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研究院微藻生物技術(shù)研發(fā)團隊瞄準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，實現(xiàn)改善環(huán)境污染與生產(chǎn)生物能源的集成，驗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”項目獲得中國石化2019年度前瞻性基礎性研究一等獎。

基礎研究探索本質(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)境污染日益嚴重，而現(xiàn)有脫硝技術(shù)運行成本高，且存在二次污染等問題。此外，我國還是全球蛋白質(zhì)原料最大進口國，每年進口大豆近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，將無機碳、氮高效轉(zhuǎn)化為有機碳（主要為糖類與油脂）和有機氮（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)團隊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，同時生產(chǎn)微藻生物質(zhì)，進一步轉(zhuǎn)化為微藻蛋白或微藻生物柴油等高價值生物產(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)應用對效率和穩(wěn)定性的要求。榮峻峰認為，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，榮峻峰和團隊開始介入微藻生物技術(shù)領(lǐng)域，剖析微藻脫硝技術(shù)背后所隱藏的科學本質(zhì)。

NOX在水中溶解度低，就對氧化體系中NOX的化學吸收過程進行分析，找出提高吸收率的關(guān)鍵點；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，就對微藻細胞氮代謝機制進行研究，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，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，團隊從反應原理、傳遞過程及細胞生理狀態(tài)等不同角度，對NOx固定與微藻生長所涉及的各個環(huán)節(jié)開展基礎研究，充分掌握了實驗現(xiàn)象背后蘊含的科學規(guī)律。

技術(shù)開發(fā)銳意創(chuàng)新

有了理論基礎的指導，團隊開始著手進行技術(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)即微藻同時利用光能和外源有機物作為能源生長，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？團隊中存在不同意見。

關(guān)鍵時刻，榮峻峰帶領(lǐng)團隊放下了對養(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)化應用對脫硝技術(shù)的需求。在對需求進行精準分析后，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性，進而提高技術(shù)應對復雜市場需求的整體競爭力。

明確了方向后，團隊成員迅速開展技術(shù)開發(fā)與實驗室小試、中試研究，在新型光生物反應器、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現(xiàn)創(chuàng)新與突破。再將各單項技術(shù)進行有機整合，率先建立了完整的微藻脫硝組合工藝，實現(xiàn)了煙氣脫硝與微藻養(yǎng)殖既緊密耦合又獨立運轉(zhuǎn)。

截至目前，團隊已申請中國專利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，認為“該成果首次提供了一種利用微藻進行實際大規(guī)模煙氣減排的可能性與工業(yè)化策略”。

未來發(fā)展生機無限

微藻應用于環(huán)境保護是一個典型的跨學科研究課題，涉及化學化工、環(huán)境科學與生物技術(shù)多個領(lǐng)域。石科院微藻生物技術(shù)研發(fā)團隊的成員也有著豐富的學科背景，有研究微藻出身的科班力量，有工程開發(fā)經(jīng)驗豐富的技術(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、分工明確而又團結(jié)互助的優(yōu)秀隊伍。

在傳統(tǒng)石化行業(yè)眼中，微藻生物技術(shù)還是一個新鮮事物。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)示范試驗來驗證。

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。為保證試驗的順利進行與數(shù)據(jù)的完整可靠，團隊成員積極投身到一線工作中，長期駐守在試驗裝置現(xiàn)場，對裝置的運行情況進行密切監(jiān)控，及時解決實驗過程中出現(xiàn)的問題。

隨著我國生態(tài)文明建設不斷推進，發(fā)展綠色經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟是大勢所趨、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)高價值生物產(chǎn)品，化腐朽為神奇，實現(xiàn)環(huán)境保護與社會經(jīng)濟發(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、履行低碳責任，成為循環(huán)經(jīng)濟的引領(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”這一科學論斷的有力注解。