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微藻“吃”下电厂废弃物 产出上等生物油脂

2017-12-07 11:03 来源:科技日报 刘志伟

说不定哪一天,我们吃的保健品就是电厂废弃物生产的。

  这是记者采访王强研究员时闪过的一个念头。

  最近,一则“我国科学家发现小球藻‘吃’烟气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变成什么?11月27日,科技日报记者带着这些疑问,采访了中国科学院水生生物研究所王强研究员。

  首次证明了“生物减排”可行性

  近年来大气雾霾严重影响了人民群众的健康与生活,氮氧化物是酸雨与雾霾的主要诱因。我国2016年氮氧化物排放总量高达23兆吨,位居世界第一。

  消除氮氧化物的技术叫“脱硝”,由于氮氧化物能跟水反应生成硝酸根、亚硝酸根,正好是微藻可利用的氮营养,所以通过微藻培养可以消除氮氧化物污染,发展新型生物脱硝技术。由此获得的微藻生物质副产品则可以作为蛋白、油料的来源,满足水产饲料、生物能源等行业的原料需求。

  微藻生物量中碳和氮元素含量分别占50%和10%左右。微藻是地球上将二氧化碳与无机氮转化为有机物效率最高的一种光合微生物,被誉为是由阳光驱动的高效“生物工厂”。

  可不可以将这座“生物工厂”装进电厂,让微藻“吃”下工业烟气中的氮氧化物和二氧化碳,实现碳减排并降低环境污染,同时又可以生产出生物能源的原料和高附加值产品,实现“一石双鸟”?

  在国外从事了8年藻类生物学研究的王强,作为中国科学院水生生物研究所引进“百人计划”研究员,2010年7月回国组建微藻研究团队,开始投入这项研究。

  2014年,首篇论文率先发表在国际环境学领域顶级期刊《环境科技》上。此项研究被认为在国际上“首次证明了微藻用于工业污染物减排的同时生产高附加值产品的可行性”。

  闯过一道道工业实验难关

  7年时间,王强团队把设想逐步变成了工业的可行性,这中间他们走过了艰难的历程。

  首先是藻种问题。在繁多的藻类中,什么藻种“吃的多,又产的多”?

  小球藻是一种球形单细胞淡水藻类,直径3—8微米,繁殖率超强。王强说:“小球藻最快2个小时可以繁殖一代,也就是说它的生物量两个小时可以翻一翻,生长快工作效率自然也高。”

  经过不断地筛选,最终获得的小球藻比常规小球藻油脂和生物量生产率分别提高了39%和35%,脱硝率可达96%以上。

  针对氮氧化物不溶于水的问题,王强的团队通过与中国石化石油化工科学研究院荣峻峰教授合作,创新性地建立了烟气二氧化碳以及氮氧化物资源化方案,提出了两步法生物脱硝的理论,即通过氮氧化物吸收单元的吸收固定和微藻培养单元的生物转化相结合,实现二氧化碳以及氮氧化物资源化循环利用。在此基础上提出了微藻生物脱硝路线图1.0。

  进入中试阶段遇到的新的难题是如何培养出与工业烟气排放匹配的微藻。经过一步一步的工业化优化,最终选择了发酵的方式,一套100吨级的发酵系统即可解决一个中小型排放企业的氮氧化物减排问题,占地仅200平方米。

  在此基础上,团队进一步对微藻生物脱硝、高附加值产品生产与生物柴油制备的联合生产工艺进行改进,提出了优化的生产工艺2.0版。与荣峻峰教授合作在中国石化石家庄炼化分公司建立了国内首套炼油厂烟气产油微藻生物减排示范装置,形成了微藻生物柴油成套技术储备。

  利用微藻或可提取膳食补充剂

  通过系统研究,研究人员阐明了产油微藻用于工业烟气减排的生物学基础,证明了微藻在工业烟气生物转化领域的应用价值和可行性,完成了从藻种库建设到规模养殖、高效低能耗采收以及藻油提取等全技术链的开发,成功制备了符合国家标准的微藻生物柴油,构建了微藻固碳、脱硝与生物质综合利用的循环经济体系和包括26项发明专利的完整专利网。

  “微藻作为生物能源的原料相对来说比较低端。”王强说,微藻细胞中含有丰富的蛋白质、脂类、藻多糖、β-胡萝卜素、多种无机元素等高价值的营养成分和化工原料。如果利用微藻提取膳食补充剂,价值会更高。

  “但如果说是石化烟气‘废弃物’生产的膳食补充剂,大家可能接受不了。”王强说,所以下一步,工业化研究会重点放在生物质发电厂废弃物综合处理循环经济技术研究。基于此,团队进一步提出了微藻生物脱硝路线图3.0版(见下图)。

  王强说,在地质史上,微藻的繁荣是形成化石能源的基础,所以远古时代掩埋地下的微藻支撑了现代石油化工体系。在未来,人类或将基于微藻培养构建新型循环经济体系,通过微藻生物炼制获得生物能源、生物基可降解材料、精细化学品、健康医药产品,实现碳与氮的循环利用,解决工业污染排放带来的环境问题。

(责任编辑:王蔚)

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