基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析.pdf

第 卷第 期 年 月生 物 加 工 过 程 ：收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：刘格格（），女，湖南衡阳人，硕士研究生，研究方向：微藻培养条件的控制、生物质能源经济性评价；吴 晶（联系人），副教授，：引文格式：刘格格，吴晶基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析生物加工过程，（）：，（）：基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析刘格格，吴 晶，（华中科技大学 中欧清洁与可再生能源学院，湖北 武汉；华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉）摘 要：经济成本过高阻碍了微藻产品的产业化，而国内目前缺乏有关微藻产品技术经济分析的研究。为探究更符合我国国情的降低微藻产品成本的策略，本文采用结合地域气候和藻种特性的微藻生长模型，对基于管道式光生物反应器的藻粉（含水量为 的微藻生物质）生产过程进行技术经济分析，讨论了价格和工艺两大类共 个参数以及生产规模对藻粉总成本的影响程度，并对影响经济成本的主要参数进行情景设计。结果显示，普通小球藻（）藻粉产量受地域和季节影响较大，对位于浙江省乐清市规模为 的生产基地，藻粉年产量约 ，成本为￥。直接人工费、生长温度、光合效率和年运行时间是影响藻粉总成本的四个重要参数，最具成本吸引力的产业化规模约为 。考虑了降价空间和技术进步的某未来情景下藻粉成本可降至￥，该值与近年来文献给出的亚洲西南部和欧洲各地商业规模的微藻干物质成本较为接近。本文的研究可为我国微藻产品产业化的发展提供一定的理论和数据参考。关键词：成本估算；管道式光生物反应器；藻粉；技术经济分析；敏感性分析中图分类号：；文章编号：（），（，；，）：，（）（），￥，￥，：；微藻是一种重要的生物质资源，能生产形式多样的产品，常见的有藻粉、藻类蛋白、藻油和生物柴油等。由于微藻可通过光合作用固定大量的，所以基于微藻来生产这些产品，在碳达峰、碳中和背景下极具开发潜力。然而，经济成本过高阻碍了微藻产品的产业化。等发现，即使在大规模培养条件下，微藻生物柴油的成本仍然是现有柴油成本的 倍。我国的微藻培养仍以分散的小规模为主，养殖效率较低，这进一步制约了我国藻类产业的发展。因此，分析微藻产品的成本构成，给出生产环节的优化策略，从而降低总成本是实现微藻产品产业化的有效途径之一。国外已开展了一些关于微藻产品的技术经济分析。然而，这些研究均基于国外地区的地理气候条件、人工成本与原料价格等，与我国的实际情况不完全相符，研究结果难以对我国的微藻产业化发展提供理论和决策参考。与国外相比，国内这方面的研究还很缺乏，仅有杨艳丽依据中国市场行情对基于开放池培养的微藻生物柴油进行了经济成本估算及影响因素分析，但该研究设定了某固定的微藻产量，尚未考虑地区的气候因素（如太阳辐射、气温等）对产量的影响。此外，有研究指出，与开放池相比，封闭的管道式光生物反应器在高密度和高纯度微藻培养方面更具发展前景，因而有必要对基于管道式光生物反应器培养的微藻产品进行技术经济分析。藻粉是含水量低于 的微藻生物质，它含有丰富的蛋白质、不饱和脂肪酸和氨基酸，在饲料、保健品、食品和药品等领域有着较大的市场价值和广阔的应用前景，同时藻粉生产所涉及的微藻培养、收获和干燥等工艺也是藻类深加工产品（如藻油、生物柴油等）的生产基础。