用“小小微藻”守護碧水藍天
——記我校功能微藻與生物技術研發(fā)團隊
校報記者 范曉峰
國家主席習近平于10月22日向2019年太原能源低碳發(fā)展論壇致賀信，指出能源低碳發(fā)展關乎人類未來，中國高度重視能源低碳發(fā)展，積極推進能源消費、供給、技術、體制革命。在我們學校，就有這樣一支團隊，他們長期致力于能源低碳發(fā)展研究，用“小小的微藻”守護我們的碧水藍天，他們就是山西農業(yè)大學功能微藻與生物技術研發(fā)團隊。
功能微藻與生物技術研發(fā)團隊合影：負責人李潤植教授（一排左四），科研骨干崔紅利副教授（一排左五）、季春麗副教授（一排左三）、張春輝博士（一排左二）
山西農業(yè)大學功能微藻與生物技術研發(fā)團隊著眼于農業(yè)、能源和環(huán)境的戰(zhàn)略需求及國際科技前沿，聚焦應用基礎和關鍵技術研究。研究方向包括：微藻凈化三廢聯(lián)產高值產品、守護碧水藍天凈土、開辟蛋、奶、肉、雜糧、瓜果蔬菜綠色安全生產新模式；微藻活性物質代謝機制解析、調控富集功效成分，構建藻源系列功能產品及功能平臺化合物全產業(yè)鏈；雜糧活性物質精準功能鑒定、開發(fā)雜糧系列功能產品及功能平臺化合物全產業(yè)鏈三條主線，開創(chuàng)綠色、健康、高效、循環(huán)現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展新模式。研發(fā)團隊包括負責人李潤植教授、科研骨干崔紅利副教授、季春麗副教授及張春輝博士及研究生25人。
說起微藻，您能想到什么？是漂浮在水面上、水生動物食物鏈最底端、用顯微鏡才能辨別其形態(tài)的微小生物？是諸如螺旋藻這樣早已廣為人知的保健品？還是餐桌上的地皮菜？……但您能把這小小的微藻和能源革命掛上鉤嗎？您知道這微不足道的微藻能造出生物柴油嗎？您想到過它能夠用于工廠，起到固碳、減少有害氣體排放、凈化廢水的作用嗎？
減排固碳造生物柴油 提供能源革命新思路
我校有科研團隊正在研究用微藻造生物柴油，并取得了一定成果，得知這一情況的時任山西省委副書記、省長李小鵬于2016年7月26日專程來到我校“微藻燃油中試基地”作調研。在分子農業(yè)與生物能源研究所，功能微藻與生物技術研發(fā)團隊負責人李潤植教授匯報了團隊開展能源微藻轉化煤基燃氣二氧化碳、凈化廢水和生產清潔燃油技術研究、中試的進展情況。
李小鵬調研微藻燃油研發(fā)情況
“微藻燃油關鍵技術研發(fā)與中試”是功能微藻與生物技術研發(fā)團隊2014年承擔的山西省煤基重點科技攻關項目，利用微藻的光合作用特性，讓微藻吸收煤基煙道氣中的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物，吸收廢水中的氮、磷，進而將碳、氮、硫等轉化為糖、蛋白及脂類等物質，在進行煙道氣固碳減排的同時獲得微藻生物質，制備出微藻生物柴油。在微藻燃油工程基地內，李潤植教授詳細介紹了團隊研發(fā)的微藻生物柴油全套生產設備及工藝。
在基地的中央，整齊地排列著一排排綠油油的封閉式光生物反應器，它們由一個個直徑15厘米的透明玻璃管組成，那煞是好看的綠油油顏色的制造者就是團隊研究的主角——微藻。李潤植教授帶領功能微藻與生物技術研發(fā)團隊用5年的時間，從煤基企業(yè)周邊廢水中分離出的微藻里，誘變和馴化出了數(shù)種高效生長的優(yōu)質新型能源藻種——蛋白核小球藻等藻種。這些能源藻種生物量、含油量和特異的ω-7脂肪酸含量分別高于普通藻種20%、56%和20倍。而承載這些優(yōu)異藻種的一排排封閉式光生物反應器是團隊研制出的另一利器——微藻高效固碳光反應器，該反應器與團隊研究出的低成本規(guī)模化培養(yǎng)新工藝，使微藻培養(yǎng)與制油的生產周期縮短了40%。
