十年探索，奠定推廣基礎(chǔ)

鄭丹　陳子佩　黃緒耕　程琳

“理想很美好，現(xiàn)實(shí)很殘酷?！毙履茉串a(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一直存在制約。

無(wú)論是太陽(yáng)能、風(fēng)能能否挑起國(guó)內(nèi)的發(fā)電重任，還是氫能能否脈動(dòng)中國(guó)，都要求在技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，讓能源使用成本達(dá)到用戶能夠接受的價(jià)格水平。微藻生物技術(shù)，也是如此。

微藻生物技術(shù)離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？

“我們的目標(biāo)就是要讓微藻脫硝組合工藝真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，盡早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化推廣?！敝袊?guó)石化集團(tuán)首席專(zhuān)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(zhuān)家宗保寧表示。

為了1%的可能

魚(yú)躍龍門(mén)，可能?chē)L試過(guò)千百次的跳躍。

鳳鳴九天，可能經(jīng)歷過(guò)千百回的啼囀。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了N種光生物反應(yīng)器，在養(yǎng)殖過(guò)程中也提出了N種工藝方案。但是，很多都是試錯(cuò)性的。100次實(shí)驗(yàn)中，前99次都是無(wú)解的?！敝袊?guó)石化石油化工科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)石科院）新能源研究所所長(zhǎng)、微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)帶頭人榮峻峰表示。

科研的過(guò)程就是如此艱辛！

在微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)雖然有現(xiàn)成的微藻技術(shù)，但大都是采用生物工程技術(shù)制造保健品用，比如高檔保健品螺旋藻片?！斑@些技術(shù)相對(duì)很成熟，但是能耗高、成本高，我們必須有自己的創(chuàng)新?！睒s峻峰說(shuō)。這意味著，微藻技術(shù)和工藝的攻關(guān)，要走一條前人和其他行業(yè)沒(méi)有走過(guò)的路。

經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和調(diào)研，微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)從現(xiàn)有的技術(shù)中發(fā)掘了痛點(diǎn)和問(wèn)題。針對(duì)這些痛點(diǎn)和問(wèn)題，他們要給出一個(gè)又一個(gè)解決方案。

這個(gè)過(guò)程是反反復(fù)復(fù)的。就像達(dá)芬奇學(xué)畫(huà)雞蛋，在日復(fù)一日的單調(diào)和重復(fù)中，最終畫(huà)出了最好的圖畫(huà)。

一次，他們終于看到一株藻漂起來(lái)了。這說(shuō)明他們選對(duì)了藻種。“成功了！”他們?yōu)橹畾g呼的成功，來(lái)之不易。

他們還發(fā)現(xiàn)，蛋白核小球藻與螺旋藻等藻種的蛋白質(zhì)含量達(dá)到40%～70%，遠(yuǎn)高于大多數(shù)藻種的蛋白質(zhì)含量……

“養(yǎng)微藻就跟種莊稼一樣，種瓜得瓜種豆得豆，首先得選擇好種子?？梢哉f(shuō)，藻種的篩選是我們的一個(gè)獨(dú)門(mén)絕技?！睒s峻峰說(shuō)。藻種問(wèn)題解決了之后，他們利用淡水和海水都進(jìn)行了上千平方米規(guī)模的養(yǎng)殖。

微藻養(yǎng)殖工藝，是微藻技術(shù)研發(fā)過(guò)程中面臨的一個(gè)主要的困難。

微藻養(yǎng)殖需要使用光生物反應(yīng)器，就是養(yǎng)殖微藻的裝置。光生物反應(yīng)器主要有開(kāi)放式和封閉式兩種。目前，廣泛應(yīng)用的是開(kāi)放式光生物反應(yīng)器中的跑道池，其結(jié)構(gòu)為帶有槳輪的跑道型淺池，池中盛放著養(yǎng)殖的藻液，藻液的厚度一般為15～30厘米。藻液在槳輪的驅(qū)動(dòng)下沿著跑道池流動(dòng)。微藻就沐浴著光，發(fā)揮光合作用，迅速生長(zhǎng)。但是這種模式能耗很高，光能利用率低，生長(zhǎng)效率也較低，必須有突破和創(chuàng)新。

