劉格格,吳 晶,2

(1.華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

微藻是一種重要的生物質(zhì)資源,能生產(chǎn)形式多樣的產(chǎn)品,常見(jiàn)的有藻粉、藻類(lèi)蛋白、藻油和生物柴油等。由于微藻可通過(guò)光合作用固定大量的CO2,所以基于微藻來(lái)生產(chǎn)這些產(chǎn)品,在碳達(dá)峰、碳中和背景下極具開(kāi)發(fā)潛力。然而,經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高阻礙了微藻產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。Hanifzadeh等[1]發(fā)現(xiàn),即使在大規(guī)模培養(yǎng)條件下,微藻生物柴油的成本仍然是現(xiàn)有柴油成本的5～10倍。我國(guó)的微藻培養(yǎng)仍以分散的小規(guī)模為主,養(yǎng)殖效率較低,這進(jìn)一步制約了我國(guó)藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,分析微藻產(chǎn)品的成本構(gòu)成,給出生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化策略,從而降低總成本是實(shí)現(xiàn)微藻產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的有效途徑之一。

國(guó)外已開(kāi)展了一些關(guān)于微藻產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[2-3]。然而,這些研究均基于國(guó)外地區(qū)的地理氣候條件、人工成本與原料價(jià)格等,與我國(guó)的實(shí)際情況不完全相符,研究結(jié)果難以對(duì)我國(guó)的微藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論和決策參考。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)這方面的研究還很缺乏,僅有楊艷麗[4]依據(jù)中國(guó)市場(chǎng)行情對(duì)基于開(kāi)放池培養(yǎng)的微藻生物柴油進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)成本估算及影響因素分析,但該研究設(shè)定了某固定的微藻產(chǎn)量,尚未考慮地區(qū)的氣候因素(如太陽(yáng)輻射、氣溫等)對(duì)產(chǎn)量的影響。此外,有研究指出,與開(kāi)放池相比,封閉的管道式光生物反應(yīng)器在高密度和高純度微藻培養(yǎng)方面更具發(fā)展前景[5],因而有必要對(duì)基于管道式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)的微藻產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

藻粉是含水量低于10%的微藻生物質(zhì),它含有豐富的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸和氨基酸,在飼料、保健品、食品和藥品等領(lǐng)域有著較大的市場(chǎng)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,同時(shí)藻粉生產(chǎn)所涉及的微藻培養(yǎng)、收獲和干燥等工藝也是藻類(lèi)深加工產(chǎn)品(如藻油、生物柴油等)的生產(chǎn)基礎(chǔ)。基于以上考慮,本研究以管道式光生物反應(yīng)器為微藻培養(yǎng)系統(tǒng),普通小球藻(C.vulgaris)為藻種,采用結(jié)合了氣候條件和藻種特性的微藻生長(zhǎng)模型,對(duì)藻粉生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,計(jì)算藻粉總成本,并進(jìn)行敏感性分析及規(guī)模效應(yīng)分析,探究影響總成本的重要因素,并給出優(yōu)化情景和降成本策略,以期為我國(guó)藻業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)條件和工藝路線

管道式光生物反應(yīng)器由上海光語(yǔ)生物科技有限公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn),反應(yīng)器容積為3 000 L,占地為25 m×3 m×2.2 m,每臺(tái)反應(yīng)器配有氣體混合配比器、曝氣泵、藻液循環(huán)泵及輸送泵。選取浙江省樂(lè)清市作為微藻培養(yǎng)及藻粉生產(chǎn)地點(diǎn),該地區(qū)氣候溫和,光照適宜,較適合微藻生長(zhǎng)。生產(chǎn)基地總占地1 200 m2,其中微藻養(yǎng)殖占地1 000 m2,放置10 臺(tái)管道式光生物反應(yīng)器;附加區(qū)域占地200 m2,包括辦公區(qū)、實(shí)驗(yàn)室(用于藻種的保存及擴(kuò)大培養(yǎng))和收獲干燥廠房區(qū),如圖1(a)所示。

