對(duì)話

你是否想過(guò)，工廠煙囪里冒出的，可能不僅是尾氣，還是“原料”？我國(guó)“十五五”規(guī)劃建議提出，要推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，而首鋼朗澤這項(xiàng)名為“含碳工業(yè)尾氣生物發(fā)酵制乙醇及微生物蛋白”的技術(shù)，就是一個(gè)鮮活的樣本。如今，這項(xiàng)技術(shù)早已走出實(shí)驗(yàn)室，布局全國(guó)，成為了年產(chǎn)萬(wàn)噸的大產(chǎn)業(yè)。

本期“對(duì)話”欄目，中國(guó)科協(xié)之聲邀請(qǐng)北京首鋼朗澤科技股份有限公司副總經(jīng)理、研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人晁偉，請(qǐng)他介紹“吃尾氣”細(xì)菌的“綠色魔法”。

人物簡(jiǎn)介

晁偉，北京首鋼朗澤科技股份有限公司副總經(jīng)理、研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，高級(jí)工程師。

工廠的尾氣、汽車的油箱、養(yǎng)殖場(chǎng)的飼料，這三者之間有什么聯(lián)系？答案是：一種“吃尾氣”的細(xì)菌。這種名為乙醇梭菌的“超級(jí)工人”，被科研人員“聘請(qǐng)”到巨大的工業(yè)發(fā)酵罐中，它們以尾氣為食，在數(shù)秒內(nèi)就能將其轉(zhuǎn)化為兩種“寶藏”——生物發(fā)酵制乙醇及微生物蛋白。這場(chǎng)靜默而高效的“魔術(shù)”，正在重塑我們對(duì)資源與廢棄物的想象。

細(xì)菌“魔術(shù)師”：

吃下尾氣，吐出“寶藏”
“1994年，比利時(shí)的科學(xué)家在兔子腸道里發(fā)現(xiàn)了一種特別的細(xì)菌，命名為‘乙醇梭菌’。它的‘超能力’在于，能吃掉氣體中的一氧化碳、二氧化碳，高效地轉(zhuǎn)化成乙醇等化學(xué)品?！标藗ソ榻B。

這些細(xì)菌就像一群“超級(jí)工人”，在大型發(fā)酵罐中日夜工作。整個(gè)流程可簡(jiǎn)化為三步：收集并凈化工業(yè)尾氣；細(xì)菌在發(fā)酵罐內(nèi)“進(jìn)食”并轉(zhuǎn)化；分離提純，得到生物乙醇和優(yōu)質(zhì)的飼料蛋白。

工業(yè)尾氣生物轉(zhuǎn)化集成生產(chǎn)流程示意圖

一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)拓寬了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用邊界?！霸谥性囘^(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)蒸餾系統(tǒng)總是運(yùn)行不暢，”晁偉回憶，“技術(shù)人員在一次檢修中把蒸餾塔拆開后，發(fā)現(xiàn)塔板上附著了很多黏稠物質(zhì)?！?/p>

檢測(cè)結(jié)果顯示，這些黏稠物質(zhì)的蛋白質(zhì)含量達(dá)80%以上，非常適合做蛋白飼料。但是從“適合做”到“真的做到”中間，還有很長(zhǎng)的路要走。

晁偉回憶，當(dāng)時(shí)他們面臨著很多擔(dān)憂和質(zhì)疑：“微生物蛋白想用作飼料原料，需經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部嚴(yán)格的安全論證和批準(zhǔn)，這論證一做就得好幾年，花費(fèi)不小，而且不一定有好的結(jié)果。你們還要堅(jiān)持做嗎？”答案是肯定的。憑借著“咬定青山不放松”的精神，團(tuán)隊(duì)開始了長(zhǎng)達(dá)六年的攻關(guān)之路。

闖過(guò)三道“安全關(guān)”

將含有復(fù)雜成分的工業(yè)尾氣，最終轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)入動(dòng)物飼料鏈的蛋白質(zhì)，最大的挑戰(zhàn)之一是如何確保安全性。對(duì)一個(gè)新的微生物蛋白而言，其安全性主要從三個(gè)方面體現(xiàn)：原料安全性、菌種安全性和產(chǎn)品安全性。

第一關(guān)：源頭凈化——為細(xì)菌備好“安全餐”

“當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)評(píng)審的專家來(lái)自各個(gè)不同領(lǐng)域，關(guān)心的角度都不一樣。”晁偉回憶，“其中一位化工領(lǐng)域?qū)＜揖吞岢?，這些作為原料的工業(yè)尾氣中有沒(méi)有有毒的雜質(zhì)？”

