管式光生物反应器结合时，是一种能够提升微藻培养系统可持续性和经济可行性的有效策略。然而，研究也指出，无论是否使用涂层，电力消耗都是微藻生产过程中最主要的环境影响来源。因此，未来要实现微藻作为可持续生物资源的全部潜力，除了采用先进的防污技术外，还必须着力于提高整个系统的能源效率，并整合可再生能源，从而从根本上降低其环境足迹。这项工作为微藻培养技术的优化提供了重要的科学依据和实践指导，推动了微藻生物技术向更绿色、更经济的方向发展。