圖1 微藻生產(chǎn)基地布局及工藝路線Fig.1 Layout and process roadmap of the microalgae production base

圖1(b)為藻種到藻粉的工藝路線圖。藻種經(jīng)實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大培養(yǎng)后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器中培養(yǎng),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由BG11培養(yǎng)基提供。氣體CO2經(jīng)混合配比器與空氣混合后以2%(體積分?jǐn)?shù))通入反應(yīng)器[6]。當(dāng)微藻生長(zhǎng)到一定密度后,藻液由輸送泵經(jīng)管道送至收獲干燥廠房區(qū),經(jīng)過(guò)離心分離法[7]采收后,再通過(guò)噴霧干燥技術(shù)[8]進(jìn)行干燥,最終得到含水量低于5%的藻粉。

1.2 微藻生長(zhǎng)模型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的微藻生長(zhǎng)模型,微藻干物質(zhì)的月產(chǎn)量mrel(kg/m)為

mrel=

(1)

式中：EGR為月均太陽(yáng)輻射量,J/(cm2·m);APBRs為反應(yīng)器占地面積,m2;Eglu為葡萄糖的能量含量,為15.62 kJ/g[9];ηPE為光合效率,其數(shù)值與反應(yīng)器類(lèi)型有關(guān),管道式光生物反應(yīng)器的對(duì)應(yīng)值約為2.4%～4.2%[10],本研究所采用的反應(yīng)器形式與Acién等[11]和Norsker等[12]的相近,故根據(jù)他們的研究結(jié)果,光合效率取3%;ω1、ω2、ω3和ω4分別為碳水化合物、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和灰分在微藻干物質(zhì)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),對(duì)于普通小球藻,有ω1=12.6%、ω2=13%、ω3=54.6%和ω4=10%[13-14];FC和FN分別為碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)影響因子,假設(shè)營(yíng)養(yǎng)物充足,故二者均取為1[3];Fθ為藻種的生長(zhǎng)溫度影響因子,基于Patil等[15]的藻類(lèi)生長(zhǎng)模型,可表示為

Fθ=e-α(θ-θopt)2

(2)

式中：θ為微藻的實(shí)際生長(zhǎng)溫度,℃;θopt為藻種的最佳生長(zhǎng)溫度,℃,本文中普通小球藻的最佳生長(zhǎng)溫度取為30 ℃[16];α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),對(duì)于普通小球藻,取0.004[3]。Fon為年運(yùn)行時(shí)間系數(shù),表達(dá)式為

(3)

式中：Doff為每年因反應(yīng)器清洗、生物污染及員工休息而停機(jī)的天數(shù),本文假設(shè)為65 d[11,17]。

1.3 收獲和干燥過(guò)程參數(shù)的確定

每月所收獲的藻液體積Vcen(m3/m)為

(4)

式中：ρmax為微藻的最大生長(zhǎng)密度,kg/m3,本文取2 g/L[11]。生產(chǎn)系統(tǒng)的工作方式為半連續(xù)式,依據(jù)每月收獲體積和離心天數(shù),計(jì)算日離心量,在其最大值基礎(chǔ)上增加10%作為離心機(jī)容量的選取標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)干燥前后產(chǎn)品的干物質(zhì)含量百分比可得干燥步驟中每月的蒸發(fā)水量meva(kg/m),即

(5)

式中：ηcen為離心機(jī)效率,取95%;ωwet和ωdry分別為藻泥和藻粉中所含干物質(zhì)的質(zhì)量百分比,分別取20%和95%[11,18]。與離心機(jī)容量的選取方式類(lèi)似,在日蒸發(fā)水量最大值的基礎(chǔ)上增加10%作為干燥機(jī)容量的選取標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)噴霧干燥得到的最終產(chǎn)品(藻粉)的質(zhì)量mp(kg/m)為

(6)