為了給細(xì)菌備好“安全餐”，團(tuán)隊(duì)將原料氣的深度凈化列為關(guān)鍵技術(shù)難題，研發(fā)了專門的凈化工藝。就像為挑剔的食客準(zhǔn)備一頓安全可口的大餐，他們必須先對(duì)“食材”（工業(yè)尾氣）進(jìn)行精細(xì)篩選和清洗，去除其中可能存在的有害物質(zhì)。這不僅是為了讓后續(xù)的發(fā)酵菌種能“吃得健康”、穩(wěn)定工作，更為了從源頭杜絕有害雜質(zhì)殘留于最終產(chǎn)品的可能性，確保原料安全。

第二關(guān)：菌種管控——保證“超級(jí)工人”的健康

核心菌種“乙醇梭菌”的安全性是整個(gè)體系的基石。晁偉說(shuō)：“很多菌種會(huì)含有致病基因或代謝出一些有毒有害的物質(zhì)。一個(gè)新菌種，必須做系統(tǒng)評(píng)價(jià)?！?/p>

因此，團(tuán)隊(duì)對(duì)菌種進(jìn)行了規(guī)范化的“全生命周期”管理：平時(shí)，菌種以凍干粉形式“沉睡”于專用容器中，減少污染和變異風(fēng)險(xiǎn)；需要投入生產(chǎn)時(shí)，再將其喚醒、活化。通過(guò)精準(zhǔn)的工藝控制，一次接種即可保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行半年以上。同時(shí)，在生產(chǎn)中通過(guò)集控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控菌種代謝指標(biāo)，根據(jù)其生長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)溫度、壓力和營(yíng)養(yǎng)供給，確保菌種始終處于穩(wěn)定的健康狀態(tài)。

第三關(guān)：多維驗(yàn)證——多種方式驗(yàn)證產(chǎn)品安全性

除了通過(guò)生產(chǎn)工藝閉環(huán)控險(xiǎn)，為了驗(yàn)證產(chǎn)品安全性，團(tuán)隊(duì)還與飼料行業(yè)相關(guān)高校、科研院所聯(lián)手，針對(duì)乙醇梭菌蛋白開展大量安全性試驗(yàn)。不僅要檢測(cè)重金屬、有害微生物等指標(biāo)，還通過(guò)多種養(yǎng)殖魚類做飼喂實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)動(dòng)物的安全性和有效性
團(tuán)隊(duì)用近6年時(shí)間，針對(duì)專家關(guān)心的重金屬、特定化合物殘留、菌種毒性、養(yǎng)殖安全性等方面，補(bǔ)充了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)4次嚴(yán)格評(píng)審后，乙醇梭菌蛋白終于獲得了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的中國(guó)首張飼料原料新產(chǎn)品證書。

中國(guó)首張飼料原料新產(chǎn)品證書

從“0到1”的突破，到“1到N”的布局

“在生物技術(shù)領(lǐng)域，從實(shí)驗(yàn)室走到工業(yè)化生產(chǎn)，需跨越‘死亡谷’，可謂‘九死一生’?！标藗ヌ寡?。

最初的挑戰(zhàn)來(lái)自菌種適應(yīng)性。在實(shí)驗(yàn)室理想環(huán)境中培養(yǎng)的菌種，難以適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境?！皠傞_始接觸工業(yè)尾氣的菌種存活時(shí)間也就幾天，根本無(wú)法保證工業(yè)化生產(chǎn)?！标藗フf(shuō)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)24小時(shí)不間斷跟蹤發(fā)酵數(shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)，最終探索出了最適合菌種生長(zhǎng)的條件，使菌種存活時(shí)間從幾天增加到最長(zhǎng)300天以上，為工業(yè)化生產(chǎn)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)集成是另一大挑戰(zhàn)。“生物發(fā)酵和傳統(tǒng)化工不同，不是定好氣量、溫度和反應(yīng)條件等就能按照所想的方向發(fā)展?！标藗ソ忉專耙?yàn)樯飪?nèi)部代謝路徑多，會(huì)出現(xiàn)很多變化?！?/p>

研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)持續(xù)試驗(yàn)優(yōu)化，成功打通了從原料氣預(yù)處理、發(fā)酵、產(chǎn)品分離到廢水處理的全系統(tǒng)工藝流程，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

