微藻“吃”下電廠廢棄物產出上等生物油脂

　　新知

　　說不定哪一天，我們吃的保健品就是電廠廢棄物生產的。

　　這是記者采訪王強研究員時閃過的一個念頭。

　　最近，一則“我國科學家發現小球藻‘吃’煙氣中的氮氧化物和二氧化碳”的消息引起了很多人的好奇。

　　小球藻是什么？它“吃”下氮氧化物和二氧化碳又變成什么？11月27日，科技日報記者帶著這些疑問，采訪了中國科學院水生生物研究所王強研究員。

　　首次證明了“生物減排”可行性

　　近年來大氣霧霾嚴重影響了人民群眾的健康與生活，氮氧化物是酸雨與霧霾的主要誘因。我國2016年氮氧化物排放總量高達23兆噸，位居世界第一。

　　消除氮氧化物的技術叫“脫硝”，由于氮氧化物能跟水反應生成硝酸根、亞硝酸根，正好是微藻可利用的氮營養，所以通過微藻培養可以消除氮氧化物污染，發展新型生物脫硝技術。由此獲得的微藻生物質副產品則可以作為蛋白、油料的來源，滿足水產飼料、生物能源等行業的原料需求。

　　微藻生物量中碳和氮元素含量分別占50%和10%左右。微藻是地球上將二氧化碳與無機氮轉化為有機物效率最高的一種光合微生物，被譽為是由陽光驅動的高效“生物工廠”。

　　可不可以將這座“生物工廠”裝進電廠，讓微藻“吃”下工業煙氣中的氮氧化物和二氧化碳，實現碳減排并降低環境污染，同時又可以生產出生物能源的原料和高附加值產品，實現“一石雙鳥”？

　　在國外從事了8年藻類生物學研究的王強，作為中國科學院水生生物研究所引進“百人計劃”研究員，2010年7月回國組建微藻研究團隊，開始投入這項研究。

　　2014年，首篇論文率先發表在國際環境學領域頂級期刊《環境科技》上。此項研究被認為在國際上“首次證明了微藻用于工業污染物減排的同時生產高附加值產品的可行性”。

　　闖過一道道工業實驗難關

　　7年時間，王強團隊把設想逐步變成了工業的可行性，這中間他們走過了艱難的歷程。

　　首先是藻種問題。在繁多的藻類中，什么藻種“吃的多，又產的多”？

　　小球藻是一種球形單細胞淡水藻類，直徑3—8微米，繁殖率超強。王強說：“小球藻最快2個小時可以繁殖一代，也就是說它的生物量兩個小時可以翻一翻，生長快工作效率自然也高。”

　　經過不斷地篩選，最終獲得的小球藻比常規小球藻油脂和生物量生產率分別提高了39%和35%，脫硝率可達96%以上。

　　針對氮氧化物不溶于水的問題，王強的團隊通過與中國石化石油化工科學研究院榮峻峰教授合作，創新性地建立了煙氣二氧化碳以及氮氧化物資源化方案，提出了兩步法生物脫硝的理論，即通過氮氧化物吸收單元的吸收固定和微藻培養單元的生物轉化相結合，實現二氧化碳以及氮氧化物資源化循環利用。在此基礎上提出了微藻生物脫硝路線圖1.0。

　　進入中試階段遇到的新的難題是如何培養出與工業煙氣排放匹配的微藻。經過一步一步的工業化優化，最終選擇了發酵的方式，一套100噸級的發酵系統即可解決一個中小型排放企業的氮氧化物減排問題，占地僅200平方米。

　　在此基礎上，團隊進一步對微藻生物脫硝、高附加值產品生產與生物柴油制備的聯合生產工藝進行改進，提出了優化的生產工藝2.0版。與榮峻峰教授合作在中國石化石家莊煉化分公司建立了國內首套煉油廠煙氣產油微藻生物減排示范裝置，形成了微藻生物柴油成套技術儲備。

　　利用微藻或可提取膳食補充劑

　　通過系統研究，研究人員闡明了產油微藻用于工業煙氣減排的生物學基礎，證明了微藻在工業煙氣生物轉化領域的應用價值和可行性，完成了從藻種庫建設到規模養殖、高效低能耗采收以及藻油提取等全技術鏈的開發，成功制備了符合國家標準的微藻生物柴油，構建了微藻固碳、脫硝與生物質綜合利用的循環經濟體系和包括26項發明ZL的完整ZL網。

　　“微藻作為生物能源的原料相對來說比較低端。”王強說，微藻細胞中含有豐富的蛋白質、脂類、藻多糖、β-胡蘿卜素、多種無機元素等高價值的營養成分和化工原料。如果利用微藻提取膳食補充劑，價值會更高。

　　“但如果說是石化煙氣‘廢棄物’生產的膳食補充劑，大家可能接受不了。”王強說，所以下一步，工業化研究會重點放在生物質發電廠廢棄物綜合處理循環經濟技術研究。基于此，團隊進一步提出了微藻生物脫硝路線圖3.0版（見下圖）。

　　王強說,在地質史上，微藻的繁榮是形成化石能源的基礎，所以遠古時代掩埋地下的微藻支撐了現代石油化工體系。在未來，人類或將基于微藻培養構建新型循環經濟體系，通過微藻生物煉制獲得生物能源、生物基可降解材料、精細化學品、健康醫藥產品，實現碳與氮的循環利用，解決工業污染排放帶來的環境問題。