封閉式光生物反應器
在實驗室誘變和馴化出的蛋白核小球藻
一個個獨立的光反應器由管道和插管連接，成為一個整體，再與“種子藻”培養(yǎng)池、煙道氣壓縮罐、氣混裝置、氣體導入裝置、微藻收集及濃縮處理裝置、微藻生物柴油轉化裝置等連接，組成了應用微藻進行煙道氣固碳減排聯(lián)產優(yōu)質生物柴油的整套工藝，實現(xiàn)了煤基煙氣綠色減排及資源化利用。基于此系統(tǒng)的微藻煙道氣處理技術使CO2的捕獲率大于75%，且無CO2再次溢出。在此系統(tǒng)中，值得一提的是濕藻體一步法生物柴油制取新工藝。它突破了原先三步法的技術瓶頸的同時，使得細胞破壁率、藻油萃取率和生物柴油轉化率分別達到了95.4%、97.3%和96.8%以上，且最終生產出的生物柴油質量優(yōu)于國標GB/T20828-2007，冷濾點達-31℃。微藻燃油工程基地中試試驗證明，整個基地20噸的微藻垂直管道反應裝置正常運轉每天大約可消耗3噸煤基煙氣，產生80公斤的藻粉，生產出27公斤的生物柴油。據(jù)綜合測算，目前微藻燃油生產成本已降至每升14元左右，每生產1噸微藻柴油可消耗約6.8噸工業(yè)排放的CO2，每固定1噸CO2，其衍生產值可超過10萬元。該項目可實現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境凈化、CO2循環(huán)利用、生物固碳及生物能源產業(yè)鏈延伸增值等多重效益，開辟了CO2減排與CO2資源化高效生物利用的新途徑，具有重大的戰(zhàn)略意義和應用前景。
李小鵬肯定了微藻研發(fā)團隊取得的成績，指出團隊研發(fā)的微藻燃油技術對于煤基二氧化碳減排及利用有重大意義，非常符合當前山西煤炭清潔高效利用的發(fā)展需要，有著非常廣闊的前景。他勉勵團隊成員要沉下心來研究機理，放寬視野推動商業(yè)化開發(fā)，力爭在基礎研究、技術研發(fā)和產業(yè)化開發(fā)方面進一步取得突破，為推動能源革命貢獻力量。李小鵬對項目的充分肯定更加堅定了團隊繼續(xù)致力于微藻固碳研發(fā)利用的決心。
拓展功能微藻產業(yè)鏈 助推煤企轉型新發(fā)展
微藻能夠在減排固碳的同時造生物柴油，有著重大的生態(tài)意義和社會效益，但由于經濟成本及國際原油價格等因素，目前生產出的微藻生物柴油還未能進行市場化運作。擁有高效生長的優(yōu)質新型能源藻種和應用微藻進行煙道氣固碳減排聯(lián)產微藻生物柴油的完整工藝，也研制出生產微藻生物柴油的成套設備，可這些卻沒有用武之地。正在這時，一個消息讓李潤值教授團隊看到了科研新方向。
2015年10月30日，時任省委副書記的樓陽生來我校調研時提出了建設“山西農谷”的設想，要將太谷縣變?yōu)楝F(xiàn)代農業(yè)創(chuàng)新高地和功能農業(yè)示范區(qū)，而我校被賦予了建設山西農谷核心區(qū)——農谷科創(chuàng)城的任務。這一設想不僅給了我校一個建設發(fā)展的新思路，也啟發(fā)了李潤值教授，他決定將研究重點從微藻固碳聯(lián)產生物柴油轉向微藻固碳聯(lián)產優(yōu)質藻粉以用于生產功能食品、飼料、生物肥和生物農藥以及其他化工品等高值產品。這一想法，很快就得到了學校和省里的支持。
樓陽生為山西農谷管理委員會揭牌
