海洋小球藻属的综合增值利用以生产生物柴油及残余生物质共生物：技术经济评估与门槛到门槛温室气体平衡

《Bioresource Technology Reports》：Integrated valorization of marine Chlorella sp. for biodiesel and residual-biomass coproducts: Techno-economic assessment and gate-to-gate GHG balance

　　

• 直接酯交换工艺每吨干小球藻生物质可产257.0千克脂肪酸甲酯（FAME）。
• 水解（5% w/v H?SO?，100 °C）可释放出30.5千克还原糖/吨。
• 各情景下生物柴油的最低售价区间为9,566–17,342美元/吨。
• 与情景A相比，集成工艺将固体废物产生量减少了21.1%。
• 净现值始终为负；敏感性分析表明生物质成本是主导因素。

引言

微藻生物柴油的商业化应用所受到的制约，主要不在于原料（小球藻）本身的生物学潜力（Chisti, 2007；Mata et al., 2010；Brennan and Owende, 2010；Daroch et al., 2013；Demirbas and Demirbas, 2011），而在于下游加工的成本与能耗强度（Halim et al., 2012；Miao and Wu, 2006；Lardon et al., 2009；Beal et al., 2015；Sills et al., 2013）。传统藻类生物柴油生产依赖于干燥、溶剂萃取和酯交换的连续流程，这一系列单元操作会消耗最终燃料所含能量中的很大一部分，并在中小规模下主导资本成本和运营成本（Halim et al., 2012；Clarens et al., 2010；Davis et al., 2011；Slade and Bauen, 2013；Quinn and Davis, 2015）。有三个下游瓶颈尤为关键。第一，脂质萃取步骤需要大量溶剂库存以及能耗密集的溶剂回收过程。第二，脂质脱除后残留的生物质——即脂质萃取后微藻生物质残渣（LMBR）——含有原始原料中大部分蛋白质和碳水化合物，却常被当作低价值废弃物而非资源处理（Beal et al., 2015；Laurens et al., 2015；Markou et al., 2012）。第三，单一产品工艺流程必须仅依靠生物柴油收入收回全部成本，当生物柴油与大宗燃料价格竞争时利润空间极小（Davis et al., 2011；Slade and Bauen, 2013；Quinn and Davis, 2015）。将脂质转化与残渣增值协同设计的集成化生物炼制厂被广泛认为是应对上述瓶颈的解决方案，但其量化绩效取决于各单元操作在工艺层面的相互作用方式。

直接法或原位酯交换通过将脂质萃取与转化合并为单一单元操作来突破第一个瓶颈，实验室研究反复证明，相较于先萃取后转化的顺序流程，它能显著提高胞内脂质中脂肪酸甲酯（FAME）的回收率（Ehimen et al., 2010；Patil et al., 2012；Wahlen et al., 2011；Sathish and Sims, 2012；Johnson and Wen, 2009）。对于本文所涉及的海洋菌株，此前已利用响应面法（RSM）对干燥小球藻生物质的直接酯交换工艺进行了优化，其单位生物质FAME产量远高于两步萃取-酯交换路线（Mandik et al., 2020）。这类基于统计学设计的优化方法在生物柴油工艺开发中日益核心：例如，已有研究在RSM框架内采用Box–Behnken设计，对椰油在K?O/γ-Al?O?催化剂上与异丙醇的微波辅助酯交换反应进行优化，证明可协同调控反应温度、时间和催化剂用量以最大化酯类产量（Mahfud et al., 2025a）。然而，仅靠直接酯交换并不能解决第二和第三个瓶颈：它依然会产生大量LMBR流股，且仍依赖单一燃料产品获取收入。

生物炼制理念通过将多种生物质组分转化为燃料、化学品、材料或饲料产品，实现残渣增值，从而提升物料利用率并将工艺成本分摊至多个收入来源（Laurens et al., 2015；Markou et al., 2012；Harun et al., 2010；Suganya et al., 2016；Rizwan et al., 2018）。在微藻体系中，LMBR中的碳水化合物组分可经水解释放出还原糖，经脱毒与浓缩后可作为发酵原料；富含蛋白质的组分则在满足回收、纯度及安全要求的前提下，原则上可作为饲料配料实现增值（Markou et al., 2012；Suganya et al., 2016；Ju et al., 2012；Chen et al., 2013；Banu et al., 2020）。对同一海洋小球藻LMBR的酸水解工艺已获实验优化，每公斤残渣最多可释放46.7毫克还原糖（Mandik et al., 2020）。然而，此类副产物流股是否真能改善整体工艺的经济与环境绩效，无法仅凭单元操作产率推断，因为水解过程会额外引入酸、碱、热、水及分离负荷，其代价可能超过所创副产品的价值，在小规模情况下尤甚（Beal et al., 2015；Sills et al., 2013；Clarens et al., 2010；Davis et al., 2011；Slade and Bauen, 2013；Quinn and Davis, 2015；Ebadian et al., 2020）。更广泛的生物质热化学转化文献进一步印证了此类工艺层面设计决策的重要性：Calophyllum inophyllum（澳洲坚果）油被证实可在微波辅助塑料热解中同时充当微波吸收体和反应性共投料（Mahfud et al., 2026）；碳吸附剂的选择对椰壳微波辅助热解的液态烟液收率具有实质性影响（Anggraini et al., 2026a）；另有研究结合面心中心复合设计与RSM，系统优化了椰壳废弃物在固定床反应器中缓慢热解制取液态烟液的工艺（Anggraini et al., 2026b）。这些研究强调，加热方式的选择、吸收体或催化剂的选用，以及经统计学优化的操作条件，是提升生物质增值效率的通用手段，并非微藻体系独有。