1.4 成本計(jì)算

總成本Ctotal通常由生產(chǎn)成本和期間費(fèi)用兩部分組成[19]。生產(chǎn)成本包括直接材料費(fèi)Cmaterial、直接人工費(fèi)Clabor、設(shè)備折舊費(fèi)Cdepreciation、維修、稅收及其他費(fèi)用Cother;期間費(fèi)用Cperiod包括管理費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用與銷(xiāo)售費(fèi)用,即

Ctotal=Cmaterial+Clabor+Cdepreciation+Cother+Cperiod

(7)

式中：各物理量的單位為 ￥/a,Cother取設(shè)備總費(fèi)用(表1)的4%[20];Cperiod取Cmaterial與Clabor之和的10%[20];其余各項(xiàng)的計(jì)算如下。

表1 直接人工費(fèi)和設(shè)備費(fèi)

1.4.1 直接材料費(fèi)

直接材料費(fèi)主要由土地、藻種、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、碳源、水、能源和產(chǎn)品包裝費(fèi)構(gòu)成。

1)土地。根據(jù)2020年9月1日起樂(lè)清市實(shí)施的基準(zhǔn)地價(jià)標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)用地價(jià)格為38 萬(wàn)元/畝。

2)藻種。本研究中,藻種費(fèi)僅考慮了初次購(gòu)買(mǎi)花費(fèi),后續(xù)培養(yǎng)所需的藻種可由初級(jí)擴(kuò)培獲取。假設(shè)藻種采購(gòu)費(fèi)為4 000 ￥/a。

3)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。根據(jù)BG11培養(yǎng)液的配比及稀釋比例,計(jì)算每立方米藻液需要添加的第k種化學(xué)藥品(NaNO3、K2HPO4和MgSO4等)的量nk(kg/m3),從而估算營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)費(fèi)Pn(￥/m)為

(8)

式中：Pk為第k種化學(xué)藥品的價(jià)格(￥/kg),可參考中國(guó)化工產(chǎn)品網(wǎng)。

4)碳源。工業(yè)CO2的耗量V(CO2) (L/m)為

(9)

式中：ω為每克微藻干物質(zhì)所含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/g,本文取0.5[21];φ(CO2)為工業(yè)CO2的體積分?jǐn)?shù),本文取99.5%;ρ(CO2)為CO2氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)充裝密度,為0.6 kg/L;η(CO2)為微藻對(duì)CO2的吸收率,%,本文取74.5%[11]。依據(jù)市場(chǎng)價(jià)格,取CO2的售價(jià)為5 ￥/L。

5)水耗。微藻離心收獲后,將一部分上清液循環(huán)回反應(yīng)器以降低用水量,但在清潔反應(yīng)器及因生物污染而培養(yǎng)失敗(年均3次)時(shí)需更換新水,以保持微藻的持續(xù)快速生長(zhǎng)。假設(shè)每?jī)蓚€(gè)月清洗一次并換水一次,則每月水耗V(water)(m3/m)可估算為

(10)

式中：ρ(water)為水的密度,1 000 kg/m3;ηcycle為上清液的循環(huán)使用率,%,取90%;VPBRs為生產(chǎn)基地中反應(yīng)器的總?cè)莘e,m3。參考樂(lè)清工業(yè)用水價(jià)格,水價(jià)取5.8 ￥/m3。

6)能耗。能源消耗主要為電耗。生產(chǎn)過(guò)程中涉及的用電設(shè)備有離心機(jī)、干燥機(jī)、循環(huán)泵、氣泵和輸送泵,每月總耗電量Ee(kW·h/m)可按式(11)估算

Ee=∑HjPj

(11)

式中：Hj為設(shè)備j的月運(yùn)行時(shí)間,h/m;Pj為設(shè)備j的額定功率,kW。參考樂(lè)清工業(yè)用電價(jià)格,電價(jià)取0.67 ￥/(kW·h)。

7)產(chǎn)品包裝。產(chǎn)品(藻粉)用承受質(zhì)量25 kg的包裝桶包裝,包裝費(fèi)約為3 000 ￥/a。

1.4.2 直接人工費(fèi)

