一波三折，釋放微藻能量

鄭丹　劉偉　朱俊英　李煦　郄鳳翔

從制油到脫硝兼產(chǎn)蛋白質(zhì)，微藻脫硝成套工藝技術(shù)成為國際首創(chuàng)技術(shù)。

微藻，是一種神奇的生物?；涗涳@示，大約37億年前，是微藻通過收集太陽能，隔離碳原子并釋放出氧氣，最終成就了千姿百態(tài)的地球生命。

今天，這種神奇的生物有望再次拯救日益炎熱、擁擠，甚至饑餓的地球。

十年礪劍，一鳴驚人！

中國石化石油化工科學(xué)研究院有限公司（簡稱石科院）自主研發(fā)的微藻脫硝成套工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從微藻制油到減排與蛋白質(zhì)生產(chǎn)并舉，一舉三得。石科院院長、黨委副書記、董事長、總經(jīng)理李明豐表示：“微藻脫硝成套工藝技術(shù)標(biāo)志著，在微藻生物技術(shù)方面中國石化走在了世界前列?！?/p>

源起

2010年，一場“柴油荒”席卷我國南方多地。當(dāng)時(shí)，中國的南方2000多家民營加油站因缺油而停業(yè)。停業(yè)的加油站集中在廣東、江蘇、浙江等省。

能源安全無小事?！安裼突摹背霈F(xiàn)后，國內(nèi)兩大成品油供應(yīng)商中國石油和中國石化立即采取措施，增加柴油供應(yīng)。2010年10月，中國石油柴油產(chǎn)銷量均比上年同期增加30萬噸；8～10月，中國石化累計(jì)增加31萬噸的柴油供應(yīng)。

“那個時(shí)候，生物質(zhì)能源被提上很高的高度，很多院士都在討論怎么解決我國能源被‘卡脖子的問題?！笔圃盒履茉囱芯克L、微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)帶頭人榮峻峰告訴本刊記者。

其實(shí)，早在2008年，石科院就按照閔恩澤院士所指出的“微藻可能成為生物燃料制備的解決方案”這一思路，把微藻制生物柴油技術(shù)的研發(fā)工作提上了日程。

那么，微藻，這種神奇的生物到底是什么？

微藻是地球上最簡單的一種生物。它是在顯微鏡下才能看到的微小藻類群體，包括螺旋藻、小球藻等多種藻類，廣泛存在于天然水體中，是水生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。

它憑什么成為生物燃料制備的解決方案？

微藻的神奇之處在于它能利用光合作用，以極高的效率吸收環(huán)境中的無機(jī)碳（如CO2）與無機(jī)氮（NOx），在生物代謝的過程中將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳（主要為糖類與油脂）和有機(jī)氮（主要為蛋白質(zhì)）。工業(yè)廢氣中的CO2和NOx經(jīng)富集、轉(zhuǎn)化與提純，可以作為養(yǎng)殖微藻的養(yǎng)料，這樣就把養(yǎng)殖微藻變成了一個吸收CO2和NOx排放的過程。

正因?yàn)榭吹搅宋⒃宓纳衿嬷帲?0世紀(jì)末，世界各國開始對之展開研究。2007年，美國推出微型曼哈頓計(jì)劃，其宗旨是向海洋藻類要能源，以幫助美國擺脫嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油的窘境。隨著這一計(jì)劃的推進(jìn)，美國不僅開發(fā)出微藻制生物柴油技術(shù)，還開發(fā)出利用微藻替代糖來發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的專利。

2008年，在中國石化集團(tuán)公司科技部的支持下，石科院組建了一支思路開闊、敢試敢拼的微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)。

由于微藻技術(shù)本身橫跨多學(xué)科多領(lǐng)域，中國石化的微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)要與其他院所和相關(guān)學(xué)科的研究人員組成一個大團(tuán)隊(duì)，合作攻關(guān)。

據(jù)介紹，這個大團(tuán)隊(duì)的成員各有所專，又各有所長。石科院新能源研究所微藻團(tuán)隊(duì)具有工藝工程方面的優(yōu)勢，中科院水生生物研究所具有生物技術(shù)方面的強(qiáng)項(xiàng)。另外，這個大集體中還有微藻養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)和農(nóng)畜方面的研究人員。

微藻生物柴油成套技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)后，榮峻峰作為中國石化的微藻項(xiàng)目首席科學(xué)家，與項(xiàng)目的另一位首席科學(xué)家，中國科學(xué)院水生生物研究所研究員徐旭東共同研究并制定了研發(fā)計(jì)劃。研發(fā)課題涵蓋藻種的選育、光生物反應(yīng)器的研發(fā)、淡水油藻的養(yǎng)殖、海水油藻的養(yǎng)殖、提油等微藻生物技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈。