石科院新能源研究所高級(jí)工程師郄鳳翔介紹說(shuō)，微藻是一種怕冷的生物，喜熱不喜冷。所以，冬天時(shí)，他們特別害怕微藻會(huì)因?yàn)椴荒秃绊戰(zhàn)B殖效果。當(dāng)溫度在十一二攝氏度或者以下時(shí)，他們就要給微藻“保溫”，比如他們嘗試過(guò)用加熱帶把反應(yīng)器包裹起來(lái)讓溫度升高。這使養(yǎng)殖工作在冬天也能正常地開(kāi)展了。

此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還通過(guò)溫度測(cè)控系統(tǒng)、補(bǔ)氣-pH反饋測(cè)控系統(tǒng)以及培養(yǎng)液控制系統(tǒng)，達(dá)到了提高CO2利用率、控制培養(yǎng)液pH，最終實(shí)現(xiàn)了提高微藻產(chǎn)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動(dòng)，微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)養(yǎng)殖技術(shù)的認(rèn)識(shí)也在不斷提高。

“在跑道池養(yǎng)殖的微藻吸收光的效率并不高，正午時(shí)候也就能用到大概20%，剩下80%的光是被白白浪費(fèi)掉的。”榮峻峰說(shuō)。

為了解決微藻對(duì)光的利用率不高影響產(chǎn)率的問(wèn)題，負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作的郄鳳翔和同事對(duì)光反應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化和改造，提高了自然光的利用效率。

除了自然光，微藻養(yǎng)殖所需的光源還可以用其他能源轉(zhuǎn)化而來(lái)。比如，利用LED光源在室內(nèi)養(yǎng)殖微藻。

“在微藻養(yǎng)殖方面，我們進(jìn)行了一些新的探索。相對(duì)于以前利用自然光進(jìn)行的淺池養(yǎng)殖，我們開(kāi)展了深池養(yǎng)殖即立體化養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)。平衡好對(duì)光的使用，利用光的效率就會(huì)大幅提高?！笔圃涸洪L(zhǎng)、黨委副書(shū)記、董事長(zhǎng)、總經(jīng)理李明豐介紹說(shuō)。

研發(fā)永不止步

2020年，中國(guó)石化催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司建設(shè)運(yùn)行了一套微藻脫硝示范裝置，采用的就是石科院的微藻脫硝成套工藝技術(shù)。

據(jù)介紹，催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司過(guò)去用還原的方法（尿素與NOX反應(yīng)生成氮?dú)猓┨幚泶呋瘎┥a(chǎn)裝置排放出高濃度的NOX，每年需投入上千萬(wàn)元。

“我們的微藻脫硝技術(shù)是用氧化的辦法把NOX變成稀硝酸，直接投喂給微藻，脫硝率達(dá)到90%，還為企業(yè)節(jié)約了可觀的成本?！笔圃盒履茉囱芯克呒?jí)工程師、催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司微藻脫硝示范課題負(fù)責(zé)人朱俊英表示。

除了催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司外，微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)還在中國(guó)石化下屬的石家莊煉化建設(shè)了示范基地，在湖北化肥分公司進(jìn)行了微藻處理含硝酸工業(yè)廢水試驗(yàn)，都取得了理想的效果。

春華秋實(shí)，一年可見(jiàn)。但這項(xiàng)技術(shù)，卻是十年耕耘，開(kāi)花結(jié)果。背后的，是數(shù)不清的付出。

在催化劑公司長(zhǎng)嶺分公司微藻脫硝示范裝置即將開(kāi)車(chē)的時(shí)候，因?yàn)橐咔?，石科院?duì)研究人員出差有嚴(yán)格的規(guī)定。

“眼看示范裝置開(kāi)車(chē)的時(shí)候快要到了，但是單位不允許出差，心里很是著急?！敝炜∮⒄f(shuō)。所以，當(dāng)疫情一有所緩和，朱俊英立即和同事提出了出差申請(qǐng)，結(jié)果得到了批準(zhǔn)。機(jī)會(huì)難得，所以，她們?nèi)サ绞痉堆b置那里，就想把所有的問(wèn)題都解決好了再回來(lái)。而這一待就是三個(gè)月。“回家時(shí)，走前還沒(méi)有斷奶的我的小女兒都快不認(rèn)識(shí)我了?！彼χf(shuō)。

