综述：压力驱动聚合物膜用于微藻脱水：材料创新、经济洞察与工业前景

《Bioresource Technology Reports》：Pressure-driven polymeric membranes for microalgae dewatering: Materials innovation, economic insights, and industrial prospects

　　

摘要
微藻因其高产率和碳封存潜力，被公认为可持续生物能源生产的有前景原料。然而，微藻培养液的高含水率仍然是一个关键瓶颈，使得脱水成为下游生物质处理中能耗最高的步骤之一。压力驱动聚合物膜技术已作为一种高效的微藻脱水解决方案出现，具有分离效率高、化学消耗低和可扩展性强等优势。本综述批判性地评估了基于聚合物的微藻脱水膜的最新进展，特别关注其在增强用于生物能源应用的生物质回收中的作用。重点膜材料，包括聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚醚砜 (PES) 和聚砜 (PSF)，在渗透性、微藻截留效率、抗污染性和长期运行稳定性方面进行了分析。还讨论了微藻特征对过滤性能和污染行为的影响，以建立材料 - 过程关系。重要的是，本研究结合了基于膜的脱水与生物能源转化途径的整合，评估其对整体能量平衡、运营成本和过程可持续性的影响。比较分析突出了膜系统相对于传统脱水技术降低能耗的潜力，从而提高了微藻到生物能源转化的可行性。本综述最后确定了关键研究方向，包括膜表面工程、混合脱水系统和过程整合策略，以支持开发具有成本效益且节能的微藻生物精炼厂。

引言
对能源安全、气候变化和化石燃料资源枯竭日益增长的担忧，推动了人们对可持续和可再生能源替代品的迫切需求 (Min 等人，2022)。目前，人们对采用可再生能源来取代煤炭、天然气和原油等传统化石燃料有浓厚兴趣，这些化石燃料是环境污染的主要贡献者。在这方面，微藻已成为一种有前途的第三代生物能源原料，因其生长快和脂质积累高 (Dolganyuk 等人，2020)。这些微小的光合生物存在于淡水和海洋生态系统中，有效地将阳光和二氧化碳转化为富含脂质、碳水化合物和蛋白质的生物质，可用于生产生物柴油、生物乙醇和其他生物燃料 (Van Lal 等人，2023)。微藻提供了一种多用途且环保的平台，用于可再生能源生产、废水处理和高价值生物产品的生成 (Daneshvar 等人，2022；Hepburn 等人，2019)。基于微藻的生物燃料生产解决了可再生能源的需求，同时由于微藻的高生长速率，提供了巨大的商业潜力。

由于藻类培养液的高度稀释性质，脱水仍然是微藻利用中能耗最高的步骤 (Clavijo 等人，2020；Omokaro 等人，2025)。研究表明，在藻类到生物燃料的生产过程中，脱水可能占总能量需求的 20-40% (Brentner 等人，2011)。各种商业脱水方法，包括化学混凝或絮凝、重力沉降、浮选、离心和膜过滤，已被探索用于微藻收获 (Ma 等人，2022；Najjar 和 Abu-Shamleh，2020；Shaikh 等人，2021)。其中，膜技术已成为领先的工业方法 (Azmi 等人，2025；Deepa 和 Sowndhararajan，2023)。这是因为它消除了对化学添加剂的需求，从而减少环境影响并最小化二次污染。通过利用选择性孔径，膜过滤有效地通过尺寸排阻将微藻生物质从稀释悬浮液中分离出来。

微滤 (MF) 和超滤 (UF) 是用于微藻脱水的压力驱动膜方法中最常用的。这些膜的孔径小于微藻 (1-5 μm)，可以有效地将微藻与水分离 (Deng 等人，2023；Khan 等人，2020；Nassr 等人，2026；Zhang 和 Fu，2018)。尽管基于膜的方法在微藻脱水中取得了显著进展，但污染仍然是一个主要挑战，因为它会减少渗透通量、增加运营成本并限制这些系统的可扩展性 (Akalili 等人，2025；Wu 等人，2025)。为了解决这个问题，各种有机聚合物被用作基础膜材料，以增强亲水性、减少污染物粘附并改善抗污染性能 (Geleta 等人，2023；Zhao 等人，2023)。进一步通过在聚合物基质中掺入亲水添加剂或官能团，最小化与微藻细胞和有机大分子的相互作用 (Prihandana 等人，2023；Wu 等人，2020)。

尽管基于膜的微藻研究迅速扩展，但现有研究主要集中在离散方面，如聚合物选择、污染缓解或通量增强，对其整体膜性能的综合评估努力有限。Garieri 等人检查了新兴的膜耦合微藻 - 细菌废水处理系统，重点关注过程设计、生物和膜性能。Deng 等人回顾了基于膜的微藻脱水，主要关注膜污染机制、抗污染表面改性策略以及改善脱水性能的运行方法，包括进料预处理、流体力学增强和膜清洗。然而，该综述主要关注污染缓解和运行性能增强，而对有机聚合物膜特性与脱水效率之间系统关联的关注有限。Castro-Mu?oz 和 Garcia-Depraect 回顾了基于膜的微藻收获技术、过滤性能增强以及为微藻生物精炼厂应用回收脂质、蛋白质和碳水化合物等附加值化合物。然而，他们的综述主要强调膜收获机制和生物质增值途径，而未系统评估有机聚合物膜特性、抗污染行为、过程经济和工业可扩展性之间的相互关系。