該項(xiàng)費(fèi)用表現(xiàn)為聘任工作人員所支出的薪資。根據(jù)該中試基地的藻粉生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)力所聘任的各崗位人數(shù)及薪資情況詳見(jiàn)表1。

1.4.3 設(shè)備折舊費(fèi)

設(shè)備折舊采用年限平均折舊法,具體計(jì)算見(jiàn)式(12)。

(12)

式中：Ct為初始投資總額(元),包括①設(shè)備費(fèi),②廠房、管道及實(shí)驗(yàn)室所需的建設(shè)費(fèi),③現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)費(fèi),④安裝費(fèi)和⑤其他費(fèi)用,其中設(shè)備費(fèi)詳見(jiàn)表1,其余4項(xiàng)費(fèi)用分別取為設(shè)備費(fèi)的15%、10%、5%和6%[20];re為預(yù)計(jì)的凈殘值率,%,本文取5%;N為折舊年限,取20年。

1.4.4 敏感性分析

敏感性分析是經(jīng)濟(jì)決策中最常用的一種不確定性分析方法。該方法是通過(guò)測(cè)定項(xiàng)目的各影響因素的變化所導(dǎo)致的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)(如成本、凈現(xiàn)值等)的變化幅度,找出對(duì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較大的因素——敏感因素,使決策者了解項(xiàng)目各方案可能出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效果變動(dòng)情況,為選取有效可行的投資方案提供決策依據(jù)[22]。本研究運(yùn)用敏感性分析方法,計(jì)算價(jià)格和工藝兩大類(lèi)共12個(gè)參數(shù)的變化所引起的藻粉總成本的變化幅度,以找到對(duì)總成本影響較大的參數(shù),并提出相應(yīng)的降成本策略,其中總成本的變化幅度RC計(jì)算見(jiàn)式(13)[23]。

(13)

式中：T為原總成本,￥/kg;ΔT為原總成本與變化后的總成本的差值,￥/kg。

1.4.5 規(guī)模放大公式

當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模從中試擴(kuò)大到產(chǎn)業(yè)化時(shí),生產(chǎn)項(xiàng)目的初始投資總額、附加區(qū)域的占地面積和雇傭的人工數(shù)量均可按規(guī)模放大公式(14)計(jì)算[3,24]。

(14)

式中：A0和As分別為中試和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)時(shí)微藻養(yǎng)殖區(qū)域的占地面積,m2;Ct0和Cts、A0′和As′ (m2)、L0和Ls分別為中試生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所對(duì)應(yīng)的初始投資總額(元)、附加區(qū)域占地面積(m2)和雇傭的人工數(shù);f為指數(shù)因子,取0.6[3]。

注：①參考2021年樂(lè)清市用人市場(chǎng)行情;②參考河北中石水泵制造有限公司報(bào)價(jià);③參考松田機(jī)電有限公司報(bào)價(jià);④參考三昌泵業(yè)有限公司報(bào)價(jià);⑤參考廣州麥煌機(jī)械設(shè)備有限公司報(bào)價(jià);⑥參考常州市佳騰干燥制粒設(shè)備有限公司報(bào)價(jià);⑦參考滄州昊大燃化工程有限公司報(bào)價(jià);⑧參考上海光語(yǔ)生物科技有限公司報(bào)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)產(chǎn)量和總成本

基于樂(lè)清市2021年的太陽(yáng)輻射量和溫度數(shù)據(jù)[25-26],計(jì)算得到生產(chǎn)基地每月的微藻生物質(zhì)產(chǎn)量,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：太陽(yáng)輻射較弱時(shí)(如1—3月和11—12月),微藻生物質(zhì)產(chǎn)量偏低,約為100～200 kg/m;太陽(yáng)輻射較強(qiáng)、氣溫較高時(shí)(如7—9月),微藻生物質(zhì)產(chǎn)量超過(guò)500 kg/m。微藻生物質(zhì)的年產(chǎn)量為3.6 t,按照藻粉干質(zhì)量為95%計(jì)算,藻粉年產(chǎn)量約3.8 t,該數(shù)值與某實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的藻粉年產(chǎn)量相近[11]。