乙醇梭菌蛋白

2018年5月，全球首套鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵制乙醇及蛋白工業(yè)化裝置在河北曹妃甸正式投產(chǎn)。在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了氣體發(fā)酵技術(shù)“從0到1”的突破。

在此之后，團(tuán)隊(duì)開始著力推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)“從1到N”的快速?gòu)?fù)制和推廣。從寧夏到貴州，他們成功解決了成分更加復(fù)雜的鐵合金尾氣帶來(lái)的一系列問(wèn)題，建起鐵合金一氧化碳尾氣制蛋白工廠。如今，首鋼朗澤在全國(guó)已建成四大生產(chǎn)基地，成為國(guó)內(nèi)最大的非糧生物乙醇及蛋白生產(chǎn)企業(yè)。

飼用豆粕難題的另一種解法

豆粕作為飼料的主流蛋白原料，在養(yǎng)殖業(yè)的使用量持續(xù)增長(zhǎng)，加劇了我國(guó)對(duì)進(jìn)口大豆的依賴。然而，在極端氣候頻發(fā)與國(guó)際經(jīng)貿(mào)形勢(shì)復(fù)雜的雙重影響下，大豆進(jìn)口供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，存在被“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，威脅著糧食安全。因此，近年來(lái)我國(guó)積極推動(dòng)飼用豆粕減量替代，其中，開發(fā)更多蛋白飼料資源被視為一條重要路徑。

“通過(guò)工業(yè)尾氣產(chǎn)乙醇，在這一過(guò)程中生產(chǎn)出的乙醇梭菌蛋白，突破了植物蛋白合成的時(shí)空限制，節(jié)約了糧食和耕地，是向微生物要蛋白的有效舉措，對(duì)降低大豆及高端魚粉的進(jìn)口依賴度、保障糧食安全具有重要意義?！标藗フf(shuō)。

市場(chǎng)也給予了積極反饋。目前，首鋼朗澤的乙醇梭菌蛋白產(chǎn)品已獲批應(yīng)用在魚類、肉禽、仔豬飼料添加中，并與國(guó)內(nèi)多家飼料生產(chǎn)及養(yǎng)殖企業(yè)達(dá)成合作關(guān)系?！拔覀兊牡鞍罪暳袭a(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上應(yīng)用得非常成熟了。有些大型水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)，還會(huì)使用我們的飼料來(lái)飼養(yǎng)一些特種或高端水產(chǎn)，比如黑鯛、鱸魚等。”晁偉介紹。

工業(yè)尾氣制蛋白工廠

“含碳工業(yè)尾氣生物發(fā)酵制乙醇及微生物蛋白”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)尾氣到飼料蛋白的跨界轉(zhuǎn)化，為破解飼用豆粕難題、保障糧食安全提供了一種新的解法。如今，首鋼朗澤在全國(guó)已建成四大生產(chǎn)基地，在乙醇和蛋白上的總產(chǎn)能規(guī)模分別能達(dá)到21萬(wàn)噸/年、2.3萬(wàn)噸/年，實(shí)現(xiàn)減排二氧化碳50萬(wàn)噸/年、節(jié)約糧食60萬(wàn)噸/年、節(jié)約耕地約170萬(wàn)畝/年。

隨著新一代菌株研發(fā)、人工智能等新技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，飼用蛋白的供給能力將持續(xù)升級(jí)，為我國(guó)筑牢糧食安全防線提供強(qiáng)有力的科技支撐。

訪談手記：

在科研探索中，“從0到1”的靈光一閃過(guò)后，還有一條漫長(zhǎng)的“從1到N”的產(chǎn)業(yè)化之路。晁偉及其團(tuán)隊(duì)的故事，正是這條路的生動(dòng)注腳。他們的工作，更多的是深入真實(shí)世界的復(fù)雜肌理，去經(jīng)歷無(wú)數(shù)具體而微的“摩擦”：或許是不同工廠尾氣成分的細(xì)微波動(dòng)，或許是為使菌種多存活一天而進(jìn)行的成百上千次實(shí)驗(yàn)。

在訪談過(guò)程中，晁偉回憶起那些遭遇質(zhì)疑、經(jīng)歷失敗甚至被“潑冷水”的時(shí)刻，除了感慨，更多的是戰(zhàn)勝困難的自豪。他們闖過(guò)了一道道“關(guān)卡”，而正是這些看似瑣碎卻至關(guān)重要的跋涉，才讓最初那縷珍貴的“靈光”，在更多地方閃亮。