基于以上考虑，本研究以管道式光生物反应器为微藻培养系统，普通小球藻（）为藻种，采用结合了气候条件和藻种特性的微藻生长模型，对藻粉生产进行技术经济分析，计算藻粉总成本，并进行敏感性分析及规模效应分析，探究影响总成本的重要因素，并给出优化情景和降成本策略，以期为我国藻业发展提供参考依据。材料与方法 培养条件和工艺路线管道式光生物反应器由上海光语生物科技有限公司设计和生产，反应器容积为 ，占地为 ，每台反应器配有气体混合配比器、曝气泵、藻液循环泵及输送泵。选取浙江省乐清市作为微藻培养及藻粉生产地点，该地区气候温和，光照适宜，较适合微藻生长。生产基地总占地 ，其中微藻养殖占地 ，放置 台管道式光生物反应器；附加区域占地 ，包括办公区、实验室（用于藻种的保存及扩大培养）和收获干燥厂房区，如图（）所示。图（）为藻种到藻粉的工艺路线图。藻种经实验室扩大培养后转移至反应器中培养，营养物质由 培养基提供。气体 经混合配比器与空气混合后以（体积分数）通入反应器。当微藻生长到一定密度后，藻液由输送泵经管道送至收获干燥厂房区，经过离心分离法采收后，再通过喷雾干燥技术进行干燥，最终得到含水量低于 的藻粉。微藻生长模型根据文献的微藻生长模型，微藻干物质的月产量（）为 第 期刘格格等：基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析图 微藻生产基地布局及工艺路线 （）（）式中：为月均太阳辐射量，（）；为反应器占地面积，；为葡萄糖的能量含量，为 ；为光合效率，其数值与反应器类型有关，管道式光生物反应器的对应值约为 ，本研究所采用的反应器形式与 等和 等的相近，故根据他们的研究结果，光合效率取；、和 分别为碳水化合物、脂质、蛋白质和灰分在微藻干物质中的质量分数，对于普通小球藻，有 、和 ；和 分别为碳源和营养物质影响因子，假设营养物充足，故二者均取为；为藻种的生长温度影响因子，基于 等的藻类生长模型，可表示为（）（）式中：为微藻的实际生长温度，；为藻种的最佳生长温度，本文中普通小球藻的最佳生长温度取为 ；为经验常数，对于普通小球藻，取 。为年运行时间系数，表达式为 （）式中：为每年因反应器清洗、生物污染及员工休息而停机的天数，本文假设为 ，。收获和干燥过程参数的确定每月所收获的藻液体积（）为（）式中：为微藻的最大生长密度，本文取 。生产系统的工作方式为半连续式，依据每月收获体积和离心天数，计算日离心量，在其最大值基础上增加 作为离心机容量的选取标准。根据干燥前后产品的干物质含量百分比可得干燥步骤中每月的蒸发水量（），即（）式中：为离心机效率，取；和 分别为藻泥和藻粉中所含干物质的质量百分比，分别取和，。与离心机容量的选取方式类似，在日蒸发水量最大值的基础上增加 作为干燥机容量的选取标准。经喷雾干燥得到的最终产品（藻粉）的质量（）为生 物 加 工 过 程第 卷（）成本计算总成本 通常由生产成本和期间费用两部分组成。生产成本包括直接材料费、直接人工费、设备折旧费、维修、税收及其他费用；期间费用 包括管理费用、财务费用与销售费用，即 （）式中：各物理量的单位为￥，取设备总费用（表）的；取 与 之和的；其余各项的计算如下。直接材料费直接材料费主要由土地、藻种、营养物质、碳源、水、能源和产品包装费构成。）土地。根据 年 月 日起乐清市实施的基准地价标准，工业用地价格为 万元 亩。）藻种。本研究中，藻种费仅考虑了初次购买花费，后续培养所需的藻种可由初级扩培获取。