微藻

为实现工业化推广，石科院对微藻脱硝兼产蛋白质的技术经济性不懈探索。

文/郑丹 陈子佩 黄绪耕 程琳

“理想很美好，现实很残酷。”新能源产业的发展，一直存在制约。

无论是太阳能、风能能否挑起国内的发电重任，还是氢能能否脉动中国，都要求在技术进步的推动下，让能源使用成本达到用户能够接受的价格水平。微藻生物技术，也是如此。

微藻生物技术离大规模实际应用还有多远？

“我们的目标就是要让微藻脱硝组合工艺真正实现技术经济合理，尽早实现工业化推广。”中国石化集团首席专家、微藻方向973项目首席科学家、石科院微藻领域科研工作责任专家宗保宁表示。

为了1%的可能

鱼跃龙门，可能尝试过千百次的跳跃。

凤鸣九天，可能经历过千百回的啼啭。

“我们设计了N种光生物反应器，在养殖过程中也提出了N种工艺方案。但是，很多都是试错性的。100次实验中，前99次都是无解的。”中国石化石油化工科学研究院（简称石科院）新能源研究所所长、微藻生物技术团队带头人荣峻峰表示。

科研的过程就是如此艰辛！

在微藻技术团队开始研发的时候，国内虽然有现成的微藻技术，但大都是采用生物工程技术制造保健品用，比如高档保健品螺旋藻片。“这些技术相对很成熟，但是能耗高、成本高，我们必须有自己的创新。”荣峻峰说。这意味着，微藻技术和工艺的攻关，要走一条前人和其他行业没有走过的路。

经过学习和调研，微藻技术团队从现有的技术中发掘了痛点和问题。针对这些痛点和问题，他们要给出一个又一个解决方案。

这个过程是反反复复的。就像达芬奇学画鸡蛋，在日复一日的单调和重复中，最终画出了最好的图画。

一次，他们终于看到一株藻漂起来了。这说明他们选对了藻种。“成功了！”他们为之欢呼的成功，来之不易。

他们还发现，蛋白核小球藻与螺旋藻等藻种的蛋白质含量达到40%~70%，远高于大多数藻种的蛋白质含量……

“养微藻就跟种庄稼一样，种瓜得瓜种豆得豆，首先得选择好种子。可以说，藻种的筛选是我们的一个独门绝技。”荣峻峰说。藻种问题解决了之后，他们利用淡水和海水都进行了上千平方米规模的养殖。

微藻养殖工艺，是微藻技术研发过程中面临的一个主要的困难。

微藻养殖需要使用光生物反应器，就是养殖微藻的装置。光生物反应器主要有开放式和封闭式两种。目前，广泛应用的是开放式光生物反应器中的跑道池，其结构为带有桨轮的跑道型浅池，池中盛放着养殖的藻液，藻液的厚度一般为15~30厘米。藻液在桨轮的驱动下沿着跑道池流动。微藻就沐浴着光，发挥光合作用，迅速生长。但是这种模式能耗很高，光能利用率低，生长效率也较低，必须有突破和创新。

石科院新能源研究所高级工程师郄凤翔介绍说，微藻是一种怕冷的生物，喜热不喜冷。所以，冬天时，他们特别害怕微藻会因为不耐寒而影响养殖效果。当温度在十一二摄氏度或者以下时，他们就要给微藻“保温”，比如他们尝试过用加热带把反应器包裹起来让温度升高。这使养殖工作在冬天也能正常地开展了。

