从制油到脱硝兼产蛋白质，微藻脱硝成套工艺技术成为国际首创技术。

 

文‖本刊记者 郑 丹 / 刘 伟 朱俊英 李 煦 郄凤翔

　　微藻，是一种神奇的生物。化石记录显示，大约37亿年前，是微藻通过收集太阳能，隔离碳原子并释放出氧气，最终成就了千姿百态的地球生命。

　　今天，这种神奇的生物有望再次拯救日益炎热、拥挤，甚至饥饿的地球。

　　十年砺剑，一鸣惊人!

　　中国石化石油化工科学研究院有限公司(简称石科院)自主研发的微藻脱硝成套工艺技术，实现了从微藻制油到减排与蛋白质生产并举，一举三得。石科院院长、党委副书记、董事长、总经理李明丰表示：“微藻脱硝成套工艺技术标志着，在微藻生物技术方面中国石化走在了世界前列。”

　　源起

　　2010年，一场“柴油荒”席卷我国南方多地。当时，中国的南方2000多家民营加油站因缺油而停业。停业的加油站集中在广东、江苏、浙江等省。

　　能源安全无小事。“柴油荒”出现后，国内两大成品油供应商中国石油和中国石化立即采取措施，增加柴油供应。2010年10月，中国石油柴油产销量均比上年同期增加30万吨;8~10月，中国石化累计增加31万吨的柴油供应。

　　“那个时候，生物质能源被提上很高的高度，很多院士都在讨论怎么解决我国能源被‘卡脖子’的问题。”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告诉本刊记者。

　　其实，早在2008年，石科院就按照闵恩泽院士所指出的“微藻可能成为生物燃料制备的解决方案”这一思路，把微藻制生物柴油技术的研发工作提上了日程。

　　那么，微藻，这种神奇的生物到底是什么?

　　微藻是地球上最简单的一种生物。它是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。

　　它凭什么成为生物燃料制备的解决方案?

　　微藻的神奇之处在于它能利用光合作用，以极高的效率吸收环境中的无机碳(如CO2)与无机氮(NOx)，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)。工业废气中的CO2和NOx经富集、转化与提纯，可以作为养殖微藻的养料，这样就把养殖微藻变成了一个吸收CO2和NOx排放的过程。

　　正因为看到了微藻的神奇之处，20世纪末，世界各国开始对之展开研究。2007年，美国推出微型曼哈顿计划，其宗旨是向海洋藻类要能源，以帮助美国摆脱严重依赖进口石油的窘境。随着这一计划的推进，美国不仅开发出微藻制生物柴油技术，还开发出利用微藻替代糖来发酵生产乙醇的专利。

　　2008年，在中国石化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。

　　由于微藻技术本身横跨多学科多领域，中国石化的微藻生物技术团队要与其他院所和相关学科的研究人员组成一个大团队，合作攻关。

　　据介绍，这个大团队的成员各有所专，又各有所长。石科院新能源研究所微藻团队具有工艺工程方面的优势，中科院水生生物研究所具有生物技术方面的强项。另外，这个大集体中还有微藻养殖实验和农畜方面的研究人员。

　　微藻生物柴油成套技术研发项目立项后，荣峻峰作为中国石化的微藻项目首席科学家，与项目的另一位首席科学家，中国科学院水生生物研究所研究员徐旭东共同研究并制定了研发计划。研发课题涵盖藻种的选育、光生物反应器的研发、淡水油藻的养殖、海水油藻的养殖、提油等微藻生物技术全产业链。

　　“为了组建中国石化新能源所微藻技术团队，一部分石化领域的研究人员被抽调出来，可谓半路出家，从零做起。更具挑战的是，我们要协调好所有的团队成员，发挥各自的优势，形成合力，一起去做实验、开展微藻生物柴油技术的研发工作。”荣峻峰说。

　　团队组建好了，作为一项自主研发的技术，微藻制生物柴油技术团队面临巨大挑战。闵恩泽指出，重点要突破三大关键技术：第一，简化流程，缩短产业链以大幅度降低投资和生产成本;第二，培育含油量高、生长快、适合我国沿海滩涂与沙漠地区的微藻品种系列;第三，发展微藻油、藻饼等综合利用技术，增加利润。

　　在闵恩泽的主持下，到2011年12月中期检查时，微藻制油项目进展良好。

　　“2014年，我们基本上把主要的技术环节都攻克了，也形成了比较完备的技术体系，相关知识产权体系也建立起来了。但是，这条路却没有继续往下走，主要原因是技术经济性问题。”荣峻峰说。

