中國石化成功開發(fā)微藻生物質(zhì)利用成套技術(shù)

本刊記者 李 煦 杜詩畫

談起微藻，很多人常常聯(lián)想到湖面上綠油油的浮萍。在詩人的世界里，它無根無依靠，隨風(fēng)東西流。然而，作為世界上最簡單也最原始的生物之一，微藻就像一個(gè)有待開發(fā)的巨大寶藏，經(jīng)過加工，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，中國石化石油化工科學(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)問題，開展深入研究，開發(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)境和食物是人類可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題?；茉催^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題。此外，我國還是全球蛋白質(zhì)原料最大進(jìn)口國，每年進(jìn)口大豆近1億噸，蛋白質(zhì)原料對外依存度甚至超過石油，開發(fā)新的蛋白質(zhì)來源意義重大。

微藻被稱為由陽光驅(qū)動的“活化工廠”，可在常溫常壓條件下，將無機(jī)碳、氮高效轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（主要為糖類與油脂）和有機(jī)氮（主要為蛋白質(zhì)）。中國石化新能源研究所所長、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、生長速度快，石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放的大量煙氣、廢水和低溫余熱，如果能利用起來為微藻生長提供充足營養(yǎng)和適宜溫度，再通過微藻減排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，一直無法滿足工業(yè)應(yīng)用對效率和穩(wěn)定性的要求。榮峻峰認(rèn)為，技術(shù)的不成熟，歸根到底在于對其基本原理理解得不透徹。從2010年起，榮峻峰和團(tuán)隊(duì)開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，就對氧化體系中NOX的化學(xué)吸收過程進(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的適宜條件不一致，就將化工過程和生物過程分離，分別進(jìn)行優(yōu)化后再結(jié)合；微藻對脫硝產(chǎn)物亞硝酸鹽耐受性差，就對微藻細(xì)胞氮代謝機(jī)制進(jìn)行研究，提高氮轉(zhuǎn)化效率。開展煙氣耐受的藻種采集、分離純化、馴化篩選及性能評價(jià)，獲得了能高效固定NOX和二氧化碳的優(yōu)勢藻種35株，建立起藻種庫。

通過層層分解，團(tuán)隊(duì)從反應(yīng)原理、傳遞過程及細(xì)胞生理狀態(tài)等不同角度，對NOx固定與微藻生長所涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)開展基礎(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)開發(fā)銳意創(chuàng)新

有了理論基礎(chǔ)的指導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)開始著手進(jìn)行技術(shù)開發(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)即微藻以陽光為能源進(jìn)行生長，具有成本低、技術(shù)簡單、易于大規(guī)模養(yǎng)殖等優(yōu)勢，但自然光的能量密度低，存在著生長速度慢的缺陷；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，這種模式生長速度快、脫氮效率高，但養(yǎng)殖成本高。兩種技術(shù)路線各有優(yōu)劣，到底選擇哪種方式更合適？團(tuán)隊(duì)中存在不同意見。

關(guān)鍵時(shí)刻，榮峻峰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)放下了對養(yǎng)殖方式優(yōu)劣的爭論，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)路線很可能無法滿足未來工業(yè)化應(yīng)用對脫硝技術(shù)的需求。在對需求進(jìn)行精準(zhǔn)分析后，榮峻峰提出兩條路線并行開發(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)對復(fù)雜市場需求的整體競爭力。

明確了方向后，團(tuán)隊(duì)成員迅速開展技術(shù)開發(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)已申請中國專利60件，獲授權(quán)34件，申請國外專利10件，在美國、日本和歐洲已獲授權(quán)，構(gòu)建起完整的專利網(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”。

未來發(fā)展生機(jī)無限

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，有工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)專家，還有干了大半輩子石油化工，依然保持著對新領(lǐng)域新知識的渴求，選擇踏入微藻行業(yè)的“新人”。知識、閱歷及經(jīng)驗(yàn)不同的成員們在一起交融碰撞，形成了一支思路開闊、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、能不能滿足需求、成本效益情況如何，是用戶最為關(guān)心的問題。而這些問題，都有待于工業(yè)示范試驗(yàn)來驗(yàn)證。

目前，微藻脫硝技術(shù)正在中國石化催化劑公司長嶺分公司、石家莊煉化分公司與湖北化肥分公司開展工業(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工作中，長期駐守在試驗(yàn)裝置現(xiàn)場，對裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行密切監(jiān)控，及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題。

隨著我國生態(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)是大勢所趨、潮流所向。展望未來，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)與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的和諧統(tǒng)一，具備無限的潛力。這一方案也將為中國石化踐行綠色發(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，成為“綠水青山就是金山銀山”這一科學(xué)論斷的有力注解。