圖2 微藻生物質(zhì)產(chǎn)量分布Fig.2 Distribution of microalgae biomass production

藻粉的總成本及其構(gòu)成如表2所示。由表2可知：藻粉的總成本約為185.7 ￥/kg,其中占比最高的為直接人工費(fèi),達(dá)50.7%,說(shuō)明人工支出是影響藻粉成本的重要因素。占比次高的為直接材料費(fèi),達(dá)24.8%,其中能耗費(fèi)和碳源費(fèi)較高,均占總成本的10%左右。設(shè)備的年折舊費(fèi)在總成本中的占比也比較高,達(dá)7.7%,其中管道式光生物反應(yīng)器的購(gòu)置費(fèi)在設(shè)備費(fèi)中占比最高,為73%。

表2 藻粉的總成本及其組成

此外,雖然土地費(fèi)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)費(fèi)在總成本中占比不高(分別為4.6%和1.8%),但它們?nèi)杂休^大的降低空間。微藻培養(yǎng)對(duì)土地質(zhì)量的要求極低,因此可利用鹽堿地、沙地等邊際土地進(jìn)行微藻養(yǎng)殖,從而降低土地費(fèi)。除了BG11培養(yǎng)基之外,廢水、廢尿素等富含N、P的物質(zhì)也可提供微藻生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),故可回收再利用廢水、廢尿素,從而降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的費(fèi)用。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用來(lái)評(píng)估生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益,常見(jiàn)的有年投資利潤(rùn)、動(dòng)態(tài)投資回收期、凈現(xiàn)值(NPV)和內(nèi)部收益率(IRR)等[22]。據(jù)調(diào)研,高純度普通小球藻藻粉的市場(chǎng)價(jià)一般為220 ￥/kg[27]。假設(shè)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期為20年,則運(yùn)營(yíng)期內(nèi)基地的年投資利潤(rùn)為13.1 萬(wàn)元,動(dòng)態(tài)投資回收期Pt′為12年,NPV為47.7 萬(wàn)元,IRR為10.2%。這一結(jié)果(即Pt′<20,NPV>0,IRR>7%)表明投資該生產(chǎn)基地項(xiàng)目的盈利能力超過(guò)其投資收益期望水平,投資可行[22]。但對(duì)于中試規(guī)模的微藻產(chǎn)業(yè),此種程度的盈利無(wú)法抵抗風(fēng)險(xiǎn)和拉動(dòng)投資,從而限制了微藻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。為此,本研究將在后面章節(jié)進(jìn)一步探究降低藻粉總成本的有效策略。

2.2 敏感性分析

由成本分析可知,直接人工費(fèi)、能耗和碳源費(fèi)以及管道式光生物反應(yīng)器購(gòu)置費(fèi)在總成本中占比較高,且土地費(fèi)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)費(fèi)尚有較大的降低空間,因此選取這些價(jià)格參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。此外,還選取了光合效率、是否采用控溫措施、年運(yùn)行時(shí)間、CO2吸收率、微藻收獲濃度和折舊年限作為工藝參數(shù)進(jìn)行敏感性分析[4,11,18,28],其中,折舊年限的變動(dòng)取為在原數(shù)值20年的基礎(chǔ)上±10年,其余參數(shù)的變動(dòng)則取為在原數(shù)值的基礎(chǔ)上±20%,分析結(jié)果如圖3所示。

