综述：微藻生产中脱水与干燥能源需求综述：产业应用及生物经济一体化的路径

　　本综述系统探讨了微藻规模化生产中的核心瓶颈——高能耗的脱水与干燥技术，并提出了切实可行的解决路径。文章详细评述了各类脱水（如絮凝、离心、过滤）与干燥（如喷雾干燥、冷冻干燥、滚筒干燥）技术的优劣，重点强调了通过工艺优化、余热回收、热泵（Heat Pump）集成及工业共生（Industrial Symbiosis）等策略降低能耗的重要性。作者指出，利用工业侧流（如废水、余热、烟道气）进行循环生产，是推动微藻产业实现成本效益与可持续发展、并最终契合联合国可持续发展目标（SDGs 7, 12, 13）的关键。

　　

微藻生产的挑战与机遇

微藻作为一种极具潜力的生物资源，因其能生产高品质脂肪酸、氨基酸和色素而备受关注，应用领域涵盖食品、饲料及旨在应对气候变化和促进可持续生产过程的生物技术系统。然而，微藻在水体中浓度极低，要获得可用于工业的生物质，必须经过脱水与干燥处理，这两个过程能量密集型的特点构成了其成本效益化、大规模生产的主要障碍。

脱水实践

脱水旨在增加培养液中生物质的浓度，通常分为初级和次级两个阶段。初级脱水旨在将总悬浮固体（TSS）浓度提升至2-7%，常用方法包括絮凝、沉降或浮选。次级脱水则进一步将生物质浓缩至15-25% TSS，常采用离心或过滤。

絮凝

絮凝是一种广泛采用的脱水方法，其原理是通过加入絮凝剂使微藻细胞聚集形成絮团，便于分离。它操作简单、成本低、能效高且能处理大体积溶液。

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  化学絮凝：使用铝盐、铁盐等化学絮凝剂，效率高但可能存在金属残留毒性问题。

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  生物絮凝：利用微生物（如细菌、真菌或其他微藻）产生的胞外聚合物作为絮凝剂，更为环境友好，但存在微生物污染风险。

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  物理絮凝：采用电场（电絮凝）、磁场或超声波等技术，避免了化学或生物污染，但设备成本和运行条件要求较高。

沉降

沉降依靠重力进行固液分离，成本低，但耗时较长，通常需通过调节pH或添加絮凝剂来提高效率。

浮选

浮选通过向体系中引入气泡，使疏水性微藻颗粒附着在气泡上并上浮至液面后撇除。根据气泡产生方式可分为分散空气浮选(DAF)、溶解空气浮选(DiAF)和电解浮选(ECF)。其效率与微藻的疏水性和体系 salinity 密切相关。

离心

离心是高效的机械脱水方法，捕获效率可达90%以上，适用于大规模工业应用。但其能耗极高，是限制其用于低价值产品生产的主要因素。优化离心参数（如转速、半径）和选择合适的离心机类型（管式、碟片式、倾析式）对降低能耗和保持细胞完整性至关重要。

过滤

过滤基于颗粒大小进行分离，技术包括微滤、超滤、动态膜过滤和正向渗透（FO）等。膜污染和能耗是主要挑战。新兴的正向渗透技术利用渗透压差进行浓缩，显示出膜污染倾向低和能耗相对较低的优点。

干燥技术

干燥旨在通过蒸发去除大部分水分，将产品含水量降至10%以下，以延长保质期并便于运输储存。干燥过程可能对温度敏感的营养成分和色素造成损害。

日晒与太阳能干燥

这是最成本低廉的方法，但干燥时间长、需要大面积场地且对过程参数控制力弱，易导致产品污染和质量下降。集成辅助加热系统的太阳能干燥器可在一定程度上保证产品质量。

对流干燥

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  盘式干燥：在柜式或箱式干燥器中，将物料平铺在托盘上用热空气干燥。操作简单，适合小规模生产，但干燥时间长，且托盘位置固定可能导致产品质量不均。

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  隧道与带式干燥：物料在传送带或托盘上连续通过热空气流，适用于大规模生产，但占地面积大。

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  喷雾干燥：将料液雾化成微小液滴后与热空气接触，瞬间干燥。干燥时间短（1-10秒），产品质量较好，是工业上成熟应用的技术。但需要物料具有较高的初始含水量以利于雾化，增加了整体能耗。

