综述：微藻生物精炼厂：技术权衡与创新路径的系统综述

这篇综述系统评估了微藻生物精炼厂（Microalgal Biorefineries）全价值链的技术-经济-环境平衡，重点探讨了从上游培养（如光生物反应器PBR与开放池的CAPEX/OPEX权衡）、中游采收（如离心能耗0.8-1.2 kWh m-3）到下游转化（如酯交换法生产生物柴油）的关键瓶颈，提出通过代谢工程（如CRISPR-Cas9提升脂质含量30-50%）和AI驱动的优化实现循环经济应用。

　　

微藻生物精炼厂：可持续能源与高值产物的跨界革命

藻类生物质的战略价值

微藻凭借其超高光合效率（9-10%光能转化率）和丰富生化组成（脂质50-70%、碳水化合物、蛋白质），成为生物经济中的“全能选手”。以产油藻种布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）为例，其脂质含量可达干重的80%，单位面积年产量达280吨/公顷，远超传统油料作物。更关键的是，微藻能在非耕地利用废水或海水生长，避免与粮食生产竞争资源。

全产业链技术突破与挑战

上游培养：封闭式光生物反应器（PBR）虽能实现可控培养（生物量浓度2-3 g L^-1），但建造成本比开放池高200-300%；而开放池易受蒸发和污染影响，导致产量波动。最新混合培养架构试图平衡这一矛盾。

中游处理：采收环节能耗占全过程25-30%，离心（效率≥90%）需0.8-1.2 kWh m^-3，而化学絮凝可能污染下游产物。脱水干燥更是“能耗黑洞”，热干燥需>3 MJ kg^-1能量，冻干技术则因成本过高难以规模化。

下游转化：细胞破碎技术如珠磨（能耗>1 kWh kg^-1）与超临界CO₂提取（设备成本>500万美元）尚未兼顾效率与经济性。多产物联产（如脂质+蛋白）的级联分馏平台成为研究热点。

高值化应用图谱

• •

  能源产品：通过酯交换反应将藻油转化为生物柴油（FAME），或发酵藻类淀粉生产生物乙醇；厌氧消化每克挥发性固体可产0.35 L甲烷，残渣还能作肥料。

• •

  健康产品：藻源Omega-3（EPA/DHA）替代鱼油，缓解过度捕捞；多糖和类胡萝卜素用于抗衰老化妆品。

• •

  材料创新：聚羟基脂肪酸酯（PHA）和聚乳酸（PLA）等可降解生物塑料，降解周期比石油基塑料缩短80%。

经济与环境博弈

当前藻类生物柴油成本（6-8美元/加仑）仍高于石化柴油（2.5美元/加仑），但结合废水处理可降低养分成本。生命周期分析（LCA）显示，若采用工业废气CO₂和非饮用水培养，碳减排潜力超50%。

未来突破方向

• •

  基因编辑：CRISPR-Cas9已使四爿藻（Tetraselmis sp.）脂质产量提升3.1倍；

• •

  智能监控：IoT技术实时优化培养参数，AI模型预测藻种生长；

• •

  政策协同：需建立统一的藻类产品监管框架，推动碳交易市场整合。

微藻生物精炼厂正从实验室走向产业化，其成功将取决于技术、成本和政策的协同创新，最终实现“负碳生产”的绿色愿景。