“為了組建中國石化新能源所微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)，一部分石化領(lǐng)域的研究人員被抽調(diào)出來，可謂半路出家，從零做起。更具挑戰(zhàn)的是，我們要協(xié)調(diào)好所有的團(tuán)隊(duì)成員，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成合力，一起去做實(shí)驗(yàn)、開展微藻生物柴油技術(shù)的研發(fā)工作?！睒s峻峰說。

團(tuán)隊(duì)組建好了，作為一項(xiàng)自主研發(fā)的技術(shù)，微藻制生物柴油技術(shù)團(tuán)隊(duì)面臨巨大挑戰(zhàn)。閔恩澤指出，重點(diǎn)要突破三大關(guān)鍵技術(shù)：第一，簡化流程，縮短產(chǎn)業(yè)鏈以大幅度降低投資和生產(chǎn)成本；第二，培育含油量高、生長快、適合我國沿海灘涂與沙漠地區(qū)的微藻品種系列；第三，發(fā)展微藻油、藻餅等綜合利用技術(shù)，增加利潤。

在閔恩澤的主持下，到2011年12月中期檢查時(shí)，微藻制油項(xiàng)目進(jìn)展良好。

“2014年，我們基本上把主要的技術(shù)環(huán)節(jié)都攻克了，也形成了比較完備的技術(shù)體系，相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)體系也建立起來了。但是，這條路卻沒有繼續(xù)往下走，主要原因是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性問題。”榮峻峰說。

同樣基于對技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的考慮，國內(nèi)外的一些研發(fā)團(tuán)隊(duì)也陸續(xù)退出，微藻能源技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。但是，中國石化卻沒有放棄。

不忘初心，方得始終。這種不放棄的精神，使石科院微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)為微藻技術(shù)再續(xù)新篇。

轉(zhuǎn)向

風(fēng)中回望來時(shí)路，“曲折”兩個字，抒發(fā)了石科院科研人員心中的感慨?？茖W(xué)研究，沒有平坦的大道。

正當(dāng)微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)躊躇滿志的時(shí)候，國際油價(jià)風(fēng)云突變，出現(xiàn)了2014年斷崖式的暴跌。對微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)來說，這是一個極度尷尬的局面。因?yàn)?，?dāng)他們成功搭建起微藻制油的技術(shù)體系后，國際油價(jià)從2008年的每桶140美元的巔峰滑入了每桶30～40美元的谷底。

“油價(jià)一暴跌，微藻制生物柴油就不具備成本競爭力了，這項(xiàng)技術(shù)未來的不確定性陡增?！睒s峻峰敏銳地意識到。

他介紹說，當(dāng)時(shí)，美國在研發(fā)微藻生物柴油的有?？松梨诠尽⑺{(lán)寶石公司等，比爾·蓋茨投資的基金也進(jìn)行了投資。石科院還與一家美國公司就此進(jìn)行過技術(shù)交流，這家公司在美國德克薩斯有一個示范基地。按照他們的測算，國際油價(jià)在每桶90美元以上，微藻制油才有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，這一點(diǎn)成為了共識。

每桶90美元，是個盈虧平衡點(diǎn)。低于這個水平，基本上意味著微藻制生物柴油這條路線走不通了。

“我們與中科院水生物研究所等科研院所合作開展了生物油藻技術(shù)的研發(fā)工作。經(jīng)過了10多年時(shí)間，成功研發(fā)出微藻制生物柴油技術(shù)，在當(dāng)時(shí)的高油價(jià)下前景較好。但是，要把藻油完全提取出來進(jìn)行煉制的成本較高，在當(dāng)時(shí)的價(jià)格體系下要實(shí)現(xiàn)替代石油，尚有一定困難?！崩蠲髫S說。

只能靜待機(jī)會。而在這種等待中，意味著微藻制生物柴油只能作為一項(xiàng)保障國家能源安全的重要技術(shù)儲備。

大鵬待展翅，東風(fēng)尚未來。

是一味地等待，還是另覓新路，讓微藻這層小小的波瀾激蕩出新的浪潮？

彼時(shí)，放眼國內(nèi)，借助裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大和成本的降低，新能源迎來了發(fā)展的黃金期。風(fēng)電、水電大舉占領(lǐng)能源市場份額，大有能和傳統(tǒng)化石能源一較高下之勢。我國持續(xù)多年的以煤和石油為主的能源消費(fèi)格局將被顛覆。

榮峻峰想，盡管微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)在過去的幾年來投入了巨大的精力，盡管國際油價(jià)也有可能走高，但時(shí)不我待，必須及時(shí)轉(zhuǎn)向。

行到水窮處，坐看云起時(shí)。

微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，微藻在生長的過程中通過光合作用吸收CO2或者NOX，除了能生成用于制備生物燃料的油脂外，還能積累大量的蛋白質(zhì)、糖類及其他生物活性物質(zhì)。于是，他們把對微藻的要求從產(chǎn)油轉(zhuǎn)化為產(chǎn)蛋白質(zhì)。