　　同样基于对技术经济性的考虑，国内外的一些研发团队也陆续退出，微藻能源技术未能实现工业化应用。但是，中国石化却没有放弃。

　　不忘初心，方得始终。这种不放弃的精神，使石科院微藻生物技术团队为微藻技术再续新篇。

　　转向

　　风中回望来时路，“曲折”两个字，抒发了石科院科研人员心中的感慨。科学研究，没有平坦的大道。

　　正当微藻生物技术团队踌躇满志的时候，国际油价风云突变，出现了2014年断崖式的暴跌。对微藻技术团队来说，这是一个极度尴尬的局面。因为，当他们成功搭建起微藻制油的技术体系后，国际油价从2008年的每桶140美元的巅峰滑入了每桶30~40美元的谷底。

　　“油价一暴跌，微藻制生物柴油就不具备成本竞争力了，这项技术未来的不确定性陡增。”荣峻峰敏锐地意识到。

　　他介绍说，当时，美国在研发微藻生物柴油的有埃克森美孚公司、蓝宝石公司等，比尔·盖茨投资的基金也进行了投资。石科院还与一家美国公司就此进行过技术交流，这家公司在美国德克萨斯有一个示范基地。按照他们的测算，国际油价在每桶90美元以上，微藻制油才有技术经济性，这一点成为了共识。

　　每桶90美元，是个盈亏平衡点。低于这个水平，基本上意味着微藻制生物柴油这条路线走不通了。

　　“我们与中科院水生物研究所等科研院所合作开展了生物油藻技术的研发工作。经过了10多年时间，成功研发出微藻制生物柴油技术，在当时的高油价下前景较好。但是，要把藻油完全提取出来进行炼制的成本较高，在当时的价格体系下要实现替代石油，尚有一定困难。”李明丰说。

　　只能静待机会。而在这种等待中，意味着微藻制生物柴油只能作为一项保障国家能源安全的重要技术储备。

　　大鹏待展翅，东风尚未来。

　　是一味地等待，还是另觅新路，让微藻这层小小的波澜激荡出新的浪潮?

　　彼时，放眼国内，借助装机规模的扩大和成本的降低，新能源迎来了发展的黄金期。风电、水电大举占领能源市场份额，大有能和传统化石能源一较高下之势。我国持续多年的以煤和石油为主的能源消费格局将被颠覆。

　　荣峻峰想，尽管微藻技术团队在过去的几年来投入了巨大的精力，尽管国际油价也有可能走高，但时不我待，必须及时转向。

　　行到水穷处，坐看云起时。

　　微藻生物技术团队在研究中发现，微藻在生长的过程中通过光合作用吸收CO2或者NOX，除了能生成用于制备生物燃料的油脂外，还能积累大量的蛋白质、糖类及其他生物活性物质。于是，他们把对微藻的要求从产油转化为产蛋白质。

　　在微藻制油技术的研发过程中，研究团队发现了一个有意思的现象：当微藻在觉得饿的时候，也就是在生长环境比较恶劣的时候，它产的油越多，但同时产的蛋白质会很少;反之，在它的生长环境比较优越的时候，它产的蛋白质就会越多，但产的油会很少。

　　始料未及!在开始研究微藻制油的时候，研究团队压根就没有想要通过微藻获得蛋白质。

　　“那时候，我们做的是怎么样限制微藻产出的蛋白质量，增加微藻的产油量。”荣峻峰说，“现在，我们要转到另一面去做了。”这就是顺着微藻的最优条件去做，把它喂得饱饱的，让它多产蛋白质。

　　路虽远，行则将至。事虽难，做则能成。

　　对石科院来说，微藻技术之路还得走下去。

　　作为国有企业的研究院，他们要为助力中国石化实现打造洁净能源化工公司的目标提供技术支撑，要为中国石化提前实现碳中和提供技术支撑。这种责任感和使命感，让他们一定要把事做成。

　　于是，微藻还是那个微藻，但终端产品从柴油变成了蛋白质。

　　微藻生物技术没有被“卡住脖子”，由此奠定了这一技术将在未来发挥大能量。

　　微藻生物技术团队及时转向的智慧，也被后来的发展所印证和支撑。

　　2014年至今，国际油价只是短暂跨越过每桶百美元的关口，达到每桶90美元的日子也是甚少。同时，新能源所技术的发展主要向“电”和“氢”转变。国内的新能源产业搭上国家能源战略转型的快车，不仅新兴的光电、风电迅速发展，氢能也被列入战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，将成为未来国家能源体系的重要组成部分。在大力发展新能源电力之外，氢风势不可挡，“氢概念”被引入国内，国内加油站出现了加氢业务。

　　多种新能源形式竞相争艳。在国家“双碳”目标和打造循环经济体系的趋向中，石科院微藻技术团队自主研发的微藻脱硝兼产蛋白质技术已然占据腾飞的风口。

　　跨界

　　秸秆、玉米制乙醇汽油，甜菜制生物质汽油……能源多元化时代，跨界多、变化快。

　　石科院的微藻脱硝兼产蛋白质技术，把农业、养殖业、化工业，生物工程和化学工程，甚至国家粮食安全和环保目标联系在一起。同时，相对于传统的大豆产蛋白质方法，微藻产蛋白质技术，是一种颠覆式的变革创新。

　　在石科院微藻养殖实验室，本刊记者看到了一个个浅池。凑近一看，整个池水呈现一片绿色，和长了水草的湖水一个颜色。这里面就养殖着地球上最简单的生物体——微藻。微藻与水融在一起，形成“水藻交融”之态。

　　石科院新能源研究所党支部书记郑金玉介绍说，单个的微藻是人类肉眼无法看到的，能看到水呈现绿色是因为里面有许多的微藻聚在一起。

　　那么，这种小小的生物，是如何转化为蛋白质的，又是如何把国家能源安全和粮食安全联系在一起的?

