？石科院研发人员进行试验。

石科院实验室中 培养的微藻藻种。

    □李 煦 陈子佩 朱俊英 程 琳 文/图

    近日，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。评议专家一致认为，石科院自主研发的微藻脱硝成套工艺技术属国际首创，其脱硝率和氮源固定效率达到国际领先水平，为采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。

    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，尝试以含二氧化碳的废气饲养微藻获取液体生物燃料，但由于技术经济性、国际油价等多方面的原因，他们都逐渐退出了这一领域，微藻生物能源技术也未能实现真正的工业应用。但同时，科学界与工程界还对微藻脱硝技术（通过微藻减排氮氧化物的技术）寄予厚望。

    微藻脱硝技术通常是直接将含有氮氧化物的烟气通入微藻养殖体系，利用微藻细胞对氮氧化物进行吸收与固定。但由于氮氧化物在水中溶解度低、微藻细胞不能直接利用中性氮氧化物分子等一系列原因，微藻脱硝技术始终无法满足大规模工业化应用对于效率和稳定性的要求。

    中国石化抓住这一机遇，开始超前布局。早在2008年，在集团公司科技部的支持下，石科院就组建了微藻生物技术团队。作为一项典型的跨学科研究课题，微藻生物技术涉及生物技术、环境科学与化学化工等多个领域，因此，研发团队中既有研究微藻出身的科班力量，又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却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、敢试敢拼的优秀队伍。

    虽然具备了高素质的研发团队，但是这项技术的攻关并非一帆风顺。“与国际上绝大多数团队类似，石科院微藻生物技术团队的研究方向最初也集中在微藻生物质能源开发方面。经过数年的努力，我们形成了从含油藻种筛选、微藻规模化养殖、高效低成本采收与液体燃料加工全流程的技术体系。但在迈向工业化示范的过程中，石科院也同国内外其他研究机构一样，遇到了经济性的障碍。”石科院院长李明丰介绍，“以生物柴油为例，根据成本核算，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。然而自2014年起，国际油价却始终徘徊在90美元/桶之下。微藻生物质能源受困于这一成本劣势，始终难以实现大规模工业应用。”

    面对微藻生物技术发展的困境，石科院研发团队不得不向“无人区”进发，从荒野中探索出一条新路。研发团队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。

    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。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。

    氮氧化物在水中溶解度低，团队就针对烟气中氮氧化物的催化氧化机理进行分析，找出提高氮氧化物吸收率的关键点；氮氧化物高效脱除的条件与适宜微藻生长的条件不一致，团队就想方设法将化工过程和生物过程剥离，分别进行优化后再组合；微藻对氮氧化物的吸收速度慢，团队就对微藻细胞氮代谢机制展开研究，筛选氮转化效率高的微藻品种。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。

    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。在建立技术体系之前，首先要确定微藻的养殖模式。

    “微藻养殖分为自养、兼养等多种模式。自养模式就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。”中国石化新能源研究所所长、微藻生物技术团队带头人荣峻峰介绍，“兼养模式是指微藻同时利用光能和外源有机物作为能源生长，这种模式的生长速度快、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’也会增加养殖成本。”

    两种路线各有优劣，到底选择哪种方式更适合微藻脱硝技术？团队中存在不同意见。在难以达成一致的情况下，研发团队暂时搁置了对于养殖方式的争论，将目光投向脱硝技术的处理对象——污染源。

    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。在精准分析后，石科院研发团队创造性地提出两条路线并行开发的思路，以最大程度地发挥两条技术路线各自的优势：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。两种技术路线并行使用，可极大程度提升工艺的适应性，增强技术应对复杂市场需求的整体竞争力。

    确定了两种养殖方式并行的研发方向后，团队乘势而上，迅速推进技术开发与实验室小试、中试研究，联合催化剂公司、石家庄炼化、湖北化肥、上海工程，以及华南理工大学、中国科学院武汉植物园、暨南大学、中粮营养健康研究院等单位，在藻种选育、烟气吸收、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、微藻高效采收与生物质利用等方面实现了创新与突破。

    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，将优化后的单项技术有机整合，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。

    石科院世界首创的微藻脱硝组合工艺在业界引起了广泛关注，项目被列入国家重点基础研究发展计划（“973”计划），课题验收专家组认定该项目“在国际上首次研究论证了微藻生物脱除工业烟气氮氧化物的工业适用性，构建了完整的专利网”“提供了一条烟气氮氧化物减排的新路线，在本领域产生了重要影响”。在中国石化科技部组织的项目评议会上，评议专家一致认定石科院自主研发的微藻脱硝成套工艺技术属国际首创，其脱硝率和氮源固定效率达到国际领先水平，为采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。

    微藻脱硝组合工艺工业示范装置的数据显示：脱硝装置出口氮氧化物含量在20毫克/立方米左右，仅为规定排放标准的1/5，达到超洁净排放标准。这说明该技术脱硝率达到90%以上，可成功将烟气中的氮氧化物转化为稀硝酸并作为微藻生长的养料，实现了一定规模的微藻生产，且微藻产品重金属含量等安全指标均满足饲料卫生标准的要求。

    而微藻自养处理氮磷废水示范装置的数据表明，微藻对于工业废水中的硝酸和磷酸盐也有良好的处理能力。饲养出的螺旋藻产品蛋白质含量近60%，超过常规饲料近五成，目前已作为饲料成功应用于饲养仔猪及多宝鱼、罗氏沼虾等，同时还验证了通过后续深度加工生产出亚麻酸、胡萝卜素、藻蓝素等高附加值代谢产物的可行性，未来可以进一步应用于保健品生产。

    微藻广阔天地大有可为

    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。微藻脱硝成套技术能够变废为宝，利用污染物生产高价值生物产品，将粮食安全、新能源与环境保护等国家战略有机结合，实现环境保护与社会经济发展的和谐统一，具备极大发展潜能。

    同时，微藻脱硝成套技术还可建立起循环经济的新体系。一家千万吨级规模的石化生产企业，利用微藻脱硝成套技术可实现二氧化碳和氮氧化物大幅减排，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极为显著。

    微藻脱硝成套技术是中国石化践行绿色高质量发展、以科技创新引领转型升级的有力举措。下一步，中国石化将进一步提升技术水平，并在海南建设万吨级二氧化碳减排示范基地，以实际行动守护绿水青山。