微藻生物炼制中生物乙醇生产的生命周期评价：离心与生物絮凝收获策略的环境影响对比研究

本研究针对微藻生物乙醇生产过程中的高能耗和环境负担问题，通过生命周期评价（LCA）方法系统比较了离心（Scenario A）与生物絮凝（Scenario B）两种生物质收获策略。研究发现，尽管生物絮凝收获效率更高（99.5%），但其全球变暖潜能（GWP）达241.03 kg CO2 eq.，高于离心法的176.99 kg CO2 eq.；排除能耗后两类工艺均呈现碳负平衡。研究为优化微藻生物炼制流程、降低环境 impacts 提供了关键数据支撑，对推动可持续生物经济具有重要意义。

　　

随着全球能源转型和碳中和目标的推进，开发可再生能源已成为当务之急。生物乙醇作为清洁燃料的代表，其生产从第一代粮食原料发展到第二代非粮作物，如今第三代微藻生物乙醇技术因不占用耕地、生长速度快、二氧化碳固定能力强等优势备受关注。然而，微藻生物乙醇的商业化之路仍面临重重障碍，尤其是生产过程中的高能耗和环境负担问题亟待解决。其中，微藻生物质的收获环节更是公认的能耗瓶颈——传统离心法虽效率较高但耗能巨大，而新兴的生物絮凝技术虽能耗较低但综合环境效益尚不明确。为了科学量化不同收获策略对环境的影响，巴西帕苏丰杜大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》上发表论文，通过生命周期评价（LCA, Life Cycle Assessment）方法对离心与生物絮凝两种路线进行了全面对比。

研究采用ISO 14040标准框架，构建了从微藻培养到生物乙醇蒸馏的完整生命周期模型。关键技术方法包括：利用Simapro v.9.5.0.1软件平台和ReCiPe评价方法进行 impact 评估；基于文献数据（Magro et al. 2021; Nazari et al. 2020; Rempel et al. 2019; Simon et al. 2025）建立库存清单；采用谱系矩阵（Pedigree Matrix）进行不确定性分析（4.69%-3.93%）。实验以130 L跑道池培养的螺旋藻（Spirulina platensis）为对象，其中Scenario A采用离心收获（90%效率），Scenario B采用黑曲霉（Aspergillus niger）生物絮凝（99.5%效率）。

3.1. Midpoint impact categories

全球变暖潜能（GWP）分析表明：含能耗时Scenario B的GWP（241.03 kg CO₂ eq.）高于Scenario A（176.99 kg CO₂ eq.），主要源于生物絮凝过程中的真菌培养和絮凝操作能耗；但排除能耗后，两场景均呈现碳负值（-21.59和-16.87 kg CO₂ eq.），归因于养殖阶段对牛粪废水的营养回收和CO₂固定作用。

陆地生态毒性（TET）结果显示：能耗是主要贡献因子，无能耗时养殖-收获-干燥阶段呈负值（-41.66和-34.15 kg 1,4-DCB eq.），体现废水资源化的环境正效益；而酶解阶段因酶使用产生高TET（82.75 kg 1,4-DCB eq.）。

化石资源稀缺性（FRS）中：Scenario B在含能耗时影响最大（45.72 kg oil eq.），主要关联矿物营养盐提取和能耗；无能耗时则因废水利用呈现资源节约效应。

3.2. Endpoint impact categories

人体健康损害：最高值出现在Scenario B的酶解阶段（7.04E^-03 DALY），主要来自酶制备相关排放；发酵/蒸馏阶段因能耗贡献显著（4.4E^-04 DALY）。

生态系统损害：Scenario B的发酵/蒸馏（3.5E^-03 species·year）和酶解（3.03E^-04 species·year）影响最突出，与海洋富营养化和土地利用等 midpoint 指标相关。

资源消耗：Scenario B的养殖-收获-干燥阶段损害最高（15.36 USD₂₀₁₃），主要源于设备能耗；而无能耗时因避免废水处理成本呈现负值。

研究结论强调：虽然生物絮凝（Scenario B）收获效率更高（99.5%），但其当前能耗结构导致GWP等环境影响高于离心方案；然而，通过整合废水营养回收、CO₂固定和生物质全利用策略，两类工艺在无能耗情景下均可实现碳负平衡。不确定性分析（4.69% vs 3.93%）证实数据稳健性。该研究首次系统量化了微藻乙醇不同收获路线的环境绩效，为优化生物炼制流程、降低能耗提供了科学依据，对推动循环生物经济和可持续能源转型具有重要指导意义。未来研究需关注酶制备的绿色化、能耗清洁化以及多产品联产策略，以进一步提升微藻乙醇的环境经济可行性。