此外，研发团队还通过温度测控系统、补气-pH反馈测控系统以及培养液控制系统，达到了提高CO2利用率、控制培养液pH，最终实现了提高微藻产率的目的。

群策群力，智慧碰撞。就像跑道池中的藻液在生生不息地流动，微藻生物技术团队对养殖技术的认识也在不断提高。

“在跑道池养殖的微藻吸收光的效率并不高，正午时候也就能用到大概20%，剩下80%的光是被白白浪费掉的。”荣峻峰说。

为了解决微藻对光的利用率不高影响产率的问题，负责这项工作的郄凤翔和同事对光反应器进行了优化和改造，提高了自然光的利用效率。

除了自然光，微藻养殖所需的光源还可以用其他能源转化而来。比如，利用LED光源在室内养殖微藻。

“在微藻养殖方面，我们进行了一些新的探索。相对于以前利用自然光进行的浅池养殖，我们开展了深池养殖即立体化养殖实验。平衡好对光的使用，利用光的效率就会大幅提高。”石科院院长、党委副书记、董事长、总经理李明丰介绍说。

研发永不止步

2020年，中国石化催化剂公司长岭分公司建设运行了一套微藻脱硝示范装置，采用的就是石科院的微藻脱硝成套工艺技术。

据介绍，催化剂公司长岭分公司过去用还原的方法（尿素与NOX反应生成氮气）处理催化剂生产装置排放出高浓度的NOX，每年需投入上千万元。

“我们的微藻脱硝技术是用氧化的办法把NOX变成稀硝酸，直接投喂给微藻，脱硝率达到90%，还为企业节约了可观的成本。”石科院新能源研究所高级工程师、催化剂公司长岭分公司微藻脱硝示范课题负责人朱俊英表示。

除了催化剂公司长岭分公司外，微藻技术团队还在中国石化下属的石家庄炼化建设了示范基地，在湖北化肥分公司进行了微藻处理含硝酸工业废水试验，都取得了理想的效果。

春华秋实，一年可见。但这项技术，却是十年耕耘，开花结果。背后的，是数不清的付出。

在催化剂公司长岭分公司微藻脱硝示范装置即将开车的时候，因为疫情，石科院对研究人员出差有严格的规定。

“眼看示范装置开车的时候快要到了，但是单位不允许出差，心里很是着急。”朱俊英说。所以，当疫情一有所缓和，朱俊英立即和同事提出了出差申请，结果得到了批准。机会难得，所以，她们去到示范装置那里，就想把所有的问题都解决好了再回来。而这一待就是三个月。“回家时，走前还没有断奶的我的小女儿都快不认识我了。”她笑着说。

令微藻生物技术团队欣喜的是，示范装置一次开车成功。

“工业示范的成功，验证了我们的技术可行性，同时也部分验证了技术经济性。”荣峻峰说。

目前，江西一家环保有限公司已经通过技术许可取得了石科院微藻脱硝技术的使用权。他们计划建造面积为1万平方米的养殖基地，生产高蛋白螺旋藻。

研究表明，微藻每年可固定全球CO2固定量的40%以上，是地球生态系统中固碳的主力军。一公顷的微藻一年可固碳220多吨，减碳效率是种树的10倍以上。深度挖掘微藻的高固碳能力，通过增强自然生态系统碳汇能力平衡碳循环，对于我国实现“碳中和”的目标意义重大。

“我现在的工作重点之一是解决微藻CCUS技术中的一些问题，如让微藻在水体中尽可能多地吸收CO2，加快它的生长率。因为水体中的CO2浓度较低，对微藻的生长是一个限速因素。”朱俊英说。

党的二十大提出，中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。而微藻脱硝成套工艺技术“用自然的方法解决自然的问题”，正好契合了这一主题。

同时，这一技术也符合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奋斗目标。

“我们的传统炼厂或者化工厂可以利用微藻生物技术，以更为环保的方式处理好废弃物排放，助力形成循环经济体系。所以，我们还要通过技术进步，使微藻生物技术尽快占据成本优势。”宗保宁说。

降本至每吨15000元

溯源地球上的蛋白质，均来自最原始的生命——微藻。

微藻在水体中相当于源初生产力。利用太阳做光合作用的微藻含有丰富的蛋白质和氨基酸。像虾、鱼这样的浮游动物以微藻为食，而这些虾和鱼又是人类的食物，由此形成了一个生物链。

