中國(guó)石化成功開(kāi)發(fā)微藻生物質(zhì)利用成套技術(shù)

本刊記者 李 煦 杜詩(shī)畫(huà)

談起微藻，很多人常常聯(lián)想到湖面上綠油油的浮萍。在詩(shī)人的世界里，它無(wú)根無(wú)依靠，隨風(fēng)東西流。然而，作為世界上最簡(jiǎn)單也最原始的生物之一，微藻就像一個(gè)有待開(kāi)發(fā)的巨大寶藏，經(jīng)過(guò)加工，它能制成保健品、化妝品及高品質(zhì)飼料等，用途廣泛，甚至還能與能源變革產(chǎn)生聯(lián)系。

多年以來(lái)，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院微藻生物技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)微藻高值化利用的方向，鎖定微藻用于減排氮氧化物（NOX）和二氧化碳的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展深入研究，開(kāi)發(fā)了從煙氣NOX高效固定、優(yōu)良藻種選育、微藻規(guī)模養(yǎng)殖、采收加工到微藻生物質(zhì)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈成套技術(shù)，創(chuàng)新提出微藻脫硝組合工藝，實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境污染與生產(chǎn)生物能源的集成，驗(yàn)證了微藻高值化利用技術(shù)路線(xiàn)的可行性?！拔⒃逵糜贜OX和二氧化碳減排的集成與創(chuàng)新”項(xiàng)目獲得中國(guó)石化2019年度前瞻性基礎(chǔ)性研究一等獎(jiǎng)。

基礎(chǔ)研究探索本質(zhì)

能源、環(huán)境和食物是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問(wèn)題?；茉催^(guò)度使用造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，而現(xiàn)有脫硝技術(shù)運(yùn)行成本高，且存在二次污染等問(wèn)題。此外，我國(guó)還是全球蛋白質(zhì)原料最大進(jìn)口國(guó)，每年進(jìn)口大豆近1億噸，蛋白質(zhì)原料對(duì)外依存度甚至超過(guò)石油，開(kāi)發(fā)新的蛋白質(zhì)來(lái)源意義重大。

微藻被稱(chēng)為由陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的“活化工廠(chǎng)”，可在常溫常壓條件下，將無(wú)機(jī)碳、氮高效轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（主要為糖類(lèi)與油脂）和有機(jī)氮（主要為蛋白質(zhì)）。中國(guó)石化新能源研究所所長(zhǎng)、石科院微藻生物技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人榮峻峰介紹到，微藻易養(yǎng)殖、生長(zhǎng)速度快，石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中排放的大量煙氣、廢水和低溫余熱，如果能利用起來(lái)為微藻生長(zhǎng)提供充足營(yíng)養(yǎng)和適宜溫度，再通過(guò)微藻減排NOX和二氧化碳，處理廢氣廢水，同時(shí)生產(chǎn)微藻生物質(zhì)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微藻蛋白或微藻生物柴油等高價(jià)值生物產(chǎn)品，可謂一舉兩得。

然而，現(xiàn)有微藻脫硝技術(shù)由于尚不成熟，一直無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用對(duì)效率和穩(wěn)定性的要求。榮峻峰認(rèn)為，技術(shù)的不成熟，歸根到底在于對(duì)其基本原理理解得不透徹。從2010年起，榮峻峰和團(tuán)隊(duì)開(kāi)始介入微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，剖析微藻脫硝技術(shù)背后所隱藏的科學(xué)本質(zhì)。

NOX在水中溶解度低，就對(duì)氧化體系中NOX的化學(xué)吸收過(guò)程進(jìn)行分析，找出提高吸收率的關(guān)鍵點(diǎn)；NOX高效脫除的條件與微藻生長(zhǎng)的適宜條件不一致，就將化工過(guò)程和生物過(guò)程分離，分別進(jìn)行優(yōu)化后再結(jié)合；微藻對(duì)脫硝產(chǎn)物亞硝酸鹽耐受性差，就對(duì)微藻細(xì)胞氮代謝機(jī)制進(jìn)行研究，提高氮轉(zhuǎn)化效率。開(kāi)展煙氣耐受的藻種采集、分離純化、馴化篩選及性能評(píng)價(jià)，獲得了能高效固定NOX和二氧化碳的優(yōu)勢(shì)藻種35株，建立起藻種庫(kù)。

通過(guò)層層分解，團(tuán)隊(duì)從反應(yīng)原理、傳遞過(guò)程及細(xì)胞生理狀態(tài)等不同角度，對(duì)NOx固定與微藻生長(zhǎng)所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展基礎(chǔ)研究，充分掌握了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的科學(xué)規(guī)律。

技術(shù)開(kāi)發(fā)銳意創(chuàng)新

有了理論基礎(chǔ)的指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。在建立技術(shù)體系之前，首先要確定微藻的養(yǎng)殖模式。