假设藻种采购费为￥。）营养物质。根据 培养液的配比及稀释比例，计算每立方米藻液需要添加的第 种化学药品（、和 等）的量（），从而估算营养物质费（￥）为（）式中：为第 种化学药品的价格（￥），可参考中国化工产品网。）碳源。工业 的耗量（）（）为（）（）（）（）（）式中：为每克微藻干物质所含碳的质量分数，本文取 ；（）为工业 的体积分数，本文取 ；（）为 气瓶的标准充装密度，为 ；（）为微藻对 的吸收率，本文取。依据市场价格，取 的售价为￥。）水耗。微藻离心收获后，将一部分上清液循环回反应器以降低用水量，但在清洁反应器及因生物污染而培养失败（年均 次）时需更换新水，以保持微藻的持续快速生长。假设每两个月清洗一次并换水一次，则每月水耗（）（）可估算为（）（）（）（）（）（）式中：（）为水的密度，；为上清液的循环使用率，取；为生产基地中反应器的总容积，。参考乐清工业用水价格，水价取￥。）能耗。能源消耗主要为电耗。生产过程中涉及的用电设备有离心机、干燥机、循环泵、气泵和输送泵，每月总耗电量（）可按式（）估算（）式中：为设备 的月运行时间，；为设备 的额定功率，。参考乐清工业用电价格，电价取￥（）。）产品包装。产品（藻粉）用承受质量 的包装桶包装，包装费约为￥。直接人工费该项费用表现为聘任工作人员所支出的薪资。根据该中试基地的藻粉生产工艺和生产力所聘任的各岗位人数及薪资情况详见表。设备折旧费设备折旧采用年限平均折旧法，具体计算见式（）。（）式中：为初始投资总额（元），包括设备费，厂房、管道及实验室所需的建设费，现场经费，安装费和其他费用，其中设备费详见表，其余 项费用分别取为设备费的、和；为预计的净残值率，本文取；为折旧年限，取 年。敏感性分析敏感性分析是经济决策中最常用的一种不确定性分析方法。该方法是通过测定项目的各影响因素的变化所导致的项目经济评价指标（如成本、净现值等）的变化幅度，找出对经济评价指标影响较大的因素 敏感因素，使决策者了解项目各方案可能出现的经济效果变动情况，为选取有效可行的投资方案提供决策依据。本研究运用敏感性分析方法，计算价格和工艺两大类共 个参数的变化所引起的藻粉总成本的变化幅度，以找到对总成本影响较大的参数，并提出相应的降成本策略，其 第 期刘格格等：基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析中总成本的变化幅度 计算见式（）。（）式中：为原总成本，￥；为原总成本与变化后的总成本的差值，￥。规模放大公式当生产规模从中试扩大到产业化时，生产项目的初始投资总额、附加区域的占地面积和雇佣的人工数量均可按规模放大公式（）计算，。（），（），（）（）式中：和 分别为中试和产业化生产时微藻养殖区域的占地面积，；和、和 （）、和分别为中试生产和产业化生产所对应的初始投资总额（元）、附加区域占地面积（）和雇佣的人工数；为指数因子，取 。表 直接人工费和设备费 岗位人数 薪资（元（年 人）设备（规格）费用（元 台或元 套）用量行政管理 循环泵（）台微藻养殖 高压气泵（）台实验室扩培 输送泵（）台微藻收获和干燥 离心机（）台产品包装 干燥机（）台直接人工费合计（元 年）气体混合配比器 台管道式光生物反应器 台反应器配套零部件 台实验室设备 套设备费合计 元 注：参考 年乐清市用人市场行情；参考河北中石水泵制造有限公司报价；参考松田机电有限公司报价；参考三昌泵业有限公司报价；参考广州麦煌机械设备有限公司报价；参考常州市佳腾干燥制粒设备有限公司报价；参考沧州昊大燃化工程有限公司报价；参考上海光语生物科技有限公司报价。