藻类燃料（Algae fuel），又称为藻类生物燃料或藻油是液体化石燃料的替代品，其使用藻类作为其富含能量的油的来源。 此外，藻类燃料是众所周知的生物燃料来源的替代品，例如玉米和甘蔗。 一些公司和政府机构正在资助降低资本和运营成本以及使藻类燃料生产具有商业可行性的努力。 与化石燃料一样，藻类燃料在燃烧时会释放出二氧化碳，但与化石燃料不同，藻类燃料和其他生物燃料只会释放最近从大气中通过光合作用从藻类或植物生长中排出的二氧化碳。 能源危机和世界粮食危机引发了人们对藻类（农业藻类）的兴趣，因为他们使用不适合农业的土地生产生物柴油和其他生物燃料。 在藻类燃料中，吸引人的特征是它们可以在对淡水资源影响最小的情况下生长，可以使用盐水和废水生产，具有高闪点，并且如果溢出则可生物降解并且对环境相对无害。 由于高资本和运营成本，藻类每单位质量的成本高于其他第二代生物燃料作物，但据称每单位面积的燃料产量增加10到100倍。 美国能源部估计，如果藻类燃料取代美国的所有石油燃料，则需要15,000平方英里（39,000平方公里），这仅占美国地图的0.42％，或约为陆地面积的一半。缅因州。 这不到2000年在美国收获的玉米面积的1/7。
藻类生物质组织负责人在2010年表示，如果获得生产税收抵免，藻类燃料可在2018年达到与石油价格相当的价格。 然而，在2013年，埃克森美孚董事长兼首席执行官雷克斯蒂勒森表示，在2009年与J. Craig Venter的合成基因组学公司合资开发后，他承诺在10年内花费高达6亿美元，埃克森公司在四年后退出（100美元）当它意识到藻类燃料“可能进一步”远离商业可行性25年时。 另一方面，Solazyme，Sapphire Energy和Algenol等公司分别于2012年，2013年和2015年开始商业销售藻类生物燃料。 到2017年，大部分工作已被放弃或改为其他应用程序，只剩下少数。
历史
1942年，Harder和Von Witsch首次提出将微藻作为食物或燃料的脂质来源。 第二次世界大战后，美国，德国，日本，英国和以色列开始研究大规模生长微藻的培养技术和工程系统，尤其是小球藻属。 同时，HG Aach表明，可以通过氮饥饿诱导小球藻（Chlorella pyrenoidosa）以积累多达其干重的70％作为脂质。 由于第二次世界大战后对替代运输燃料的需求已经消退，此时的研究主要集中在培养藻类作为食物来源，或者在某些情况下，用于废水处理。
在20世纪70年代的石油禁运和石油价格飙升期间，对藻类应用于生物燃料的兴趣重新燃起，导致美国能源部于1978年启动了水生物种计划。水生物种计划在18年内花费了2500万美元实现目标开发来自藻类的液体运输燃料，这些燃料与石油衍生燃料具有价格竞争力。 该研究计划的重点是开放式室外池塘中微藻的培养，这些池塘成本低但易受温度波动和生物入侵等环境干扰的影响。 从全国各地收集了3,000种藻类菌株，筛选出高生产力，脂质含量和耐热性等理想性质，最有希望的菌株被纳入Golden的太阳能研究所（SERI）的SERI微藻收集中，科罗拉多州并用于进一步研究。 该计划最重要的发现之一是快速生长和高脂质生产是“相互排斥的”，因为前者需要高营养，后者需要低营养。 最终报告表明，基因工程可能是必要的，以便能够克服藻类菌株的这种和其他自然限制，并且理想物种可能随地点和季节而变化。 虽然成功地证明了在户外池塘中大规模生产用于燃料的藻类是可行的，但该计划未能以与石油竞争的成本这样做，特别是在20世纪90年代油价下降时。 即使在最好的情况下，估计未提取的藻油每桶成本为59-186美元，而1995年石油成本低于每桶20美元。因此，在1996年的预算压力下，水生物种计划被放弃了。