2016年功能微藻研發(fā)團隊承擔了山西省重點研發(fā)計劃重點項目“煤基CO2制備高值微藻粉及化工原料關鍵技術研究與示范”。基于此項目，團隊在原先研究的基礎上，將研究重點轉向“微藻凈化三廢聯(lián)產高值產品、守護碧水藍天凈土、開辟蛋、奶、肉、雜糧、瓜果蔬菜綠色安全生產新模式”和“微藻活性物質代謝機制解析、調控富集功效成分，精準功能鑒定、構建藻源系列功能產品及功能平臺化合物全產業(yè)鏈”兩個方面。學校還專門配套了專項資金建設了用于中試的微藻燃油基地，針對微藻生物技術研究團隊力量不足的問題，利用學校高水平博士人才引進一事一議政策，大力引進了就職于大連大學生命科學與技術學院的崔紅利博士入職我校，加入功能微藻與生物技術研發(fā)團隊。
學校專門配套專項資金支持建設的微藻燃油基地示意圖
今年的5月19日，我校與江蘇恩藍生物科技有限公司在太谷縣聯(lián)合主辦了“煙氣綠色減排、微藻生物轉化、循環(huán)增值產業(yè)鏈示范工程”現(xiàn)場觀摩暨推介會，對團隊的研究成果做了總結和現(xiàn)場展示。校黨委常委、副校長李宏全到場為項目做推介，省科技廳、省高等創(chuàng)新研究院、晉中市及下屬各縣相關負責人，河北邯鄲寶燁焦化、國電集團等20余家企業(yè)代表現(xiàn)場觀摩。
兩個省重點項目，7年的系統(tǒng)研究和中試，再加上與兄弟院校的戰(zhàn)略合作、協(xié)同攻關，和江蘇恩藍生物科技有限公司建立的“微藻生物工程聯(lián)合實驗室”和“戰(zhàn)略合作”，團隊完成了“煙氣綠色減排、微藻生物轉化、循環(huán)增值產業(yè)鏈”相關關鍵技術的研發(fā)、實驗室小試和中試，并與“恩藍”公司在清徐亞鑫集團港源焦化廠共建了“煙氣綠色減排、微藻生物轉化、循環(huán)增值利用產業(yè)鏈示范工程”，在國內首次實現(xiàn)了與焦化廠現(xiàn)場煙道氣的對接。整個設備連續(xù)穩(wěn)定運行了5個多月，生產出來的微藻生物質達到食品級標準，已與太谷榮欣堂食品有限公司合作，進行了藻源系列太谷餅和草子糕等功能食品研發(fā)。
清徐亞鑫集團港源焦化廠示范項目中的微藻養(yǎng)殖
團隊研制的可移動性的一組垂直管道培養(yǎng)試驗裝置模式圖
該產業(yè)鏈是微藻進行煙道氣固碳減排同時聯(lián)產微藻生物柴油工藝的演進。江蘇恩藍生物科技有限公司的研發(fā)技術對煙道氣進行脫硫脫硝等預處理，經過預處理的煙道氣排入團隊研發(fā)的微藻高效固碳光反應器中，煙道氣中的二氧化碳、氮氧化物和硫氧化物，經過微藻光合作用被吸收和利用，排出氧氣，排出可用于水產養(yǎng)殖和農田灌溉的水，生產出微藻生物質。氧氣可采集利用，微藻生物質可造柴油，也可以造功能性飼料、餌料、植物肥料、抗菌農藥等服務于綠色功能農業(yè)。如果反應器中的水是干凈的，通過此系統(tǒng)生產出的微藻生物質還可通過提取活性成份制成食品級藻粉服務于功能食品和健康產業(yè)。目前已研制出功能性太谷餅和草子糕產品，藻源系列石頭餅也正在研發(fā)中。此系統(tǒng)還可以用于生產其它功能性微藻產品，如生產螺旋藻和雨生紅球藻。團隊已在權威學術期刊發(fā)表論文揭示，螺旋藻多糖具有緩解功能性便秘和急性酒精中毒的功效；雨生紅球藻合成積累的天然蝦青素具有緩解化療藥物引起的藥物性肝損傷等功效。
“煙氣綠色減排、微藻生物轉化、循環(huán)增值利用產業(yè)鏈示范工程”示意圖