參數(shù)1—營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分別取1.0、1.2和1.5 萬(wàn)元/年;參數(shù)2—管式反應(yīng)器價(jià)格分別取4.8、6.0和7.2 萬(wàn)元/臺(tái);參數(shù)3—土地價(jià)格分別取30.4、38.0和45.6 萬(wàn)元/畝;參數(shù)4—CO2價(jià)格分別取4、5和6 元/L;參數(shù)5—電力價(jià)格分別取0.54、0.67和0.80元/(kW·h);參數(shù)6—直接人工費(fèi)分別取28.8、36.0和43.2 萬(wàn)元/年。工藝參數(shù)1—設(shè)備折舊年限分別取30、20和10年;工藝參數(shù)2—微藻收獲密度分別取2.4、2.0和1.6 g/L;工藝參數(shù)3—CO2吸收率分別取89.4、74.5和59.6%;工藝參數(shù)4—年運(yùn)行時(shí)間系數(shù)分別取0.98、0.82和0.66;工藝參數(shù)5—溫度分別設(shè)為控溫與不控溫兩種模式;工藝參數(shù)6—光合效率分別取3.6%、3.0%和2.4%圖3 藻粉生產(chǎn)的敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of algae powder production

由圖3(a)可知：在分析的所有價(jià)格參數(shù)中,藻粉總成本對(duì)直接人工費(fèi)最為敏感,當(dāng)該項(xiàng)費(fèi)用降低20%時(shí),總成本可降低11%左右;反之,總成本將相應(yīng)增加?？梢?jiàn),從直接人工費(fèi)入手降低藻粉總成本會(huì)有顯著成效,可以考慮的措施有：①選擇氣候適宜但薪資相對(duì)較低的地區(qū)作為藻粉的生產(chǎn)基地;②通過(guò)改善企業(yè)用人制度提高員工的工作效率以減少用工數(shù)。藻粉總成本對(duì)土地、CO2、電力及管道式光生物反應(yīng)器價(jià)格也較為敏感,這些參數(shù)變動(dòng)±20%時(shí),藻粉總成本的變動(dòng)幅度為-3.1%～2.3%。因此,降低這4種參數(shù)的價(jià)格對(duì)降低藻粉總成本也很關(guān)鍵。電力價(jià)格相對(duì)固定,除非有政策扶持,其降低空間不大。反應(yīng)器價(jià)格取決于制造成本,短期內(nèi)降價(jià)空間也不大(當(dāng)然,隨著未來(lái)微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,反應(yīng)器的需求量增加,大規(guī)模制造將會(huì)降低反應(yīng)器價(jià)格)。相比之下,土地和CO2價(jià)格有很大的降低空間。如,可采用低成本甚至無(wú)成本的邊際土地;可由零成本燃煤煙氣提供CO2,且微藻固碳所節(jié)約的碳稅還可作為微藻產(chǎn)品生產(chǎn)的副收益。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)格對(duì)藻粉總成本的影響性較小,當(dāng)其變動(dòng)±20%時(shí),藻粉總成本的變動(dòng)幅度僅為-0.41%～0.39%。盡管如此,鑒于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)格有較大的降低空間(如使用廢尿素等價(jià)格低廉的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),或?qū)⑽⒃迮囵B(yǎng)與廢水處理相結(jié)合而大幅降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的使用量),仍然可以考慮從降低營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)格來(lái)進(jìn)一步降低藻粉的總成本。