其他对藻类生物燃料研究的贡献来自于侧重于藻类文化不同应用的项目。 例如，在20世纪90年代，日本地球创新技术研究所（RITE）实施了一项研究计划，其目标是开发利用微藻来固定二氧化碳的系统。 尽管目标不是能源生产，但RITE生产的几项研究表明，藻类可以利用发电厂的烟气作为二氧化碳来源种植，这是藻类生物燃料研究的重要发展。 其他工作重点是从藻类中收集氢气，甲烷或乙醇，以及营养补充剂和药物化合物，也有助于研究藻类生物燃料的生产。
在1996年解散水生物种计划之后，藻类生物燃料研究相对平静。 尽管如此，能源部，国防部，国家科学基金会，农业部，国家实验室，国家资金和私人资金以及其他国家在美国资助了各种项目。 最近，2000年代油价上涨刺激了对藻类生物燃料兴趣的复苏，美国联邦资金增加，许多研究项目在澳大利亚，新西兰，欧洲，中东和世界其他地区得到资助，一波私营公司已进入该领域（见公司）。 2012年11月，Solazyme和Propel Fuels首次销售藻类燃料，2013年3月，Sapphire Energy开始向Tesoro商业销售藻类生物燃料。
食物补充
藻油用作食品中脂肪酸补充剂的来源，因为它含有单不饱和脂肪和多不饱和脂肪，特别是EPA和DHA。 其DHA含量大致相当于鲑鱼为基础的鱼油。
燃料
根据技术和所用细胞的部分，藻类可以转化为各种类型的燃料。 藻类生物质的脂质或油性部分可以通过类似于用于任何其他植物油的方法提取并转化为生物柴油，或者在炼油厂中转化为石油基燃料的“滴入”替代物。 或者或在脂质提取之后，藻类的碳水化合物含量可以发酵成生物乙醇或丁醇燃料。
生物柴油
生物柴油是源自动物或植物脂质（油和脂肪）的柴油燃料。 研究表明，某些藻类可以以油的形式产生60％或更多的干重。 因为细胞在水悬浮液中生长，在那里它们更有效地获得水，二氧化碳和溶解的营养物，微藻能够在高速藻类池或光生物反应器中产生大量生物质和可用油。 然后可以将该油转化为生物柴油，其可以出售用于汽车。 区域生产微藻和加工成生物燃料将为农村社区带来经济利益。
由于它们不必为叶，茎或根生产纤维素等结构化合物，并且因为它们可以在富含营养的培养基中生长，所以微藻可以比陆地作物具有更快的生长速率。 此外，与常规作物相比，它们可以将更高比例的生物质转化为油，例如60％，而大豆则为2-3％。 根据脂质含量，藻类油的单位面积产量估计为58,700至136,900 L / ha /年，这是第二高产油棕，5 950 L的10至23倍。 /公顷/年。
美国能源部的水生物种计划，1978-1996，重点关注微藻生物柴油。 最终报告表明，生物柴油可能是生产足够燃料以取代目前世界柴油使用量的唯一可行方法。 如果藻类衍生的生物柴油将取代11亿吨常规柴油的年度全球产量，那么将需要5730万公顷的土地，与其他生物燃料相比，这将是非常有利的。
生物丁醇
丁醇可以仅使用太阳能生物精炼厂由藻类或硅藻制成。 该燃料的能量密度比汽油低10％，并且大于乙醇或甲醇的能量密度。 在大多数汽油发动机中，丁醇可用于代替汽油而无需改动。 在几个测试中，丁醇消耗量与汽油相似，并且当与汽油混合时，提供比乙醇或E85更好的性能和耐腐蚀性。
藻类油提取留下的绿色废物可用于生产丁醇。 此外，已经表明，大型藻类（海藻）可以通过梭菌属细菌发酵成丁醇和其他溶剂。
生物汽油
生物汽油是由生物质产生的汽油。 与传统生产的汽油一样，每分子含有6个（己烷）和12个（十二烷）碳原子，可用于内燃机。
甲烷
甲烷是天然气的主要成分，可以通过各种方法从藻类中生产，即气化，热解和厌氧消化。 在气化和热解方法中，甲烷在高温和高压下被提取。 厌氧消化是一种直接的方法，涉及将藻类分解成简单组分，然后使用诸如产酸菌之类的微生物将其转化为脂肪酸，然后除去任何固体颗粒，最后加入产甲烷菌以释放含甲烷的气体混合物。 许多研究已经成功地证明来自微藻的生物质可以通过厌氧消化转化为生物气。 因此，为了改善微藻培养操作的总体能量平衡，已经提出通过厌氧消化将废生物质中所含的能量回收到甲烷中以产生电力。