“用微藻做畜禽养殖和水产养殖饲料具有独特的优势。作为传统饲料中主要的蛋白质来源的豆粕缺少一些必要的维生素和色素，而这正是微藻中富含的。”荣峻峰说。

根据微藻生物技术团队的实验，用蛋白核小球藻饲养一种名为黄辣丁的鱼，鱼的体色呈非常鲜艳的黄色，否则鱼的体色呈灰白色。对于更加强调体色和品相的观赏鱼、宠物鱼而言，蛋白核小球藻也是更为合适的饲料，它的价格甚至可以比宠物鱼饲料还便宜。

实验显示，微藻产出的蛋白质含量与鱼粉类似，其蛋白质含量占比为50%~60%，而且微藻中还含有丰富的维生素和有益的色素。但是，对于鱼粉这种目前广泛采用的高蛋白质饲料来说，微藻要想成为替代饲料，面临着成本竞争的问题。所以，微藻技术团队一直在做的，就是把成本再降降降。

“以鱼粉为例，我国每年大约进口150万吨鱼粉。鱼粉的到岸价格约为每吨12000元。我们的第一个目标是把微藻饲料的成本降到每吨15000元左右。”荣峻峰说。

“任何一种技术，唯一的考察标准就是市场占有率。能够占领市场的技术必须是生产成本和效率与现有技术相比具有优势的。所以，我们的微藻产蛋白质技术要做到和现有的大豆产蛋白质技术的成本接近。”宗保宁说。

一句话说到底，成本为王。成本决定了这项技术未来能否大规模实际应用。

降本，条条大路通罗马。

宗保宁认为，要提高微藻产蛋白质的效率，需要从以前的农业方式生产蛋白质变成工业形式生产蛋白质，在减排CO2和NOX的同时做到减少占地面积，提高效率。

经过测算，采用石科院的微藻CCUS技术可以用2吨CO2出1吨微藻，但1吨的微藻需要占用1亩土地。

“为解决土地依赖和由此产生的成本，我们可以走另一条技术路线——如果只给微藻喂NOX而不喂CO2，那么，可以通过反应釜进行，仅需一个厂房即可。”荣峻峰说。

在养殖微藻的过程中，他们不断对光生物反应器进行优化，研发出高效经济的薄膜光生物反应器。这种新型的光生物反应器单元可长周期进行日光兼养养殖，不仅提高了小球藻的生长速率，也大大降低了反应器的成本。

虽然条条大路通罗马，但每一条路都是拓荒。

使微藻产蛋白质技术全过程达到零排放同时降低成本，是又一个缠绕在微藻技术团队心中的难题。

据介绍，微藻生物质的能耗约占成本的30%左右，是节能降耗的主要方面。微藻生物质生产过程中，能耗主要来源于养殖和干燥环节。

为了降低养殖过程中的能耗，微藻技术团队从具有特殊性能的微藻藻种出发，充分利用藻细胞的特性，开发了微藻组合养殖工艺，避免了传统微藻养殖过程中光照时藻细胞一直运行的弊端，大幅降低了微藻养殖能耗。同时，他们从市场所需产品特性入手，采取了以产品为目标的干燥方式，比单纯干燥藻细胞提高了效率，降低了能耗。

十几年的艰难拓荒，通过持续的技术进步，微藻生物技术的成本在不断下降。

他们通过养殖装置与模式的创新，将固定资产投资比现有技术降低了70%以上；通过养殖工艺创新，使成本占比较大的系统能耗降低了50%以上；通过资源循环利用技术创新实现了零排放与低成本，形成了项目的核心竞争力。

“我们正在提高采收的效率、干燥的效率等，通过对各个环节的过程强化来使成本逐步接近对标鱼粉的水平。未来，如果国内对能源产品征收碳税，加上我们的技术经济性达到了令消费者接受的水平，就离大规模实际应用目标越来越近了。”宗保宁表示。

本文图片均由赵洪锋 朱俊英提供