由圖3(b)可知：是否采用控溫模式對(duì)藻粉總成本影響最大。采用控溫時(shí)(假設(shè)將藻液溫度控制在30 ℃),若忽略控溫設(shè)備費(fèi)和相應(yīng)能耗支出,藻粉總成本可降低31.5%。在實(shí)際操作中,設(shè)備費(fèi)和能耗支出使藻粉總成本的降低幅度達(dá)不到該值,但若能根據(jù)微藻的最佳生長(zhǎng)溫度范圍找到氣候適宜的養(yǎng)殖地區(qū),或篩選出耐熱或耐冷型藻種,則能夠?qū)崿F(xiàn)在盡量減少甚至避免加熱或冷卻操作的情況下,顯著降低藻粉總成本。藻粉總成本對(duì)光合效率和年運(yùn)行時(shí)間也較為敏感,這些當(dāng)它們變動(dòng)±20%時(shí),藻粉總成本的變動(dòng)幅度為-13.9%～20.8%,說(shuō)明提高這2個(gè)參數(shù)值也可有效降低藻粉總成本。反應(yīng)器的選型和優(yōu)化有助于提高光合效率,現(xiàn)有管道式光生物反應(yīng)器的光合效率可達(dá)4.2%[10],對(duì)應(yīng)的藻粉總成本為141.5 ￥/kg,比光合效率3%所對(duì)應(yīng)的總成本185.7 ￥/kg降低了24.8%。年運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)則可以通過(guò)改善反應(yīng)器清洗技術(shù)和運(yùn)用機(jī)械自動(dòng)化等方式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于其他工藝參數(shù)而言,折舊年限增長(zhǎng)10年可將藻粉總成本降低4%左右,但這一做法可能面臨較大的安全隱患,不應(yīng)采取;當(dāng)CO2吸收率變動(dòng)±20%時(shí),藻粉總成本的變動(dòng)幅度較小,僅為±2%左右,且較高的吸收率(如90%以上)一般需在可控的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)于某些基因突變的藻種才能達(dá)到[29];微藻收獲密度對(duì)藻粉成本的影響甚微,且收獲密度提升難度較大。因此,綜合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平和敏感性分析結(jié)果看,很難通過(guò)調(diào)控這3項(xiàng)工藝參數(shù)來(lái)降低藻粉總成本。

2.3 規(guī)模效應(yīng)分析

生產(chǎn)規(guī)模是影響微藻總成本的重要因素[30],規(guī)?；彩菍?shí)現(xiàn)微藻產(chǎn)業(yè)化的前提,因此有必要分析擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模對(duì)藻粉總成本的影響。養(yǎng)殖區(qū)占地為0.1、1、10和100 hm2時(shí),藻粉總成本及構(gòu)成情況如圖4所示。由圖4可知：總成本隨養(yǎng)殖區(qū)的擴(kuò)大而不斷降低,但降低的百分比在逐漸變小,且各項(xiàng)費(fèi)用降低的幅度不同,其中,直接人工費(fèi)、設(shè)備年折舊費(fèi)降幅很大,土地費(fèi)降幅不大,產(chǎn)品包裝、能耗、水耗、碳源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)費(fèi)則在成本構(gòu)成中保持不變。整體來(lái)看,規(guī)模擴(kuò)大所帶來(lái)的藻粉總成本降低主要是由直接人工費(fèi)及設(shè)備費(fèi)的大幅下降引起的。

圖4 不同養(yǎng)殖區(qū)面積下的總成本及構(gòu)成Fig.4 Total cost and its composition at different cultivation areas

在實(shí)際的藻粉生產(chǎn)中,生產(chǎn)規(guī)模不可能無(wú)限增加,因此需要探究適合產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模。計(jì)算得到藻粉總成本隨生產(chǎn)規(guī)模的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)養(yǎng)殖區(qū)面積從0.1增至10 hm2時(shí),藻粉總成本急劇下降,呈現(xiàn)出十分明顯的規(guī)模效應(yīng),但在超過(guò)10 hm2后,規(guī)模效應(yīng)逐漸弱化,總成本逐漸趨于60 ￥/kg。這一變化趨勢(shì)與Schipper等[17]的研究結(jié)論相似,即微藻生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大所帶來(lái)的顯著成本效益是在從中試規(guī)模初步擴(kuò)大至10 hm2規(guī)模的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。此外,Mata等[31]研究發(fā)現(xiàn),一味地增加生產(chǎn)規(guī)模不能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益上的持續(xù)增長(zhǎng),在6 hm2以內(nèi)NPV和IRR的值隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而增加,隨后趨于平緩?？梢?jiàn),在滿足多盈利、產(chǎn)業(yè)化的條件下,10 hm2左右的生產(chǎn)規(guī)模更具有成本吸引力,且相較于更大的生產(chǎn)規(guī)模而言,10 hm2左右的生產(chǎn)規(guī)模所需的初始投資低,投資抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng),更適合微藻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求。

圖5 藻粉成本隨養(yǎng)殖區(qū)面積的變化趨勢(shì)Fig.5 Trend analysis of algae powder cost with cultivation areas