乙醇
由位于墨西哥索诺拉州Puerto Libertad的BioFields商业化的Algenol系统利用海水和工业废气生产乙醇。 由于Porphyridium cruentum具有积累大量碳水化合物的能力，因此也显示出可能适合于乙醇生产。
绿色柴油
藻类可以通过加氢处理精炼工艺生产“绿色柴油”（也称为可再生柴油，加氢处理植物油或氢衍生的可再生柴油），该工艺将分子分解成柴油发动机中使用的较短的烃链。 它具有与石油基柴油相同的化学特性，这意味着它不需要新的发动机，管道或基础设施来分配和使用。 它尚未以与石油竞争的成本生产。 虽然加氢处理是目前通过脱羧/脱羰生产类燃料碳氢化合物的最常见途径，但是有一种替代方法与加氢处理相比具有许多重要的优点。 在这方面，Crocker等人的工作。 和Lercher等人。 特别值得注意的是。 对于炼油，正在进行通过脱羧催化转化可再生燃料的研究。 由于氧气以相当低的水平存在于原油中，约为0.5％，因此石油精炼中的脱氧不是很重要，并且没有专门配制用于含氧化合物加氢处理的催化剂。 因此，使藻油加氢脱氧工艺经济可行的关键技术挑战之一与有效催化剂的研究和开发有关。
喷气燃料
早在2008年，汉莎航空公司和维珍航空公司就使用藻类作为生物燃料进行了试验，尽管几乎没有证据表明使用藻类是喷射生物燃料的合理来源。 到2015年，藻类Isochrysis的脂肪酸甲酯和烯酮的培养作为一种可能的喷气生物燃料原料正在研究中。
截至2017年，从藻类生产喷气燃料几乎没有进展，预测到2050年藻类只能提供3％至5％的燃料需求。此外，21世纪初形成的藻类公司作为藻类生物燃料行业已经关闭或改变了其他商品的业务发展，如化妆品，动物饲料或特种油品。
种类
对大规模生产石油的藻类的研究主要集中在微藻（能够光合作用的生物，其直径小于0.4毫米，包括硅藻和蓝细菌），而不是海藻等大型藻类。 对微藻的偏爱主要是由于它们结构不太复杂，生长速度快，油含量高（对某些物种而言）。 然而，正在进行一些关于将海藻用于生物燃料的研究，可能是由于该资源的高可用性。
截至2012年，全球各地的研究人员已开始调查以下物种作为大规模石油生产者的适用性：
Botryococcus braunii
小球藻
杜氏藻（Dunaliella tertiolecta）
龙须
Pleurochrysis carterae（也称CCMP647）。
羊栖菜，是龙须菜产量的10倍。
每种藻类产生的油量变化很大。 注意以下微藻及其各种油脂产量：
Ankistrodesmus TR-87：干重28-40％
Botryococcus braunii：29-75％dw
小球藻属：29％dw
原壳小球藻（自养/异养）：15-55％dw
Crypthecodinium cohnii：20％dw
Cyclotella DI- 35：42％dw
Dunaliella tertiolecta：36-42％dw
Hantzschia DI-160：66％dw
Nannochloris：31（6-63）％dw
微绿球藻：46（31-68）％dw
微绿球藻和生物燃料
Neochloris oleoabundans：35-54％dw
Nitzschia TR-114：28-50％dw
Phaeodactylum tricornutum：31％dw
Scenedesmus TR-84：45％dw
Schizochytrium 50-77％dw
Stichococcus：33（9-59）％dw