令微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)欣喜的是，示范裝置一次開(kāi)車(chē)成功。

“工業(yè)示范的成功，驗(yàn)證了我們的技術(shù)可行性，同時(shí)也部分驗(yàn)證了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。”榮峻峰說(shuō)。

目前，江西一家環(huán)保有限公司已經(jīng)通過(guò)技術(shù)許可取得了石科院微藻脫硝技術(shù)的使用權(quán)。他們計(jì)劃建造面積為1萬(wàn)平方米的養(yǎng)殖基地，生產(chǎn)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，是地球生態(tài)系統(tǒng)中固碳的主力軍。一公頃的微藻一年可固碳220多噸，減碳效率是種樹(shù)的10倍以上。深度挖掘微藻的高固碳能力，通過(guò)增強(qiáng)自然生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力平衡碳循環(huán)，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)意義重大。

“我現(xiàn)在的工作重點(diǎn)之一是解決微藻CCUS技術(shù)中的一些問(wèn)題，如讓微藻在水體中盡可能多地吸收CO2，加快它的生長(zhǎng)率。因?yàn)樗w中的CO2濃度較低，對(duì)微藻的生長(zhǎng)是一個(gè)限速因素?！敝炜∮⒄f(shuō)。

黨的二十大提出，中國(guó)式現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化。而微藻脫硝成套工藝技術(shù)“用自然的方法解決自然的問(wèn)題”，正好契合了這一主題。

同時(shí)，這一技術(shù)也符合中國(guó)石化踐行綠色高質(zhì)量發(fā)展，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的奮斗目標(biāo)。

“我們的傳統(tǒng)煉廠或者化工廠可以利用微藻生物技術(shù)，以更為環(huán)保的方式處理好廢棄物排放，助力形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。所以，我們還要通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，使微藻生物技術(shù)盡快占據(jù)成本優(yōu)勢(shì)?！弊诒幷f(shuō)。

降本至每噸15000元

溯源地球上的蛋白質(zhì)，均來(lái)自最原始的生命——微藻。

微藻在水體中相當(dāng)于源初生產(chǎn)力。利用太陽(yáng)做光合作用的微藻含有豐富的蛋白質(zhì)和氨基酸。像蝦、魚(yú)這樣的浮游動(dòng)物以微藻為食，而這些蝦和魚(yú)又是人類(lèi)的食物，由此形成了一個(gè)生物鏈。

“用微藻做畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。作為傳統(tǒng)飼料中主要的蛋白質(zhì)來(lái)源的豆粕缺少一些必要的維生素和色素，而這正是微藻中富含的?！睒s峻峰說(shuō)。

根據(jù)微藻生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)，用蛋白核小球藻飼養(yǎng)一種名為黃辣丁的魚(yú)，魚(yú)的體色呈非常鮮艷的黃色，否則魚(yú)的體色呈灰白色。對(duì)于更加強(qiáng)調(diào)體色和品相的觀賞魚(yú)、寵物魚(yú)而言，蛋白核小球藻也是更為合適的飼料，它的價(jià)格甚至可以比寵物魚(yú)飼料還便宜。

實(shí)驗(yàn)顯示，微藻產(chǎn)出的蛋白質(zhì)含量與魚(yú)粉類(lèi)似，其蛋白質(zhì)含量占比為50%～60%，而且微藻中還含有豐富的維生素和有益的色素。但是，對(duì)于魚(yú)粉這種目前廣泛采用的高蛋白質(zhì)飼料來(lái)說(shuō)，微藻要想成為替代飼料，面臨著成本競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。所以，微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)一直在做的，就是把成本再降降降。

“以魚(yú)粉為例，我國(guó)每年大約進(jìn)口150萬(wàn)噸魚(yú)粉。魚(yú)粉的到岸價(jià)格約為每噸12000元。我們的第一個(gè)目標(biāo)是把微藻飼料的成本降到每噸15000元左右?！睒s峻峰說(shuō)。