结果与讨论 生物质产量和总成本基于乐清市 年的太阳辐射量和温度数据，计算得到生产基地每月的微藻生物质产量，结果如图 所示。由图 可知：太阳辐射较弱时（如 月和 月），微藻生物质产量偏低，约为 ；太阳辐射较强、气温较高时（如 月），微藻生物质产量超过 。微藻生物质的年产量为 ，按照藻粉干质量为 计算，藻粉年产量约 ，该数值与某实际生产企业的藻粉年产量相近。藻粉的总成本及其构成如表 所示。由表 可知：藻粉的总成本约为￥，其中占比最高的为直接人工费，达 ，说明人工支出是影响藻粉成本的重要因素。占比次高的为直接材料费，达 ，其中能耗费和碳源费较高，均占总成本的 左右。设备的年折旧费在总成本中的占比图 微藻生物质产量分布 也比较高，达 ，其中管道式光生物反应器的购置费在设备费中占比最高，为。此外，虽然土地费和营养物质费在总成本中占比不高（分别为 和 ），但它们仍有较大的降低空间。微藻培养对土地质量的要求极低，因此可利用盐碱地、沙地等边际土地进行微藻养殖，从而降低土地费。除了 培养基之外，废水、废尿生 物 加 工 过 程第 卷素等富含、的物质也可提供微藻生长所需的营养物质，故可回收再利用废水、废尿素，从而降低营养物质的费用。表 藻粉的总成本及其组成 序号项目成本（￥）占比 藻种 营养物质 碳源 水耗 能耗 包装 直接材料费 直接人工费 土地 设备折旧 维修及其他 期间费用 总成本 经济性指标用来评估生产的经济效益，常见的有年投资利润、动态投资回收期、净现值（）和参数 营养物质分别取 、和 万元 年；参数 管式反应器价格分别取 、和 万元 台；参数 土地价格分别取 、和 万元 亩；参数 价格分别取、和 元；参数 电力价格分别取、和 元（）；参数 直接人工费分别取 、和 万元 年。工艺参数 设备折旧年限分别取、和 年；工艺参数 微藻收获密度分别取 、和 ；工艺参数 吸收率分别取 、和 ；工艺参数 年运行时间系数分别取 、和 ；工艺参数 温度分别设为控温与不控温两种模式；工艺参数 光合效率分别取 、和 图 藻粉生产的敏感性分析 内部收益率（）等。据调研，高纯度普通小球藻藻粉的市场价一般为￥。假设项目运营期为 年，则运营期内基地的年投资利润为 万元，动态投资回收期 为 年，为 万元，为 。这一结果（即，）表明投资该生产基地项目的盈利能力超过其投资收益期望水平，投资可行。但对于中试规模的微藻产业，此种程度的盈利无法抵抗风险和拉动投资，从而限制了微藻产业的可持续性发展。为此，本研究将在后面章节进一步探究降低藻粉总成本的有效策略。敏感性分析由成本分析可知，直接人工费、能耗和碳源费以及管道式光生物反应器购置费在总成本中占比较高，且土地费和营养物质费尚有较大的降低空间，因此选取这些价格参数进行敏感性分析。此外，还选取了光合效率、是否采用控温措施、年运行时间、吸收率、微藻收获浓度和折旧年限作为工艺参数进行敏感性分析，其中，折旧年限的变动取为在原数值 年的基础上 年，其余参数的变动则取为在原数值的基础上，分析结果如图 所示。由图（）可知：在分析的所有价格参数中，藻粉总成本对直接人工费最为敏感，当该项费用降低时，总成本可降低 左右；反之，总成本将相应增加。可见，从直接人工费入手降低藻粉总成本会有显著成效，可以考虑的措施有：选择气候适宜但薪资相对较低的地区作为藻粉的生产基地；通过改善企业用人制度提高员工的工作效率以减少用工数。藻粉总成本对土地、电力及管道式光生物反应器价格也较为敏感，这些参数变动 第 期刘格格等：基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析时，藻粉总成本的变动幅度为 。