Tetraselmis suecica：15-32％dw
Thalassiosira pseudonana：（21-31）％dw
此外，由于其高生长率，Ulva已被作为用于SOFT循环的燃料（SOFT代表Solar Oxygen Fuel Turbine）进行调查，这是一种适用于干旱，亚热带的封闭循环发电系统区域。
其他使用的物种包括Clostridium saccharoperbutylacetonicum，Sargassum，Gracilaria，Prymnesium parvum和Euglena gracilis
营养素和生长投入
光是藻类主要需要生长的因素，因为它是最受限制的因素。 许多公司正在投资开发用于提供人造光的系统和技术。 其中之一是OriginOil开发了Helix BioReactorTM，它具有旋转垂直轴，低能量灯以螺旋形排列。 水温也会影响藻类的代谢和繁殖速度。 虽然大多数藻类在水温较低时生长速度较慢，但由于没有放牧生物，藻类群落的生物量会变大。 水流速度的适度增加也可能影响藻类生长速率，因为养分吸收速率和边界层扩散随着当前速度而增加。
除光和水外，磷，氮和某些微量营养素对藻类的生长也很有用。 氮和磷是藻类生产力所需的两种最重要的营养素，但还需要其他营养素，如碳和二氧化硅。 在所需的营养素中，磷是最重要的营养素之一，因为它被用于许多代谢过程中。 分析微藻D. tertiolecta以观察哪种营养素对其生长的影响最大。 磷（P），铁（Fe），钴（Co），锌（Zn），锰（Mn）和钼（Mo），镁（Mg），钙（Ca），硅（Si）和硫（每天使用电感耦合等离子体（ICP）分析测量S）浓度。 在测量的所有这些元素中，磷导致最显着的降低，在培养过程中降低了84％。 该结果表明，磷酸盐形式的磷是所有生物体都需要大量代谢的。
有两种富集培养基广泛用于种植大多数藻类：Walne培养基和Guillard’s F / 2培养基。 这些市售的营养液可以减少制备藻类生长所需的所有营养素的时间。 然而，由于它们在生成过程中的复杂性和高成本，它们不用于大规模的培养操作。 因此，用于大规模生产藻类的富集培养基仅含有农业级肥料而非实验室级肥料的最重要营养素。
养殖
藻类的生长速度远远超过粮食作物，与油菜籽，棕榈树，大豆或麻风树等常规作物相比，单位面积产油量可以增加数百倍。 由于藻类具有1-10天的收获周期，因此它们的种植允许在非常短的时间内进行多次收获，这种策略与一年生作物相关的策略不同。 此外，藻类可以生长在不适合陆地作物的土地上，包括干旱的土地和土壤过多的土壤，最大限度地减少与农业的竞争。 大多数关于藻类培养的研究都集中在清洁但昂贵的光生物反应器或开放式池塘中生长藻类，这些池塘维护成本低但容易受到污染。
闭环系统
缺乏大量开始生长藻类所需的设备和结构已经抑制了用于生物燃料生产的藻类的广泛大规模生产。 目标是最大限度地利用现有的农业过程和硬件。
封闭系统（不暴露在空气中）避免了被空气吹入的其他生物污染的问题。 封闭系统的问题是找到廉价的无菌二氧化碳来源。 几位实验人员发现，烟囱中的二氧化碳很适合种植藻类。 出于经济原因，一些专家认为生物燃料的藻类养殖必须作为热电联产的一部分进行，在那里它可以利用废热并帮助吸收污染。
光生物反应器
大多数追求藻类作为生物燃料来源的公司通过暴露在阳光下的塑料或硼硅酸盐玻璃管（称为“生物反应器”）（以及所谓的光生物反应器或PBR）泵送富含营养的水。
运行PBR比使用开放池塘更困难，而且成本更高，但可以提供更高水平的控制和生产力。 此外，光生物反应器可以比池塘或其他方法更容易地集成到闭环热电联产系统中。
打开池塘