“任何一種技術(shù)，唯一的考察標(biāo)準(zhǔn)就是市場(chǎng)占有率。能夠占領(lǐng)市場(chǎng)的技術(shù)必須是生產(chǎn)成本和效率與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)勢(shì)的。所以，我們的微藻產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)要做到和現(xiàn)有的大豆產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)的成本接近。”宗保寧說(shuō)。

一句話說(shuō)到底，成本為王。成本決定了這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)能否大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

降本，條條大路通羅馬。

宗保寧認(rèn)為，要提高微藻產(chǎn)蛋白質(zhì)的效率，需要從以前的農(nóng)業(yè)方式生產(chǎn)蛋白質(zhì)變成工業(yè)形式生產(chǎn)蛋白質(zhì)，在減排CO2和NOX的同時(shí)做到減少占地面積，提高效率。

經(jīng)過(guò)測(cè)算，采用石科院的微藻CCUS技術(shù)可以用2噸CO2出1噸微藻，但1噸的微藻需要占用1畝土地。

“為解決土地依賴(lài)和由此產(chǎn)生的成本，我們可以走另一條技術(shù)路線——如果只給微藻喂NOX而不喂CO2，那么，可以通過(guò)反應(yīng)釜進(jìn)行，僅需一個(gè)廠房即可。”榮峻峰說(shuō)。

在養(yǎng)殖微藻的過(guò)程中，他們不斷對(duì)光生物反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)出高效經(jīng)濟(jì)的薄膜光生物反應(yīng)器。這種新型的光生物反應(yīng)器單元可長(zhǎng)周期進(jìn)行日光兼養(yǎng)養(yǎng)殖，不僅提高了小球藻的生長(zhǎng)速率，也大大降低了反應(yīng)器的成本。

雖然條條大路通羅馬，但每一條路都是拓荒。

使微藻產(chǎn)蛋白質(zhì)技術(shù)全過(guò)程達(dá)到零排放同時(shí)降低成本，是又一個(gè)纏繞在微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)心中的難題。

據(jù)介紹，微藻生物質(zhì)的能耗約占成本的30%左右，是節(jié)能降耗的主要方面。微藻生物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中，能耗主要來(lái)源于養(yǎng)殖和干燥環(huán)節(jié)。

為了降低養(yǎng)殖過(guò)程中的能耗，微藻技術(shù)團(tuán)隊(duì)從具有特殊性能的微藻藻種出發(fā)，充分利用藻細(xì)胞的特性，開(kāi)發(fā)了微藻組合養(yǎng)殖工藝，避免了傳統(tǒng)微藻養(yǎng)殖過(guò)程中光照時(shí)藻細(xì)胞一直運(yùn)行的弊端，大幅降低了微藻養(yǎng)殖能耗。同時(shí)，他們從市場(chǎng)所需產(chǎn)品特性入手，采取了以產(chǎn)品為目標(biāo)的干燥方式，比單純干燥藻細(xì)胞提高了效率，降低了能耗。

十幾年的艱難拓荒，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步，微藻生物技術(shù)的成本在不斷下降。

他們通過(guò)養(yǎng)殖裝置與模式的創(chuàng)新，將固定資產(chǎn)投資比現(xiàn)有技術(shù)降低了70%以上；通過(guò)養(yǎng)殖工藝創(chuàng)新，使成本占比較大的系統(tǒng)能耗降低了50%以上；通過(guò)資源循環(huán)利用技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了零排放與低成本，形成了項(xiàng)目的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

“我們正在提高采收的效率、干燥的效率等，通過(guò)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的過(guò)程強(qiáng)化來(lái)使成本逐步接近對(duì)標(biāo)魚(yú)粉的水平。未來(lái)，如果國(guó)內(nèi)對(duì)能源產(chǎn)品征收碳稅，加上我們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性達(dá)到了令消費(fèi)者接受的水平，就離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)越來(lái)越近了?！弊诒幈硎尽?/p>

責(zé)任編輯：石杏茹