2.4 情景分析

綜合上述敏感性分析和規(guī)模效應(yīng)分析的結(jié)果,并考慮到未來(lái)降價(jià)空間和技術(shù)進(jìn)步,設(shè)計(jì)了一種可能的未來(lái)情景,如表3所示。圖6呈現(xiàn)了基準(zhǔn)情景與未來(lái)情景下的藻粉總成本及構(gòu)成情況。由圖6可知：在未來(lái)情景下,藻粉總成本為22.6 ￥/kg,較基準(zhǔn)情景下的185.7 ￥/kg降低了87.8%。該總成本數(shù)值(22.6 ￥/kg)與Schipper等[17]同樣采用管道式光生物反應(yīng)器培養(yǎng)微藻而計(jì)算得出的微藻干物質(zhì)總成本4.1～4.6 ￡/kg的結(jié)果基本一致,也接近Ruiz等[30]計(jì)算的歐洲各地商業(yè)規(guī)模下的微藻干物質(zhì)總成本3～11 ￡/kg。這一方面說(shuō)明了本研究設(shè)置的未來(lái)情景實(shí)現(xiàn)的可能性,另一方面也說(shuō)明目前歐洲微藻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已較為成熟,值得我們借鑒學(xué)習(xí)。此外,從圖6還可以看到,能耗、人工及設(shè)備折舊費(fèi)在總成本中的占比較高,可作為在實(shí)現(xiàn)未來(lái)情景后研究降成本策略的重點(diǎn)分析對(duì)象。

表3 中試規(guī)?；鶞?zhǔn)情景及產(chǎn)業(yè)化未來(lái)情景

圖6 基準(zhǔn)情景與未來(lái)情景下藻粉總成本及構(gòu)成Fig.6 Total cost and its composition of algae powder under the baseline and future scenario

3 結(jié)論

針對(duì)浙江省樂(lè)清市某普通小球藻(C.vulgaris)養(yǎng)殖基地的藻粉生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,該生產(chǎn)基地以更適用于高密度和高純度微藻養(yǎng)殖的管道式光生物反應(yīng)器作為培養(yǎng)系統(tǒng),總占地0.12 hm2,反應(yīng)器總?cè)莘e為30 000 L。在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件下,當(dāng)碳源(工業(yè)CO2)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(BG11培養(yǎng)基)豐富時(shí),計(jì)算得該生產(chǎn)基地的藻粉年產(chǎn)量為3.8 t,藻粉總成本為185.7 ￥/kg,其中,直接人工費(fèi)占比最高,達(dá)總成本的50.7%,其次為直接材料費(fèi),占總成本的24.8%,再次為設(shè)備年折舊費(fèi),占總成本的7.7%。

對(duì)影響藻粉總成本的主要價(jià)格參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行敏感性分析表明,是否控溫對(duì)藻粉總成本的影響最大。控溫后(假設(shè)藻液溫度控制在30 ℃),總成本降低了31.5%。此外,可通過(guò)改善企業(yè)用人制度、創(chuàng)建自動(dòng)化養(yǎng)殖等方式減少人工勞動(dòng)力投入和增加年運(yùn)行時(shí)間,或是通過(guò)設(shè)計(jì)新型反應(yīng)器來(lái)提高光合效率,最終降低藻粉總成本。

規(guī)模效應(yīng)分析顯示,生產(chǎn)規(guī)模在0.1～10 hm2變化時(shí),藻粉總成本急劇下降,但超過(guò)10 hm2后,總成本隨規(guī)模的增加下降不大,最終趨于60 ￥/kg。鑒于此,10 hm2左右的生產(chǎn)規(guī)模最具成本吸引力,是微藻產(chǎn)業(yè)化下的極佳選擇。結(jié)合敏感性分析與規(guī)模效應(yīng)分析結(jié)果,基于現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)水平,設(shè)計(jì)了一種藻粉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的情景,此情景下藻粉總成本可降至22.6 ￥/kg。