　　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介绍说，通过给微藻饲喂无机的CO2和NOx，通过微藻的酶催化，把它转化成有机的蛋白质。与种植大豆相比，微藻利用光合作用吸收CO2和NOX生产蛋白质，生产效率和速度比传统农业都是数量级的提高。

　　众所周知，我国是一个石油消费的大国，石油的对外依存度现已超过70%。然而，在粮食领域，国内对进口大豆的依赖却并不亚于石油，大豆的对外依存度现已超过80%。我国同时也是一个畜禽养殖和水产养殖的大国，大豆中富含的蛋白质是鸡、猪、牛、鱼、虾、蟹等饲料中的重要营养元素。同时，我国全面建成小康社会，必须满足人民越来越丰富的对肉蛋乳等高蛋白食品的需求。

　　数据显示，国内每年进口约1亿吨大豆。除了用来榨油之外，每年大约8000万吨的大豆用来制成豆粕，为养殖业提供所需的蛋白质饲料。

　　国内对蛋白质的高度对外依赖，使微藻生物技术团队看到了把国家粮食安全、CO2减排和微藻生物技术相结合的重要意义。作为替代大豆等植物蛋白和鱼粉饲料的唯一品种的微藻，其养殖可不占用农田，在产生极高碳汇价值的同时还可作为一种自主可控的新型蛋白质来源，全面保障我国养殖业稳定和粮食安全。

　　“有消息说美国在研究大豆与中国脱钩。我国有18亿亩耕地，如果用来种植能满足国内一年所需的大豆，要用掉7亿多亩耕地。这是极不可能的。因为，在耕地资源有限的情况下，我们要首先保证14亿多人口的粮食安全，不可能牺牲主粮种植面积来种植大豆。”荣峻峰表示。

　　微藻生物技术团队的设想是，我国的荒漠、沿海滩涂、盐碱地有9900多万公顷，假设拿出3%的地方去养微藻，一年就能产出大约3000万吨的蛋白质，实现对大豆蛋白的替代。

　　创新思路!利用国内广袤的西北荒漠、沿海滩涂或者盐碱地养殖微藻，根本不用动用宝贵的18亿亩耕地。那么，就能基本解决国内对进口大豆的蛋白质依赖，缓解需要增种大豆产生的与人争粮、与农争地的问题。

　　“微藻脱硝兼产蛋白质，既利用微藻减排了CO2和NOX，产出的蛋白又解决了我国粮食安全的‘卡脖子’难题。这比我们一开始做的微藻生物柴油更具现实意义。”荣峻峰说，“为此，我们团队与中国石化系统外的多家院所、学校等合作，展开了一项又一项技术攻关。”

　　与中国科学院水生生物研究所合作，进行淡水藻种的筛选。

　　与中国科学院南海海洋研究所合作，进行海水藻种的筛选。

　　与中国科学院过程工程研究所合作，进行微藻培养光生物反应器的研发。

　　与中国科学院武汉植物园合作，进行螺旋藻藻种筛选及微藻生物质高附加值产品研发。

　　与中粮营养健康研究院合作，开展螺旋藻饲料应用技术开发。

　　与华南理工大学合作，开展小球藻藻种筛选及产品应用技术开发。

　　与暨南大学合作，开展丝状微藻藻种筛选及产品应用技术开发。

　　…… ……

　　强强联合，集体智慧。

　　“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。”中国石化科技部组织专家评议给出了评价。

　　微藻生物技术领域已申请中国专利84件，其中授权45件，授权国外专利2项10件，形成了完整可自由运作的专利网，技术自主可控。同时，微藻用于CO2与NOx减排技术还成为国家973重大科研项目成果，获得了2019年度中国石化前瞻性基础性研究科学奖一等奖，微藻脱硝组合工艺技术也获得了2022年中国化工学会基础研究成果奖二等奖。

　　“这说明我们在微藻脱硝工艺、新型光生物反应器、创新养殖方法、微藻采收工艺等微藻生物技术的上下游领域，形成了完整的技术网络，在大规模的微藻养殖结合脱硝兼产蛋白质技术走在国际前列。”荣峻峰说。

　　神奇微藻，不鸣则已，一鸣惊人。

　　本文图片均由赵洪锋 朱俊英提供

　　责任编辑：石杏茹