通常微藻養(yǎng)殖分為自養(yǎng)和兼養(yǎng)兩種模式：自養(yǎng)即微藻以陽(yáng)光為能源進(jìn)行生長(zhǎng)，具有成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、易于大規(guī)模養(yǎng)殖等優(yōu)勢(shì)，但自然光的能量密度低，存在著生長(zhǎng)速度慢的缺陷；兼養(yǎng)即微藻同時(shí)利用光能和外源有機(jī)物作為能源生長(zhǎng)，這種模式生長(zhǎng)速度快、脫氮效率高，但養(yǎng)殖成本高。兩種技術(shù)路線(xiàn)各有優(yōu)劣，到底選擇哪種方式更合適？團(tuán)隊(duì)中存在不同意見(jiàn)。

關(guān)鍵時(shí)刻，榮峻峰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)放下了對(duì)養(yǎng)殖方式優(yōu)劣的爭(zhēng)論，將目光投向脫硝技術(shù)的需求方——污染源。

石油化工技術(shù)復(fù)雜多樣，排放含氮污染物的質(zhì)與量也有很大差異，單一的技術(shù)路線(xiàn)很可能無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)工業(yè)化應(yīng)用對(duì)脫硝技術(shù)的需求。在對(duì)需求進(jìn)行精準(zhǔn)分析后，榮峻峰提出兩條路線(xiàn)并行開(kāi)發(fā)的思路：自養(yǎng)適合用于處理低濃度大流量的含氮污染物，兼養(yǎng)則更適合用于處理棘手的高濃度含氮污染物。兩種技術(shù)路線(xiàn)并行使用，可極大程度提升工藝的適應(yīng)性，進(jìn)而提高技術(shù)應(yīng)對(duì)復(fù)雜市場(chǎng)需求的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

明確了方向后，團(tuán)隊(duì)成員迅速開(kāi)展技術(shù)開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)室小試、中試研究，在新型光生物反應(yīng)器、光能兼養(yǎng)技術(shù)、微氮刺激技術(shù)、養(yǎng)殖液循環(huán)利用技術(shù)、微藻高效采收與亞臨界油脂提取等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與突破。再將各單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，率先建立了完整的微藻脫硝組合工藝，實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硝與微藻養(yǎng)殖既緊密耦合又獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。

截至目前，團(tuán)隊(duì)已申請(qǐng)中國(guó)專(zhuān)利60件，獲授權(quán)34件，申請(qǐng)國(guó)外專(zhuān)利10件，在美國(guó)、日本和歐洲已獲授權(quán)，構(gòu)建起完整的專(zhuān)利網(wǎng)。相關(guān)研究成果得到可再生能源全球創(chuàng)新組織的肯定，認(rèn)為“該成果首次提供了一種利用微藻進(jìn)行實(shí)際大規(guī)模煙氣減排的可能性與工業(yè)化策略”。

未來(lái)發(fā)展生機(jī)無(wú)限

微藻應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)是一個(gè)典型的跨學(xué)科研究課題，涉及化學(xué)化工、環(huán)境科學(xué)與生物技術(shù)多個(gè)領(lǐng)域。石科院微藻生物技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員也有著豐富的學(xué)科背景，有研究微藻出身的科班力量，有工程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)專(zhuān)家，還有干了大半輩子石油化工，依然保持著對(duì)新領(lǐng)域新知識(shí)的渴求，選擇踏入微藻行業(yè)的“新人”。知識(shí)、閱歷及經(jīng)驗(yàn)不同的成員們?cè)谝黄鸾蝗谂鲎?，形成了一支思路開(kāi)闊、執(zhí)行力強(qiáng)、分工明確而又團(tuán)結(jié)互助的優(yōu)秀隊(duì)伍。

在傳統(tǒng)石化行業(yè)眼中，微藻生物技術(shù)還是一個(gè)新鮮事物。技術(shù)好不好用、能不能滿(mǎn)足需求、成本效益情況如何，是用戶(hù)最為關(guān)心的問(wèn)題。而這些問(wèn)題，都有待于工業(yè)示范試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

目前，微藻脫硝技術(shù)正在中國(guó)石化催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司、石家莊煉化分公司與湖北化肥分公司開(kāi)展工業(yè)示范試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行與數(shù)據(jù)的完整可靠，團(tuán)隊(duì)成員積極投身到一線(xiàn)工作中，長(zhǎng)期駐守在試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行密切監(jiān)控，及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)是大勢(shì)所趨、潮流所向。展望未來(lái)，微藻脫硝技術(shù)能夠利用污染物生產(chǎn)高價(jià)值生物產(chǎn)品，化腐朽為神奇，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的和諧統(tǒng)一，具備無(wú)限的潛力。這一方案也將為中國(guó)石化踐行綠色發(fā)展、履行低碳責(zé)任，成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的引領(lǐng)者提供一條顛覆性技術(shù)路線(xiàn)，成為“綠水青山就是金山銀山”這一科學(xué)論斷的有力注解。