既有研究已确立了该工艺链中的若干关键要素。海洋小球藻的混养培养可实现较高的脂质积累（Cheirsilp and Torpee, 2012；Cheirsilp et al., 2016）；铝辅助絮凝可高效富集富脂生物质（Mandik et al., 2015）；直接酯交换可提高该生物质的FAME产量（Mandik et al., 2020；Ehimen et al., 2010；Patil et al., 2012；Wahlen et al., 2011；Sathish and Sims, 2012；Johnson and Wen, 2009）；酸水解可从所得残渣中回收还原糖（Mandik et al., 2020；Laurens et al., 2015；Markou et al., 2012；Ju et al., 2012）。然而，研究局限在于：将实测工艺性能数据整合进对比性工艺层面评估的工作仍然稀少；鲜有研究将同一原料的絮凝、酯交换和水解实测性能合并到统一的工艺模型中，同时评估产品产率、全部生物质组分的完整去向、盈亏平衡经济性、能量平衡以及门槛到门槛的温室气体（GHG）平衡。这一空白之所以重要，是因为某一工艺即使单元操作层面表现优异，在同时计入资本成本、公用工程、化学品、副产品抵扣、废弃物产生和排放负荷后仍可能失败；而且，副产品的添加是否真能改善工艺绩效，通常被假定而非被证明（Khounani et al., 2025；Madadi et al., 2025；Azarakhsh et al., 2026）。

本研究通过构建三个海洋小球藻生物质转化情景的工艺级对比，弥补了这一空白，处理规模为1000千克干生物质/日：(A) 传统溶剂萃取后接酯交换，(B) 直接酯交换，(C) 直接酯交换与LMBR酸水解、残余生物质副产品回收的集成工艺。本研究及前期工作（Mandik et al., 2015；Mandik et al., 2020）报告的实验数据——絮凝性能、生物质与残渣组成、FAME产率和水解糖产率——被转化为物料平衡、折现现金流（DCF）技术经济性分析（TEA）、能量评估，以及在统一系统边界下开展的门槛到门槛GHG清单。此类技术经济性分析已成为评估能源部门工艺可行性的标准工具——例如，在评估煤电机组集成分配胺CO?捕集的技术时（Taipabu et al., 2025）——但将其应用于具有实测、原料特定数据的微藻残渣增值研究仍属少见。与将转化性能或经济建模割裂处理的评估不同，本研究量化了脂质转化与残渣增值如何共同影响FAME产量、生物柴油最低售价（MBSP）、净能量比（NER）、废弃物产生量以及条件性净GHG平衡，并明确考察在所模拟规模下，额外副产品收入是否超过额外加工成本。

据此，本研究目标为：(i) 在统一的门槛到门槛边界下，构建海洋小球藻转化的对比性工艺情景；(ii) 量化生物质的完整物料去向，包括FAME、甘油、未转化脂质、水解糖、潜在富蛋白副产品、中和盐及残余废物；(iii) 利用完全明确的DCF模型，评估资本支出（CapEx）、运营支出（OpEx）、年收入、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、投资回收期（PBP）及MBSP；(iv) 评估仅燃料与全产品的能量表现以及门槛到门槛GHG平衡，其中总排放与生物源碳抵扣分开报告；(v) 通过敏感性分析和结构性案例研究，识别对经济绩效控制力最强的技术与市场参数。

分节摘录

生物质来源、培养、收获与干燥

海洋小球藻取自泰国海岸水产养殖研究所；该分离株无可用菌株编号，因此此处以其来源保藏库指代。微藻在BG-11培养基中于30 °C、连续通气、3000 lx光照强度及16:8 h明暗光周期条件下培养。混养培养通过向培养基中补加2 g/L（w/v）葡萄糖实现。在上述条件下，生物质达到……

物料平衡与生物质完整去向

该海洋小球藻原料每吨干生物质含420.8千克脂质（42.08 ± 0.58% dw）。在情景B和C中，每吨干生物质产出257.0千克FAME；全部脂质组分的去向如下：420.8千克脂质中，257.0千克转化为FAME，163.8千克残留在残余生物质中未转化。酯交换反应同时每吨产生25.7千克粗甘油（化学计量比约0.10 kg/kg FAME），并消耗……

结论

本研究将海洋小球藻的实验实测工艺性能数据——絮凝、生物质与残渣组成、直接酯交换和酸水解——整合进统一门槛到门槛边界下、规模为1000千克干生物质/日的三个转化情景的工艺级对比评估。直接酯交换（70 °C，120 min，CHCl?:MeOH 1.35:1 v/v，H?SO?）每吨干生物质产FAME 257.0千克，而传统……

CRediT作者贡献声明

Yohanis Irenius Mandik：写作–审阅与编辑，写作–初稿，方法论，调查研究，形式分析，概念化。Benjamas Cheirsilp：监督，方法论，概念化。Piyarat Boonsawang：资源，调查研究。Poonsuk Prasertsan：监督，调查研究。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本工作准备过程中，使用了AI辅助工具进行语言编辑和稿件格式化。作者已审阅并编辑了所有AI辅助产出，并对稿件内容承担全部责任。

资金支持

本研究由泰国宋卡王子大学支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢泰国宋卡王子大学提供的研究设施与资金支持。作者亦感谢泰国海岸水产养殖研究所提供本研究所用的海洋小球藻菌株。

Yohanis Irenius Mandik｜Benjamas Cheirsilp｜Piyarat Boonsawang｜Poonsuk Prasertsan