因此，降低这 种参数的价格对降低藻粉总成本也很关键。电力价格相对固定，除非有政策扶持，其降低空间不大。反应器价格取决于制造成本，短期内降价空间也不大（当然，随着未来微藻产业的发展，反应器的需求量增加，大规模制造将会降低反应器价格）。相比之下，土地和 价格有很大的降低空间。如，可采用低成本甚至无成本的边际土地；可由零成本燃煤烟气提供，且微藻固碳所节约的碳税还可作为微藻产品生产的副收益。营养物质价格对藻粉总成本的影响性较小，当其变动时，藻粉总成本的变动幅度仅为 。尽管如此，鉴于营养物质价格有较大的降低空间（如使用废尿素等价格低廉的营养物质，或将微藻培养与废水处理相结合而大幅降低营养物质的使用量），仍然可以考虑从降低营养物质价格来进一步降低藻粉的总成本。由图（）可知：是否采用控温模式对藻粉总成本影响最大。采用控温时（假设将藻液温度控制在），若忽略控温设备费和相应能耗支出，藻粉总成本可降低 。在实际操作中，设备费和能耗支出使藻粉总成本的降低幅度达不到该值，但若能根据微藻的最佳生长温度范围找到气候适宜的养殖地区，或筛选出耐热或耐冷型藻种，则能够实现在尽量减少甚至避免加热或冷却操作的情况下，显著降低藻粉总成本。藻粉总成本对光合效率和年运行时间也较为敏感，这些当它们变动时，藻粉总成本的变动幅度为 ，说明提高这 个参数值也可有效降低藻粉总成本。反应器的选型和优化有助于提高光合效率，现有管道式光生物反应器的光合效率可达 ，对应的藻粉总成本为￥，比光合效率 所对应的总成本￥降低了 。年运行时间的延长则可以通过改善反应器清洗技术和运用机械自动化等方式实现。对于其他工艺参数而言，折旧年限增长 年可将藻粉总成本降低 左右，但这一做法可能面临较大的安全隐患，不应采取；当 吸收率变动时，藻粉总成本的变动幅度较小，仅为左右，且较高的吸收率（如 以上）一般需在可控的实验条件下对于某些基因突变的藻种才能达到；微藻收获密度对藻粉成本的影响甚微，且收获密度提升难度较大。因此，综合当前的技术发展水平和敏感性分析结果看，很难通过调控这 项工艺参数来降低藻粉总成本。规模效应分析生产规模是影响微藻总成本的重要因素，规模化也是实现微藻产业化的前提，因此有必要分析扩大生产规模对藻粉总成本的影响。养殖区占地为、和 时，藻粉总成本及构成情况如图 所示。由图 可知：总成本随养殖区的扩大而不断降低，但降低的百分比在逐渐变小，且各项费用降低的幅度不同，其中，直接人工费、设备年折旧费降幅很大，土地费降幅不大，产品包装、能耗、水耗、碳源和营养物质费则在成本构成中保持不变。整体来看，规模扩大所带来的藻粉总成本降低主要是由直接人工费及设备费的大幅下降引起的。图 不同养殖区面积下的总成本及构成 在实际的藻粉生产中，生产规模不可能无限增加，因此需要探究适合产业化的规模。计算得到藻粉总成本随生产规模的变化趋势如图 所示。由图 可知：当养殖区面积从 增至 时，藻粉总成本急剧下降，呈现出十分明显的规模效应，但在超过 后，规模效应逐渐弱化，总成本逐渐趋于￥。这一变化趋势与 等的研究结论相似，即微藻生产规模扩大所带来的显著成本效益是在从中试规模初步扩大至 规模的过程中实现的。此外，等研究发现，一味地增加生产规模不能带来经济效益上的持续增长，在 以内 和 的值随着生产规模的增加而增加，随后趋于平缓。可见，在满足多盈利、产业化的条件下，左右的生产规模更具有成本吸引力，且相较于更大的生产规模而言，左右的生产规模所需的初始投资低，投资抗风险能力强，更生 物 加 工 过 程第 卷适合微藻产业化发展的需求。