“綠色精靈”吃進二氧化碳產(chǎn)出高蛋白
微藻小課堂
什么是微藻?
微藻是能夠進行光合作用的“綠色精靈”,是只有在顯微鏡下才能看到的微小藻類的合稱。據(jù)專家估計,地球上存在約30萬種微藻,其中被人們發(fā)現(xiàn)并記錄的約3萬種,而得到深入研究與應用的僅有幾十種,例如螺旋藻、小球藻、雨生紅球藻、柵藻、黃絲藻等。
微藻能干什么?
微藻是由陽光驅(qū)動、效率極高的“活的化工廠”。在陽光下,這些微小的“綠色精靈”能夠利用自身的光合作用以極高的效率“吃掉”生存環(huán)境中的無機碳(二氧化碳)與無機氮(氮氧化物、硝酸鹽等),并在體內(nèi)將其轉(zhuǎn)化為有機碳(主要為糖類與脂質(zhì))和有機氮(主要為蛋白質(zhì))等營養(yǎng)物質(zhì),同時釋放出氧氣。也就是說,這些 “綠色精靈”只需要通過“喝西北風”和“曬日光浴”,就可以源源不斷地生產(chǎn)糖類、油脂和蛋白質(zhì)。
除了二氧化碳這個“主食”,微藻還可以將氮、磷、硫等元素作為“甜點”,工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的含氮氧化物、硫氧化物的廢氣及含磷的廢水經(jīng)過一定的純化處理后,都可以成為幫助微藻茁壯成長的養(yǎng)料。
微藻的“胃口”有多大?
別看微藻的個頭很小,但它們的“胃口”很大:目前每生產(chǎn)1噸高蛋白微藻,就能夠吸收約1.83噸二氧化碳、0.2噸氮氧化物及10千克無機磷。
微藻不僅“能吃”,而且十分“會長”,在“吃胖”的過程中產(chǎn)生大量蛋白質(zhì)、糖類、脂肪、核酸及其他生物活性物質(zhì),在能源、食品、農(nóng)業(yè)與健康等領域都具有很高的應用價值。
知識鏈接
渾身是寶的“綠色精靈”
脂肪
微藻自身用于儲存能量和構(gòu)成細胞的油脂因為富含長鏈脂肪酸,非常適合作為能源進行利用,目前業(yè)內(nèi)已形成了利用微藻生產(chǎn)生物柴油的成熟技術。同時,微藻體內(nèi)蘊含的不飽和脂肪酸,特別是長鏈多不飽和脂肪酸由于具有多種生物活性,在食品與保健品行業(yè)更是備受青睞,利用微藻提取的二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)等由于具有安全性和成本方面的雙重優(yōu)勢,目前已經(jīng)逐漸取代深海魚油來源的產(chǎn)品,在保健品與嬰兒食品市場大展拳腳。
蛋白質(zhì)
部分種類的微藻自身的蛋白質(zhì)含量非常高,以蛋白核小球藻與螺旋藻等微藻為例,其蛋白質(zhì)含量可以在40%~70%,比豆粕等大規(guī)模應用的飼料高近50%。同時,微藻中還含有動物所需的全部必需氨基酸,特別是富含難以從谷物中攝取的賴氨酸和蘇氨酸,不僅營養(yǎng)價值高,而且易于消化,是非常理想的食品與飼用蛋白來源。目前微藻已經(jīng)用于觀賞魚和寵物高端飼料中的添加劑,食用后可以很好地改善動物的外表和健康情況,未來有望用于牛、羊、豬、魚等的大規(guī)模飼養(yǎng)。
多糖
微藻中廣泛存在藻酸鹽、葡聚糖、巖藻多糖等各種形式的多糖,可以占到微藻生物質(zhì)總量的12%~55%。目前科學研究已經(jīng)證實,微藻中的部分多糖具有抗腫瘤、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)、降血糖血脂等作用,是醫(yī)藥、保健品領域當之無愧的“明日之星”。
生物活性分子
微藻中富含多種不飽和生物活性分子,例如β-胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素和葉黃素等。這些物質(zhì)具有突出的抗氧化作用,可以保護細胞,讓它們免受各種物理化學因素帶來的損傷,目前已經(jīng)被廣泛用于保健品行業(yè),有多種產(chǎn)品在售。
技術攻關
“微藻脫硝”成套工藝技術達到國際領先水平
為馴服這些調(diào)皮的“綠色精靈”,石科院的科研人員付出了十余年的艱苦努力,在微藻藻種篩選、微藻大規(guī)模養(yǎng)殖、二氧化碳/氮氧化物煙氣吸收與固定、微藻高效低成本采收及微藻高價值產(chǎn)品與應用技術開發(fā)等方面開展了大量工作,突破層層難關,最終形成了變革性的“微藻碳氮減排與高蛋白生物質(zhì)生產(chǎn)技術”。
經(jīng)業(yè)內(nèi)專家評議,一致認定石科院自主研發(fā)的“微藻脫硝”成套工藝技術屬國際首創(chuàng),其脫硝率和氮源固定效率達到國際領先水平。目前,石科院圍繞微藻碳氮減排與高蛋白生物質(zhì)生產(chǎn)技術已申請中國專利67件,獲授權(quán)34件,獲得國際PCT專利授權(quán)2項、12件,技術自主可控。
同時,中國石化已經(jīng)在石家莊煉化、催化劑長嶺分公司開展微藻生物技術的中試與工業(yè)示范試驗,均收到良好效果。微藻脫硝組合工藝工業(yè)示范裝置的數(shù)據(jù)顯示:脫硝裝置出口氮氧化物含量在20毫克/立方米左右,僅為規(guī)定排放標準的1/5,達到超潔凈排放標準,其微藻產(chǎn)品重金屬含量等安全指標均滿足飼料衛(wèi)生標準的要求。
未來,中國石化將進一步提升技術水平,并在海南建設萬噸級二氧化碳減排示范基地,以實際行動守護綠水青山。
企業(yè)實踐
“加減結(jié)合”助力實現(xiàn)“雙碳”目標
科研人員進行微藻室內(nèi)人工光照養(yǎng)殖試驗。
催化劑長嶺分公司微藻脫硝工業(yè)示范裝置。
在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)、中國石化科技部的全力支持下,來自石科院的科研人員利用微藻“能吃會長”的特點,在國際范圍內(nèi)率先探索出了一條利用綠色精靈“加減結(jié)合”助力我國實現(xiàn)“雙碳”目標、保障糧食安全的全新道路。
做減法,即減少煉化企業(yè)二氧化碳及污染物排放。通過對工業(yè)生產(chǎn)廢氣中的二氧化碳、氮氧化物進行富集、轉(zhuǎn)化與提純,生產(chǎn)出食品級二氧化碳和化肥級含氮化合物(如硝酸),并將其作為養(yǎng)殖微藻的“養(yǎng)料”,讓微藻在“喝西北風長大”的過程中實現(xiàn)二氧化碳、氮氧化物的吸收固定和無害化處理。
做加法,即增加蛋白質(zhì)供應,保障糧食安全。目前我國養(yǎng)殖飼料中的蛋白質(zhì)來源嚴重依賴進口大豆制成的豆粕。2020年,我國進口的大豆數(shù)量突破1億噸,對外依存度高達83.7%,提穩(wěn)“菜籃子”迫在眉睫。通過將“吃飽喝足”的微藻進行后續(xù)加工,可以作為一種自主可控的新型蛋白質(zhì)來源,保障我國養(yǎng)殖業(yè)穩(wěn)定和糧食安全。