功能微藻與生物技術研發(fā)團隊和江蘇恩藍生物科技有限公司等企業(yè)合作，致力于將整套工藝在其他煤基焦化廠、煤電廠等相關企業(yè)進行復制，為煙道氣的固碳減排和資源化利用提供新的解決方案，為相關企業(yè)提供一站式、標準化、規(guī)范化、可復制的科技集成服務。團隊在提供藻種、微藻培養(yǎng)工藝和相關技術服務的同時，還可在實驗室提供微藻功效成分的精準功能鑒定，指導后續(xù)的功能產品持續(xù)研發(fā)。此次推介會和合作研發(fā)技術成果受到新華網(wǎng)、中國科技網(wǎng)、山西衛(wèi)視、山西日報、山西新聞網(wǎng)、科技日報等多家媒體報道（點擊媒體名稱可查看相關報道）。
今年的7月2日，副省長張復明實地調研我校“1331工程”建設情況，在國家功能雜糧技術創(chuàng)新中心加工車間的功能食品研發(fā)成果展臺前，看到了功能微藻與生物技術研發(fā)團隊與太谷榮欣堂食品有限公司合作共同研發(fā)的太谷餅和草子糕時倍感振奮。我校的微藻固碳及產業(yè)化示范項目是在張復明副省長的直接指導和關懷下在我省率先立項和持續(xù)推進的，他希望團隊能夠進一步擴大工藝的示范和產業(yè)化落地，在此基礎上申報省級功能微藻生物工程技術研究中心。
張復明持續(xù)關注功能微藻研發(fā)進展，圖為2017年4月24日來校調研時赴微藻燃油基地調研場景
做強能源革命大文章 開拓微藻研發(fā)新前景
今年中辦國辦正式印發(fā)了《關于在山西開展能源革命綜合改革試點的意見》，從世界能源大勢和新時代能源戰(zhàn)略全局出發(fā)，賦予山西更大的國家使命，希望山西通過綜合改革試點，努力在提高能源供給體系質量效益、構建清潔低碳用能模式、推進能源科技創(chuàng)新、深化能源體制改革、擴大能源對外合作等方面取得突破，爭當全國能源革命排頭兵。國家給了山西一個大命題，而做好這個大命題，離不開像功能微藻研發(fā)這樣一個個小課題的破解和支持。
煤基煙道氣綠色減排CO2等廢氣物資源的綜合利用，是當今全球一個新興的高技術產業(yè)，功能微藻與生物技術研發(fā)團隊與企業(yè)合作協(xié)同公關，成功地打通了這一產業(yè)的“最后一公里”。微藻高值產品研發(fā)取得突破性進展，成功地研制出微藻生物燃油全套生產工藝，開發(fā)出一系列功能食品、功能性飼料、餌料和功能性生物，這些研發(fā)成果為煤基企業(yè)轉型發(fā)展提質增效，為我國功能農業(yè)、功能食品和生物產業(yè)發(fā)展提供了新動能，開辟了新道路，同時為我省傳統(tǒng)產業(yè)能源革命、轉型綜改及提質增效開辟了新動能，引領支撐全產業(yè)鏈開發(fā)，助推山西黑色資源的綠色發(fā)展和高碳資源的低碳發(fā)展。
團隊研發(fā)的部分微藻源功能產品
今年，團隊參與的“微藻產業(yè)轉型升級關鍵技術體系的建立及應用”獲科技部主辦2019年中國產學研合作創(chuàng)新成果優(yōu)秀獎（點擊文字可查看相關文件）。今后，功能微藻與生物技術研發(fā)團隊將再接再厲，繼續(xù)遵循“需求引導、創(chuàng)新引領、合作共贏、協(xié)同發(fā)展”的原則，按照“立足山西、面向全國”的總體要求，緊緊圍繞我省能源革命、三廢資源利用、山西農谷戰(zhàn)略（功能農業(yè)和功能食品）及大健康產業(yè)等戰(zhàn)略需求，以承擔國家、省部及其他項目為切入點，以功能微藻生物工程中心為橋梁，有效整合和集成創(chuàng)新各方資源，持續(xù)開展功能微藻及產品研發(fā)和微藻固碳高值產業(yè)鏈的創(chuàng)建，為我校在復合型高層次人才培養(yǎng)、新農科建設和服務區(qū)域經濟等方面做出新貢獻。（圖片來源 程旭東 崔紅利）
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