开放式池塘系统由简单的地下池塘组成，通常由桨轮混合。 与闭环光生物反应器系统相比，这些系统具有低功率要求，运行成本和资本成本。几乎所有用于高价值藻类产品的商业藻类生产者都使用开放式池塘系统。
草坪洗涤器
藻类洗涤器是一种主要用于使用藻类草皮清除水中营养物和污染物的系统。 ATS通过从废物流或天然水源中摄取营养丰富的水，并在倾斜的表面上脉动，模仿天然珊瑚礁的藻类草皮。 该表面涂有粗糙的塑料膜或筛网，这使得天然存在的藻类孢子沉降并定植在表面上。 一旦藻类建立，它可以每5-15天收获一次，每年每公顷可以产生18公吨的藻类生物量。 与主要关注单一高产藻类的其他方法相比，该方法着重于天然存在的藻类多种培养物。 因此，ATS系统中藻类的脂质含量通常较低，这使其更适合于发酵燃料产品，例如乙醇，甲烷或丁醇。 相反，收获的藻类可以用水热液化工艺处理，这将使生物柴油，汽油和喷气燃料生产成为可能。
与其他系统相比，ATS有三大优势。 第一个优势是开放池塘系统的生产率更高。 第二是降低运营和燃料生产成本。 第三是消除由于依赖天然存在的藻类而导致的污染问题。 ATS系统的能源生产预计成本为0.75美元/千克，而光生物反应器的成本为3.50美元/千克。 此外，由于ATS的主要目的是从水中去除养分和污染物，并且已经证明这些成本低于其他营养物去除方法，这可能会激励这种技术用于去除营养物质。主要功能，生物燃料生产作为额外的好处。
燃料生产
在收获藻类之后，通常以一系列步骤处理生物质，这些步骤可以根据物种和所需产物而不同; 这是一个活跃的研究领域，也是这项技术的瓶颈：提取成本高于获得的成本。 其中一个解决方案是使用滤食器来“吃掉”它们。 改良动物可以提供食物和燃料。 提取藻类的另一种方法是用特定类型的真菌生长藻类。 这导致藻类的生物絮凝，这允许更容易的提取。
脱水
通常，将藻类脱水，然后使用诸如己烷的溶剂从干燥的材料中提取富含能量的化合物，例如甘油三酯。 然后，可以使用标准工业程序将提取的化合物加工成燃料。 例如，提取的甘油三酯与甲醇反应以通过酯交换产生生物柴油。 每种物种的独特脂肪酸组成都会影响所得生物柴油的质量，因此在选择藻类作为原料时必须考虑到这一点。
水热液化
另一种称为水热液化的方法采用连续工艺，使收获的湿藻类经受高温和高压 – 350°C（662°F）和3,000磅/平方英寸（21,000 kPa）。
产品包括原油，可以使用一种或多种升级工艺进一步精炼成航空燃料，汽油或柴油燃料。 测试过程将50％至70％的藻类碳转化为燃料。 其他产出包括清洁水，燃气和氮，磷，钾等养分。
营养成分
氮（N），磷（P）和钾（K）等营养素对植物生长很重要，是肥料的重要组成部分。 二氧化硅和铁以及几种微量元素也可以被认为是重要的海洋营养素，因为缺乏一种可以限制一个区域的生长或生产力。
二氧化碳
通过藻类培养系统鼓泡二氧化碳可以大大提高生产率和产量（达到饱和点）。 通常，每生产一吨藻类生物质（干燥）将使用约1.8吨二氧化碳，尽管这随藻类物种而变化。 位于英国珀斯郡的Glenturret酿酒厂 – 着名的松鸡威士忌的家 – 通过微藻生物反应器在威士忌蒸馏过程中制成的二氧化碳渗滤液。 每吨微藻吸收2吨二氧化碳。 负责该项目的苏格兰生物能源公司将微藻作为高价值，富含蛋白质的渔业食品出售。 将来，他们将利用藻类残留物通过厌氧消化产生可再生能源。
氮
氮是可用于藻类生长的有价值的底物。 各种氮源可用作藻类的营养物，具有不同的容量。 就生长的生物量而言，发现硝酸盐是优选的氮源。 尿素是一种易于获得的来源，具有可比较的结果，使其成为大规模藻类培养中氮源的经济替代品。 尽管与无氮培养基相比生长明显增加，但已显示氮水平的改变影响藻细胞内的脂质含量。 在一项研究中，72小时的氮剥夺导致总脂肪酸含量（基于每个细胞）增加2.4倍。 当与初始培养物相比时，65％的总脂肪酸被酯化成油体中的三酰基甘油酯，表明藻类细胞利用脂肪酸的从头合成。 至关重要的是藻类细胞中的脂质含量足够高，同时保持足够的细胞分裂时间，因此可以最大化两者的参数正在研究中。