在微藻制油技術(shù)的研發(fā)過程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個有意思的現(xiàn)象：當(dāng)微藻在覺得餓的時(shí)候，也就是在生長環(huán)境比較惡劣的時(shí)候，它產(chǎn)的油越多，但同時(shí)產(chǎn)的蛋白質(zhì)會很少；反之，在它的生長環(huán)境比較優(yōu)越的時(shí)候，它產(chǎn)的蛋白質(zhì)就會越多，但產(chǎn)的油會很少。

始料未及！在開始研究微藻制油的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)壓根就沒有想要通過微藻獲得蛋白質(zhì)。

“那時(shí)候，我們做的是怎么樣限制微藻產(chǎn)出的蛋白質(zhì)量，增加微藻的產(chǎn)油量。”榮峻峰說，“現(xiàn)在，我們要轉(zhuǎn)到另一面去做了?！边@就是順著微藻的最優(yōu)條件去做，把它喂得飽飽的，讓它多產(chǎn)蛋白質(zhì)。

路雖遠(yuǎn)，行則將至。事雖難，做則能成。

對石科院來說，微藻技術(shù)之路還得走下去。

作為國有企業(yè)的研究院，他們要為助力中國石化實(shí)現(xiàn)打造潔凈能源化工公司的目標(biāo)提供技術(shù)支撐，要為中國石化提前實(shí)現(xiàn)碳中和提供技術(shù)支撐。這種責(zé)任感和使命感，讓他們一定要把事做成。

于是，微藻還是那個微藻，但終端產(chǎn)品從柴油變成了蛋白質(zhì)。

微藻生物技術(shù)沒有被“卡住脖子”，由此奠定了這一技術(shù)將在未來發(fā)揮大能量。

微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)及時(shí)轉(zhuǎn)向的智慧，也被后來的發(fā)展所印證和支撐。

2014年至今，國際油價(jià)只是短暫跨越過每桶百美元的關(guān)口，達(dá)到每桶90美元的日子也是甚少。同時(shí)，新能源所技術(shù)的發(fā)展主要向“電”和“氫”轉(zhuǎn)變。國內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)搭上國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的快車，不僅新興的光電、風(fēng)電迅速發(fā)展，氫能也被列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向，將成為未來國家能源體系的重要組成部分。在大力發(fā)展新能源電力之外，氫風(fēng)勢不可擋，“氫概念”被引入國內(nèi)，國內(nèi)加油站出現(xiàn)了加氫業(yè)務(wù)。

多種新能源形式競相爭艷。在國家“雙碳”目標(biāo)和打造循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的趨向中，石科院微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的微藻脫硝兼產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)已然占據(jù)騰飛的風(fēng)口。

跨界

秸稈、玉米制乙醇汽油，甜菜制生物質(zhì)汽油……能源多元化時(shí)代，跨界多、變化快。

石科院的微藻脫硝兼產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)，把農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、化工業(yè)，生物工程和化學(xué)工程，甚至國家糧食安全和環(huán)保目標(biāo)聯(lián)系在一起。同時(shí)，相對于傳統(tǒng)的大豆產(chǎn)蛋白質(zhì)方法，微藻產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)，是一種顛覆式的變革創(chuàng)新。

在石科院微藻養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室，本刊記者看到了一個個淺池。湊近一看，整個池水呈現(xiàn)一片綠色，和長了水草的湖水一個顏色。這里面就養(yǎng)殖著地球上最簡單的生物體——微藻。微藻與水融在一起，形成“水藻交融”之態(tài)。

石科院新能源研究所黨支部書記鄭金玉介紹說，單個的微藻是人類肉眼無法看到的，能看到水呈現(xiàn)綠色是因?yàn)槔锩嬗性S多的微藻聚在一起。

那么，這種小小的生物，是如何轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的，又是如何把國家能源安全和糧食安全聯(lián)系在一起的？

中國石化集團(tuán)首席專家、微藻方向973項(xiàng)目首席科學(xué)家、石科院微藻領(lǐng)域科研工作責(zé)任專家宗保寧介紹說，通過給微藻飼喂無機(jī)的CO2和NOx，通過微藻的酶催化，把它轉(zhuǎn)化成有機(jī)的蛋白質(zhì)。與種植大豆相比，微藻利用光合作用吸收CO2和NOX生產(chǎn)蛋白質(zhì)，生產(chǎn)效率和速度比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)都是數(shù)量級的提高。