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  脉冲燃烧干燥：一种改进的喷雾干燥技术，利用脉冲燃烧产生的高温脉动气流同时完成雾化和干燥。效率高于传统喷雾干燥，可处理高粘度物料，但存在噪音问题。

滚筒干燥

通过蒸汽加热金属滚筒，使在其表面形成薄层的物料水分迅速蒸发。该技术效率高，可同时实现灭菌，并能处理浓度较高的浆料，减少了前序脱水负担。但干燥温度高（常超过100°C），可能对产品品质造成不利影响。真空滚筒干燥可在较低温度下运行，但成本更高。

冷冻干燥

通过冷冻并在真空下使水分升华而实现干燥。能最大限度地保留产品的营养成分、色素和风味，产品质量最佳。但其设备投资和运行能耗极高，通常只适用于高附加值产品。

产业应用的障碍与推动力

微藻产业化的根本障碍在于高昂的生产成本，其核心是脱水与干燥过程巨大的能源消耗。干燥步骤的能耗可占整个采收和干燥成本的70-75%。推动产业应用需从降低能耗和利用低成本资源两方面入手。

降低干燥能耗的路径

1. 1.

   优化脱水与干燥技术的组合：脱水去除单位水量所需的能量比干燥低三个数量级。因此，通过优化脱水工艺（如离心、过滤）最大限度地降低进入干燥机的物料含水量，能显著减少整体能耗。例如，将污泥含水量从80%机械脱水至70%，可使后续干燥能耗降低67%。

2. 2.

   干燥废气余热回收：对流干燥机的排气中含有大量显热和潜热。通过部分废气再循环或使用热交换器预热进气，可以回收这部分能量。研究表明，通过热回收可将喷雾干燥的能耗降至0.7 kWh/kg_{removed water}。

3. 3.

   集成工业热泵：热泵利用电能将低品位热源的热能提升至所需温度，能效高于直接电加热或燃气锅炉。干燥所需的温度水平（通常<150°C）使其成为热泵的理想应用场景。利用干燥废气或其他工业余热作为热源，热泵干燥系统可比传统方式节能60-80%，能耗可低至0.2 kWh/kg_{removed water}。尽管初始投资较高，但长期运行成本更低，且有助于减少二氧化碳排放。

4. 4.

   利用邻域工业余热——工业共生：将微藻干燥设施布局在有稳定工业余热（如电厂冷却水、工业废气热量）排出的工厂附近，利用这些低成本甚至零成本的废热进行干燥，是降低运营成本、提高经济可行性的有效策略。成功的工业共生需要跨企业的合作、信任以及必要的基础设施投资。

工业共生与循环经济

工业共生不仅限于余热利用，更包括对各类工业侧流的资源化利用。

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  烟道气利用：利用富含CO₂、NO_x、SO_x的工业烟道气作为微藻生长的碳源和营养源，既能促进微藻生长，又能减少工业温室气体排放。成功案例如挪威利用硅铁生产厂的烟道气大规模培养海洋硅藻，作为三文鱼饲料的可持续原料。

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  废水利用：利用富含氮、磷等营养素的工业废水或城市污水培养微藻，可实现废水净化和生物质生产的双重目的。

  在这些应用中，必须密切监测生物质中的重金属含量，确保最终产品（食品、饲料、保健品等）的安全性。工业共生体现了循环经济原则，通过将传统意义上的“废物”重新估值，提升了整个工业集群的资源效率和环境绩效，契合联合国可持续发展目标（SDG 7 经济适用的清洁能源, SDG 12 负责任消费和生产, SDG 13 气候行动）。

结论

微藻的工业化生产正处于快速发展阶段，但其高能耗的脱水与干燥过程仍是主要瓶颈。本文综述了现有技术的优缺点，并指出通过工艺优化、热集成（余热回收、热泵）和工业共生等策略，可以有效降低能耗和生产成本，推动微藻在食品、饲料和生物技术领域的规模化应用。未来的发展应注重系统性的评估，不仅要看微藻生产本身的效率，更要衡量工业共生体系整体的环境效益和经济价值，从而真正实现可持续的生物经济。