废水
可能的营养来源是污水处理，农业或洪泛平原径流的废水，这些都是目前主要的污染物和健康风险。 然而，这种废水不能直接喂养藻类，必须首先通过厌氧消化细菌进行处理。 如果废水在到达藻类之前没有被处理，它将污染反应器中的藻类，并且至少会杀死大部分所需的藻类菌株。 在沼气设施中，有机废物通常转化为二氧化碳，甲烷和有机肥料的混合物。 从蒸煮器出来的有机肥料是液体，几乎适合藻类生长，但必须首先进行清洁和消毒。
由于淡水资源的持续枯竭，强烈建议使用废水和海水代替淡水。 然而，废水中的重金属，痕量金属和其他污染物会降低细胞生物合成产生脂质的能力，并影响细胞机器中的各种其他工作。 海水也是如此，但污染物的浓度不同。 因此，农业级肥料是优选的营养来源，但重金属也是一个问题，特别是对于对这些金属敏感的藻类品种。 在开放池塘系统中，使用可以处理高浓度重金属的藻类菌株可以防止其他生物侵袭这些系统。 在某些情况下甚至已经表明，藻类菌株可以在相对短的时间内从工业废水中去除90％以上的镍和锌。
对环境造成的影响
与基于陆地的生物燃料作物（如玉米或大豆）相比，由于微藻的石油产量高于其他所有油料作物，微藻生产导致土地占地面积显着减少。 藻类也可以生长在普通作物无用的边缘土地上，具有低保护价值，并且可以使用对农业或饮用无用的盐含水层中的水。 藻类也可以在袋子或浮动屏幕的海洋表面生长。 因此，微藻可以提供清洁能源，对提供充足的食物和水或保护生物多样性几乎没有影响。 藻类种植也不需要对杀虫剂或除草剂进行外部补贴，从而消除产生相关农药废物流的任何风险。 此外，藻类生物燃料的毒性要小得多，并且比石油基燃料更容易降解。 但是，由于任何可燃燃料的易燃性，如果在火车脱轨或管道泄漏时可能发生点燃或溢出，则可能存在一些环境危害。 与化石燃料相比，这种危害降低了，因为藻类生物燃料能够以更加局部的方式生产，并且由于整体毒性较低，但仍存在危险。 因此，藻类生物燃料应在运输和使用中以类似于石油燃料的方式进行处理，并始终采取足够的安全措施。
研究已经确定，用生物燃料等可再生能源替代化石燃料，可以减少高达80％的二氧化碳排放量。 当有阳光时，基于藻类的系统可以捕获发电厂排放的大约80％的二氧化碳。 虽然这种二氧化碳随后会在燃料燃烧时释放到大气中，但这种二氧化碳无论如何都会进入大气层。 因此，减少二氧化碳总排放量的可能性在于防止化石燃料中的二氧化碳释放。 此外，与柴油和石油等燃料相比，甚至与其他生物燃料来源相比，藻类生物燃料的生产和燃烧不会产生任何硫氧化物或氮氧化物，并产生减少量的一氧化碳，未燃烧的碳氢化合物，并减少排放其他有害污染物。 由于生物燃料生产的陆地植物来源根本不具备满足当前能源需求的生产能力，因此微藻可能是接近完全替代化石燃料的唯一选择之一。
微藻生产还包括使用盐水废物或废二氧化碳流作为能源的能力。 这开辟了与废水处理相结合生产生物燃料的新战略，同时能够生产清洁水作为副产品。 当用于微藻生物反应器时，收获的微藻将捕获大量有机化合物以及从废水流中吸收的重金属污染物，否则这些污染物将直接排放到地表水和地下水中。 此外，这一过程还允许从废物中回收磷，这是自然界中必不可少的稀缺元素 – 估计其储量在过去50年中已经耗尽。 另一种可能性是在称为藻类草皮洗涤器（ATS）的系统中使用藻类生产系统来清除非点源污染。 这已被证明可以降低受富营养化影响的河流和其他大型水体中的氮和磷含量，并且正在建造能够每天处理高达1.1亿升水的系统。 ATS还可用于处理点源污染，例如上述废水，或处理牲畜污水。