眾所周知，我國是一個石油消費(fèi)的大國，石油的對外依存度現(xiàn)已超過70%。然而，在糧食領(lǐng)域，國內(nèi)對進(jìn)口大豆的依賴卻并不亞于石油，大豆的對外依存度現(xiàn)已超過80%。我國同時(shí)也是一個畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖的大國，大豆中富含的蛋白質(zhì)是雞、豬、牛、魚、蝦、蟹等飼料中的重要營養(yǎng)元素。同時(shí)，我國全面建成小康社會，必須滿足人民越來越豐富的對肉蛋乳等高蛋白食品的需求。

數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)每年進(jìn)口約1億噸大豆。除了用來榨油之外，每年大約8000萬噸的大豆用來制成豆粕，為養(yǎng)殖業(yè)提供所需的蛋白質(zhì)飼料。

國內(nèi)對蛋白質(zhì)的高度對外依賴，使微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)看到了把國家糧食安全、CO2減排和微藻生物技術(shù)相結(jié)合的重要意義。作為替代大豆等植物蛋白和魚粉飼料的唯一品種的微藻，其養(yǎng)殖可不占用農(nóng)田，在產(chǎn)生極高碳匯價(jià)值的同時(shí)還可作為一種自主可控的新型蛋白質(zhì)來源，全面保障我國養(yǎng)殖業(yè)穩(wěn)定和糧食安全。

“有消息說美國在研究大豆與中國脫鉤。我國有18億畝耕地，如果用來種植能滿足國內(nèi)一年所需的大豆，要用掉7億多畝耕地。這是極不可能的。因?yàn)椋诟刭Y源有限的情況下，我們要首先保證14億多人口的糧食安全，不可能犧牲主糧種植面積來種植大豆?！睒s峻峰表示。

微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)的設(shè)想是，我國的荒漠、沿海灘涂、鹽堿地有9900多萬公頃，假設(shè)拿出3%的地方去養(yǎng)微藻，一年就能產(chǎn)出大約3000萬噸的蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對大豆蛋白的替代。

創(chuàng)新思路！利用國內(nèi)廣袤的西北荒漠、沿海灘涂或者鹽堿地養(yǎng)殖微藻，根本不用動用寶貴的18億畝耕地。那么，就能基本解決國內(nèi)對進(jìn)口大豆的蛋白質(zhì)依賴，緩解需要增種大豆產(chǎn)生的與人爭糧、與農(nóng)爭地的問題。

“微藻脫硝兼產(chǎn)蛋白質(zhì)，既利用微藻減排了CO2和NOX，產(chǎn)出的蛋白又解決了我國糧食安全的‘卡脖子難題。這比我們一開始做的微藻生物柴油更具現(xiàn)實(shí)意義。”榮峻峰說，“為此，我們團(tuán)隊(duì)與中國石化系統(tǒng)外的多家院所、學(xué)校等合作，展開了一項(xiàng)又一項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。”

與中國科學(xué)院水生生物研究所合作，進(jìn)行淡水藻種的篩選。

與中國科學(xué)院南海海洋研究所合作，進(jìn)行海水藻種的篩選。

與中國科學(xué)院過程工程研究所合作，進(jìn)行微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器的研發(fā)。

與中國科學(xué)院武漢植物園合作，進(jìn)行螺旋藻藻種篩選及微藻生物質(zhì)高附加值產(chǎn)品研發(fā)。

與中糧營養(yǎng)健康研究院合作，開展螺旋藻飼料應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

與華南理工大學(xué)合作，開展小球藻藻種篩選及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

與暨南大學(xué)合作，開展絲狀微藻藻種篩選及產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。

…… ……

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，集體智慧。

“石科院自主研發(fā)的微藻脫硝成套工藝技術(shù)屬國際首創(chuàng)，其脫硝率和氮源固定效率達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為采用微藻生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國‘碳中和目標(biāo)及糧食安全戰(zhàn)略開辟了新道路。”中國石化科技部組織專家評議給出了評價(jià)。

微藻生物技術(shù)領(lǐng)域已申請中國專利84件，其中授權(quán)45件，授權(quán)國外專利2項(xiàng)10件，形成了完整可自由運(yùn)作的專利網(wǎng)，技術(shù)自主可控。同時(shí)，微藻用于CO2與NOx減排技術(shù)還成為國家973重大科研項(xiàng)目成果，獲得了2019年度中國石化前瞻性基礎(chǔ)性研究科學(xué)獎一等獎，微藻脫硝組合工藝技術(shù)也獲得了2022年中國化工學(xué)會基礎(chǔ)研究成果獎二等獎。

“這說明我們在微藻脫硝工藝、新型光生物反應(yīng)器、創(chuàng)新養(yǎng)殖方法、微藻采收工藝等微藻生物技術(shù)的上下游領(lǐng)域，形成了完整的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，在大規(guī)模的微藻養(yǎng)殖結(jié)合脫硝兼產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)走在國際前列?！睒s峻峰說。

神奇微藻，不鳴則已，一鳴驚人。

責(zé)任編輯：石杏茹