本工作专注于压力驱动膜技术，特别是用于微藻脱水的 MF 和 UF，重点在于有机聚合物膜。与以前的综述检查污染机制、膜改性策略或过滤过程的各个方面不同，本综述建立了一个统一和系统的框架，将聚合物膜特性（包括亲水性、孔结构和表面化学）与微藻脱水中的关键性能指标联系起来。此外，它批判性地将这些膜特性与微藻进料特征和运行限制联系起来，从而提供了一种综合视角，突出了性能权衡和可扩展性限制，以及现有文献中常被忽视的技术经济考量。还讨论了聚合物膜制备策略，突出了其可扩展性、成本效益和适用于大规模应用的适应性。考察了微藻的理化特征及其对分离性能和脱水效率的影响。评估了经济可行性，并考虑了与工业可扩展性相关的因素。进一步探讨了基于膜的脱水与下游生物能源转化途径的整合，以展示高效脱水在提高生物质增值和整体能源效率方面的作用。最后，确定了新兴挑战，以及为可持续微藻脱水应用合理设计先进有机聚合物膜的未来研究方向。

本工作符合联合国可持续发展目标 (SDGs)，特别是 SDG 7 (经济适用的清洁能源) 和 SDG 9 (产业、创新和基础设施)。基于膜的微藻脱水技术的开发和优化通过降低生物质脱水中的能源需求并增强过程可持续性，提高了生物能源生产的效率和可行性，从而支持 SDG 7。同时，本综述通过强调聚合物膜材料、制备策略和可扩展过程设计的进展，这些进展是开发高效和工业可行分离技术的基础，为 SDG 9 做出贡献。

章节片段
微藻脱水概述
微藻脱水通常被认为是生物质处理中要求极高的步骤，这主要归因于藻类培养液固有的低固体含量。脱水效率与培养策略紧密相关，培养策略决定了生物质浓度、细胞形态和外部聚合物物质 (EPS) 的产生，从而对下游分离性能产生决定性影响 (Vatanpour 等人，2024)。传统悬浮系统，包括开放池塘

增强 PVDF、PES 和 PSF 膜在微藻脱水中性能的策略
基于前面对微藻性质、压力驱动膜技术、传输现象和聚合物膜材料特性的讨论，评估这些因素如何共同影响实际脱水性能至关重要。全面理解膜 - 材料属性、制备方法以及运行条件为预测性能结果、优化过程参数和指导膜

基于膜的微藻脱水的经济可行性和可扩展性
微藻脱水技术的经济可行性是决定其工业适用性的关键因素。脱水被公认为基于微藻的生物燃料和生物产品生产系统中的主要成本贡献者之一，因为必须处理大量水以回收藻类生物质。如图 6 所示，微藻处理链从培养到收获，然后是基于膜的脱水和下游干燥，每

微藻生物质的生物能源转化
在基于膜的脱水之后，浓缩的微藻生物质可以作为多种生物能源转化途径的多用途和高价值原料。厌氧消化是最成熟的生化途径之一，其中微藻碳水化合物和蛋白质在厌氧条件下被微生物群落代谢产生沼气，主要是甲烷 (Sirohi 等人，2024)。沼气可用于直接燃烧、热电联产或升级为

未来展望
有机聚合物仍然是用于微藻脱水的压力驱动膜的基础，因为它们提供了在可变运行条件下调整渗透性、选择性、机械完整性和污染行为的通用平台。此处回顾的证据表明，聚合物选择和聚合物级工程强烈影响脱水效率和长期过程稳定性。基于 PVDF、PES 和 PSF 的膜都展现了明确的价值，但具有明显的

结论
有机聚合物在开发用于微藻脱水的压力驱动膜中起着核心作用，增强了在多种运行条件下的性能。像 PVDF、PES 和 PSF 这样的聚合物显示出巨大的潜力，可改善水通量、机械耐用性和抗污染性。PVDF 膜提供卓越的化学和热稳定性。PES 提供出色的亲水性和长期运行稳定性。PSF 膜被广泛报道表现出良好的

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CRediT 作者贡献声明
Deepa Suresh：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，项目管理，方法论，调查，概念化。Mohamad Fairus Rabuni：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，概念化。Hanee Farzana Hizaddin：撰写 – 审阅与编辑，资源。Adeline Seak May Chua：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资源。Chong Yang Chuah：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，概念化。

生成式 AI 和 AI 辅助技术在使用过程中的声明
在准备本手稿期间，作者仅使用 ChatGPT (OpenAI) 协助语言编辑并提高手稿的清晰度和可读性。AI 未用于生成或解释科学内容、数据分析或结论的形成。

未引用参考文献
Bhave 等人，2012
Castro-Mu?oz 和 Garcia-Depraect，2021
Elcik 等人，2015
Ermis 等人，2021
Garieri 等人，2024
Uduman 等人，2010
Wang 等人，2019
Zhang 等人，2010

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文报告的工作。

致谢
作者希望感谢马来亚大学博士后研究奖学金、马来亚大学转化研究基金 (TRG0016-2025) 以及工程学院研究特别援助 (BKP-FK-2024-02, UMG002A-2024) 提供的财政支持。

Deepa Suresh|Mohamad Fairus Rabuni|Hanee Farzana Hizaddin|Adeline Seak May Chua|Chong Yang Chuah
马来亚大学工程学院化学工程系，吉隆坡，50603，马来西亚