图 藻粉成本随养殖区面积的变化趋势 情景分析综合上述敏感性分析和规模效应分析的结果，并考虑到未来降价空间和技术进步，设计了一种可能的未来情景，如表 所示。图 呈现了基准情景与未来情景下的藻粉总成本及构成情况。由图 可知：在未来情景下，藻粉总成本为￥，较基准情景下的￥降低了 。该总成本数值（￥）与 等同样采用管道式光生物反应器培养微藻而计算得出的微藻干物质总成本 的结果基本一致，也接近 等计算的欧洲各地商业规模下的微藻干物质总成本 。这一方面说明了本研究设置的未来情景实现的可能性，另一方面也说明目前欧洲微藻产业的发展已较为成熟，值得我们借鉴学习。此外，从图 还可以看到，能耗、人工及设备折旧费在总成本中的占比较高，可作为在实现未来情景后研究降成本策略的重点分析对象。表 中试规模基准情景及产业化未来情景 参数基准情景未来情景直接人工费人工费支出（表）采用降人工费措施后（）土地工业用地边际土地（）碳源气瓶燃煤烟气（）营养物质费 培养基废尿素等替代营养源（）是否控温不控温控温（）光合效率 年运行时间 生产规模 图 基准情景与未来情景下藻粉总成本及构成 结论针对浙江省乐清市某普通小球藻（）养殖基地的藻粉生产进行技术经济分析，该生产基地以更适用于高密度和高纯度微藻养殖的管道式光生物反应器作为培养系统，总占地 ，反应器总容积为 。在当地的气候条件下，当碳源（工业）及营养物质（培养基）丰富时，计算得该生产基地的藻粉年产量为 ，藻粉总成本为￥，其中，直接人工费占比最高，达总成本的，其次为直接材料费，占总成本的 ，再次为设备年折旧费，占总成本的 。对影响藻粉总成本的主要价格参数和工艺参数进行敏感性分析表明，是否控温对藻粉总成本的影响最大。控温后（假设藻液温度控制在 ），总成本降低了 。此外，可通过改善企业用人制度、创建自动化养殖等方式减少人工劳动力投入和增加年运行时间，或是通过设计新型反应器来提高光合效率，最终降低藻粉总成本。规模效应分析显示，生产规模在 变化时，藻粉总成本急剧下降，但超过 后，总成 第 期刘格格等：基于管道式光生物反应器的藻粉生产过程技术经济分析本随规模的增加下降不大，最终趋于￥。鉴于此，左右的生产规模最具成本吸引力，是微藻产业化下的极佳选择。结合敏感性分析与规模效应分析结果，基于现有生产技术水平，设计了一种藻粉产业化生产的情景，此情景下藻粉总成本可降至￥。参考文献：，（）：，：（），：，杨艳丽 基于开放池培养的微藻生物柴油经济成本分析太阳能学报，（）：，（）：，：，：张晋阳，王慧岭，滕杰，等 微藻规模化采收工艺设计 现代农业科技，（）：唐佳芮，杜宣利，张羽霄，等 微藻油加工技术研究进展粮食与食品工业，（）：王东文，袁福祥，刘春平葡萄糖的能量系数值计算与能量代谢评价验证中国营养医学发展论坛暨全军营养医学大会论文汇编，（）：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：薄香兰，刘兴，柴英辉，等 温度对小球藻叶绿素荧光及生长的影响水产科技情报，（）：，：，：于立君 工程经济学 北京：清华大学出版社，：，：胡小夫，王凯亮，沈建永，等 基于生物固碳技术的 资源化利用研究进展华电技术，（）：蒋太才，卢宇，龚辉峰，等技术经济学 北京：清华大学出版社，陆秋粒 基于敏感性分析的 房地产公司 项目的成本控制研究 贵阳：贵州大学，：，：，（），：，（），：宁夏香草生物技术有限公司小球藻粉 ：，：，（）（），：，（）：，：（责任编辑 荀志金）生 物 加 工 过 程第 卷