中国石化成功开发微藻生物质利用成套技术

本刊记者 李 煦 杜诗画

谈起微藻，很多人常常联想到湖面上绿油油的浮萍。在诗人的世界里，它无根无依靠，随风东西流。然而，作为世界上最简单也最原始的生物之一，微藻就像一个有待开发的巨大宝藏，经过加工，它能制成保健品、化妆品及高品质饲料等，用途广泛，甚至还能与能源变革产生联系。

多年以来，中国石化石油化工科学研究院微藻生物技术研发团队瞄准微藻高值化利用的方向，锁定微藻用于减排氮氧化物（NOX）和二氧化碳的关键科学问题，开展深入研究，开发了从烟气NOX高效固定、优良藻种选育、微藻规模养殖、采收加工到微藻生物质利用的全产业链成套技术，创新提出微藻脱硝组合工艺，实现改善环境污染与生产生物能源的集成，验证了微藻高值化利用技术路线的可行性。“微藻用于NOX和二氧化碳减排的集成与创新”项目获得中国石化2019年度前瞻性基础性研究一等奖。

基础研究探索本质

能源、环境和食物是人类可持续发展面临的重大问题。化石能源过度使用造成的环境污染日益严重，而现有脱硝技术运行成本高，且存在二次污染等问题。此外，我国还是全球蛋白质原料最大进口国，每年进口大豆近1亿吨，蛋白质原料对外依存度甚至超过石油，开发新的蛋白质来源意义重大。

微藻被称为由阳光驱动的“活化工厂”，可在常温常压条件下，将无机碳、氮高效转化为有机碳（主要为糖类与油脂）和有机氮（主要为蛋白质）。中国石化新能源研究所所长、石科院微藻生物技术研发团队带头人荣峻峰介绍到，微藻易养殖、生长速度快，石油化工企业在生产过程中排放的大量烟气、废水和低温余热，如果能利用起来为微藻生长提供充足营养和适宜温度，再通过微藻减排NOX和二氧化碳，处理废气废水，同时生产微藻生物质，进一步转化为微藻蛋白或微藻生物柴油等高价值生物产品，可谓一举两得。

然而，现有微藻脱硝技术由于尚不成熟，一直无法满足工业应用对效率和稳定性的要求。荣峻峰认为，技术的不成熟，归根到底在于对其基本原理理解得不透彻。从2010年起，荣峻峰和团队开始介入微藻生物技术领域，剖析微藻脱硝技术背后所隐藏的科学本质。

NOX在水中溶解度低，就对氧化体系中NOX的化学吸收过程进行分析，找出提高吸收率的关键点；NOX高效脱除的条件与微藻生长的适宜条件不一致，就将化工过程和生物过程分离，分别进行优化后再结合；微藻对脱硝产物亚硝酸盐耐受性差，就对微藻细胞氮代谢机制进行研究，提高氮转化效率。开展烟气耐受的藻种采集、分离纯化、驯化筛选及性能评价，获得了能高效固定NOX和二氧化碳的优势藻种35株，建立起藻种库。

通过层层分解，团队从反应原理、传递过程及细胞生理状态等不同角度，对NOx固定与微藻生长所涉及的各个环节开展基础研究，充分掌握了实验现象背后蕴含的科学规律。

技术开发锐意创新

有了理论基础的指导，团队开始着手进行技术开发。在建立技术体系之前，首先要确定微藻的养殖模式。

通常微藻养殖分为自养和兼养两种模式：自养即微藻以阳光为能源进行生长，具有成本低、技术简单、易于大规模养殖等优势，但自然光的能量密度低，存在着生长速度慢的缺陷；兼养即微藻同时利用光能和外源有机物作为能源生长，这种模式生长速度快、脱氮效率高，但养殖成本高。两种技术路线各有优劣，到底选择哪种方式更合适？团队中存在不同意见。

关键时刻，荣峻峰带领团队放下了对养殖方式优劣的争论，将目光投向脱硝技术的需求方——污染源。

石油化工技术复杂多样，排放含氮污染物的质与量也有很大差异，单一的技术路线很可能无法满足未来工业化应用对脱硝技术的需求。在对需求进行精准分析后，荣峻峰提出两条路线并行开发的思路：自养适合用于处理低浓度大流量的含氮污染物，兼养则更适合用于处理棘手的高浓度含氮污染物。两种技术路线并行使用，可极大程度提升工艺的适应性，进而提高技术应对复杂市场需求的整体竞争力。

明确了方向后，团队成员迅速开展技术开发与实验室小试、中试研究，在新型光生物反应器、光能兼养技术、微氮刺激技术、养殖液循环利用技术、微藻高效采收与亚临界油脂提取等方面实现创新与突破。再将各单项技术进行有机整合，率先建立了完整的微藻脱硝组合工艺，实现了烟气脱硝与微藻养殖既紧密耦合又独立运转。

截至目前，团队已申请中国专利60件，获授权34件，申请国外专利10件，在美国、日本和欧洲已获授权，构建起完整的专利网。相关研究成果得到可再生能源全球创新组织的肯定，认为“该成果首次提供了一种利用微藻进行实际大规模烟气减排的可能性与工业化策略”。

未来发展生机无限

微藻应用于环境保护是一个典型的跨学科研究课题，涉及化学化工、环境科学与生物技术多个领域。石科院微藻生物技术研发团队的成员也有着丰富的学科背景，有研究微藻出身的科班力量，有工程开发经验丰富的技术专家，还有干了大半辈子石油化工，依然保持着对新领域新知识的渴求，选择踏入微藻行业的“新人”。知识、阅历及经验不同的成员们在一起交融碰撞，形成了一支思路开阔、执行力强、分工明确而又团结互助的优秀队伍。

在传统石化行业眼中，微藻生物技术还是一个新鲜事物。技术好不好用、能不能满足需求、成本效益情况如何，是用户最为关心的问题。而这些问题，都有待于工业示范试验来验证。

目前，微藻脱硝技术正在中国石化催化剂公司长岭分公司、石家庄炼化分公司与湖北化肥分公司开展工业示范试验。为保证试验的顺利进行与数据的完整可靠，团队成员积极投身到一线工作中，长期驻守在试验装置现场，对装置的运行情况进行密切监控，及时解决实验过程中出现的问题。

随着我国生态文明建设不断推进，发展绿色经济、低碳经济、循环经济是大势所趋、潮流所向。展望未来，微藻脱硝技术能够利用污染物生产高价值生物产品，化腐朽为神奇，实现环境保护与社会经济发展的和谐统一，具备无限的潜力。这一方案也将为中国石化践行绿色发展、履行低碳责任，成为循环经济的引领者提供一条颠覆性技术路线，成为“绿水青山就是金山银山”这一科学论断的有力注解。