吸收工业废气就能产出高蛋白？岂不是“真·喝西北风就能饱”！

这个神奇的“小东西”就是——微藻。

科普一下

 

 

微藻是指在显微镜下才能看到的微小藻类群体，包括螺旋藻、小球藻等多种藻类，广泛存在于天然水体中，是水生态环境的重要组成部分。

它的神奇之处在于：能利用光合作用，以极高的效率吸收环境中的无机碳（如二氧化碳）与无机氮（如氮氧化物），在生物代谢的过程中将其转化为有机碳（主要为糖类与油脂）和有机氮（主要为蛋白质）。

如果能对工业废气中的二氧化碳及氮氧化物进行富集、转化与提纯，作为养殖微藻的“养料”，不仅能减少炼化企业生产过程中的二氧化碳及污染物排放，而且可利用边角剩余土地开展养殖，增加蛋白质供应。

微藻的这种独特属性，也意味着，只要拥有了关键技术，就能让它在实现“双碳”目标与保障粮食安全方面发挥独特的作用。

现在，技术来了！

日前，由石科院牵头、多家参研单位共同合作的“微藻脱硝并兼产高价值生物产品技术开发与工业示范”项目通过了中国石化科技部组织的技术评议。

简单地说，这项技术就是用含二氧化碳的废气养殖微藻，再利用微藻生长过程中生成的蛋白质，作为食品与饲用蛋白来源。

 

 

利用微藻脱硝成套技术，可将工业废气中的二氧化碳和氮氧化物变废为宝，一家千万吨级石化企业年可产出约500万吨高蛋白微藻，市场价值超过500亿元，环保效益及经济效益显著。

技术虽好，研发不易。从最开始进入这一领域，到示范装置收到良好效果，这条探索之路，研究人员走了十多年。

01另辟蹊径从微藻制油到减排与蛋白质生产并举

从20世纪末开始，欧美政府及企业就已陆续展开微藻能源研究项目，但由于技术经济性等原因，陆续退出了这一领域，未能实现工业应用。

中国石化抓住机遇，超前布局。2008年，在集团公司科技部的支持下，石科院组建了一支思路开阔、敢试敢拼的微藻生物技术团队。

 

▲石科院微藻脱硝研发团队。

 

攻关并非一帆风顺，同样遇到了最大的障碍：经济性。据石科院院长李明丰介绍，只有当原油价格高于90美元/桶时，以微藻油为原料制备的生物柴油才具有经济优势。而自2014年起，国际油价却始终低位徘徊，成本劣势导致微藻生物质能源始终难以实现大规模工业应用。

研发团队不得不向“无人区”挺进。他们重新分析审视了微藻的组成与性质，发现微藻在生长过程中除了能生成用于制备生物燃料的油脂，还能积累大量的蛋白质、糖类及其他生物活性物质。其中，蛋白核小球藻与螺旋藻等藻种的蛋白质含量甚至在40%~70%，远高于常见的植物蛋白质含量。而且微藻中蛋白质的氨基酸可消化性好、组成均衡，是非常理想的食品与饲用蛋白来源。

研发团队敏锐地意识到：将微藻碳氮减排与蛋白质资源生产相结合，才是微藻生物技术未来能实现大规模应用的发展路径。

02寻根究底开展基础研究剖析科学规律

技术的不足，归根到底在于对基本原理的理解不够透彻。石科院研发团队决定从基础研究入手，深入剖析微藻脱硝技术背后所隐藏的科学本质。

 

▲显微镜下的小球藻。

 

研发团队层层分解，从反应原理、传递过程及细胞生理状态等不同角度，对氮氧化物固定与微藻生长所涉及的各个环节进行逐个击破，“对症下药”开发技术。

 

▲实验室中培养的微藻藻种。

 

最终，通过藻种采集、分离纯化、驯化筛选及性能评价等一系列手段，他们获得了能高效固定氮氧化物和二氧化碳的优势藻种35株，成功建立起了藻种库。

03花开两朵创新养殖模式助推技术突破

基础研究获得突破后，团队开始进行技术开发。而在建立技术体系之前，首先要确定的是微藻的养殖模式。

微藻养殖分为自养、兼养等模式。

自养模式是微藻仅以阳光为能源进行生长，具有技术简单、易于大规模实施、成本低等优势，但自然光的能量密度低，导致微藻生长速度较慢。

兼养模式是微藻同时利用光能和外源有机物作为能源，生长速度快、脱氮效率高，但对装置设备要求也更高，额外添加的有机物“饲料”也会增加成本。

两种路线各有优劣，而石油化工技术复杂多样，不同技术排放出的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。

研发团队创造性地提出两条技术路线并行开发的思路：自养模式应用于处理低浓度大流量的含氮污染物，兼养模式应用于处理棘手的高浓度含氮污染物。

 

▲微藻养殖光生物反应器。

 

确定研发方向后，团队乘势而上，迅速推进技术开发与实验室小试、中试研究，联合相关单位，在藻种选育、光能兼养技术、微藻高效采收与生物质利用等方面实现了创新与突破。

04世界首创工业示范装置成绩斐然

在中国石化科技部十余年的持续投入和大力支持下，2021年，石科院在国际范围内率先建立了微藻脱硝组合工艺，使烟气脱硝与微藻养殖两个关键过程既紧密耦合又独立运转，完成了微藻碳氮减排与高蛋白生物质生产利用的全流程技术开发，获得了一系列核心技术成果。

微藻处理氮磷废水与减排二氧化碳示范装置微藻脱硝组合工艺示范装置

 

 

这项世界首创的微藻脱硝组合工艺在业界引起了广泛关注，项目被列入国家“973”计划。在中国石化科技部组织的项目评议会上，专家一致认定该技术属国际首创，脱硝率和氮源固定效率达到国际领先水平，为利用微藻生物技术实现我国“碳中和”目标及粮食安全战略开辟了新道路。

目前，该项目已申请中国专利67项，获授权34项；申请国际专利2项，美国专利授权1项，形成了完整可自由运作的专利网，技术自主可控，相关科研项目获得集团公司2019年度前瞻性基础性研究一等奖。同时，中国石化先后在催化剂长岭分公司、石家庄炼化及湖北化肥等企业开展微藻碳氮减排的示范工作，均收到了良好效果，为微藻生物技术的进一步工业化实施奠定了基础。

本文转载自周油列国工作室微信公众号