對話

你是否想過，工廠煙囪里冒出的，可能不僅是尾氣，還是“原料”？我國“十五五”規(guī)劃建議提出，要推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，而首鋼朗澤這項名為“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)，就是一個鮮活的樣本。如今，這項技術(shù)早已走出實驗室，布局全國，成為了年產(chǎn)萬噸的大產(chǎn)業(yè)。

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

人物簡介

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)隊負(fù)責(zé)人，高級工程師。

工廠的尾氣、汽車的油箱、養(yǎng)殖場的飼料，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“超級工人”，被科研人員“聘請”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。這場靜默而高效的“魔術(shù)”，正在重塑我們對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“超級工人”，在大型發(fā)酵罐中日夜工作。整個流程可簡化為三步：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

一個意外發(fā)現(xiàn)拓寬了這項技術(shù)的應(yīng)用邊界�！霸谥性囘^程中，我們發(fā)現(xiàn)蒸餾系統(tǒng)總是運行不暢，”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)。”

檢測結(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，還有很長的路要走。

晁偉回憶，當(dāng)時他們面臨著很多擔(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，花費不小，而且不一定有好的結(jié)果。你們還要堅持做嗎？”答案是肯定的。憑借著“咬定青山不放松”的精神，團(tuán)隊開始了長達(dá)六年的攻關(guān)之路。

闖過三道“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。對一個新的微生物蛋白而言，其安全性主要從三個方面體現(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)時負(fù)責(zé)評審的專家來自各個不同領(lǐng)域，關(guān)心的角度都不一樣�！标藗セ貞洠捌渲幸晃换ゎI(lǐng)域?qū)＜揖吞岢�，這些作為原料的工業(yè)尾氣中有沒有有毒的雜質(zhì)？”

為了給細(xì)菌備好“安全餐”，團(tuán)隊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“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“超級工人”的健康

核心菌種“乙醇梭菌”的安全性是整個體系的基石。晁偉說：“很多菌種會含有致病基因或代謝出一些有毒有害的物質(zhì)。一個新菌種，必須做系統(tǒng)評價�！�

因此，團(tuán)隊對菌種進(jìn)行了規(guī)范化的“全生命周期”管理：平時，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；需要投入生產(chǎn)時，再將其喚醒、活化。通過精準(zhǔn)的工藝控制，一次接種即可保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行半年以上。同時，在生產(chǎn)中通過集控中心實時監(jiān)控菌種代謝指標(biāo)，根據(jù)其生長周期調(diào)節(jié)溫度、壓力和營養(yǎng)供給，確保菌種始終處于穩(wěn)定的健康狀態(tài)。

第三關(guān)：多維驗證——多種方式驗證產(chǎn)品安全性

除了通過生產(chǎn)工藝閉環(huán)控險，為了驗證產(chǎn)品安全性，團(tuán)隊還與飼料行業(yè)相關(guān)高校、科研院所聯(lián)手，針對乙醇梭菌蛋白開展大量安全性試驗。不僅要檢測重金屬、有害微生物等指標(biāo)，還通過多種養(yǎng)殖魚類做飼喂實驗，驗證其對動物的安全性和有效性
團(tuán)隊用近6年時間，針對專家關(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)充了大量實驗和數(shù)據(jù)。經(jīng)過4次嚴(yán)格評審后，乙醇梭菌蛋白終于獲得了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的中國首張飼料原料新產(chǎn)品證書。

中國首張飼料原料新產(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，從實驗室走到工業(yè)化生產(chǎn)，需跨越‘死亡谷’，可謂‘九死一生’。”晁偉坦言。

最初的挑戰(zhàn)來自菌種適應(yīng)性。在實驗室理想環(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)尾氣的菌種存活時間也就幾天，根本無法保證工業(yè)化生產(chǎn)�！标藗フf。

研發(fā)團(tuán)隊通過24小時不間斷跟蹤發(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的條件，使菌種存活時間從幾天增加到最長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)�！吧锇l(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耙驗樯飪�(nèi)部代謝路徑多，會出現(xiàn)很多變化�！�

研發(fā)團(tuán)隊通過持續(xù)試驗優(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)。在國際上率先實現(xiàn)了氣體發(fā)酵技術(shù)“從0到1”的突破。

在此之后，團(tuán)隊開始著力推進(jìn)該項技術(shù)“從1到N”的快速復(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的一系列問題，建起鐵合金一氧化碳尾氣制蛋白工廠。如今，首鋼朗澤在全國已建成四大生產(chǎn)基地，成為國內(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，加劇了我國對進(jìn)口大豆的依賴。然而，在極端氣候頻發(fā)與國際經(jīng)貿(mào)形勢復(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，威脅著糧食安全。因此，近年來我國積極推動飼用豆粕減量替代，其中，開發(fā)更多蛋白飼料資源被視為一條重要路徑。

“通過工業(yè)尾氣產(chǎn)乙醇，在這一過程中生產(chǎn)出的乙醇梭菌蛋白，突破了植物蛋白合成的時空限制，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。

市場也給予了積極反饋。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，并與國內(nèi)多家飼料生產(chǎn)及養(yǎng)殖企業(yè)達(dá)成合作關(guān)系。“我們的蛋白飼料產(chǎn)品已經(jīng)在市場上應(yīng)用得非常成熟了。有些大型水產(chǎn)養(yǎng)殖場，還會使用我們的飼料來飼養(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21萬噸/年、2.3萬噸/年，實現(xiàn)減排二氧化碳50萬噸/年、節(jié)約糧食60萬噸/年、節(jié)約耕地約170萬畝/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，為我國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”的靈光一閃過后，還有一條漫長的“從1到N”的產(chǎn)業(yè)化之路。晁偉及其團(tuán)隊的故事，正是這條路的生動注腳。他們的工作，更多的是深入真實世界的復(fù)雜肌理，去經(jīng)歷無數(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，或許是為使菌種多存活一天而進(jìn)行的成百上千次實驗。

在訪談過程中，晁偉回憶起那些遭遇質(zhì)疑、經(jīng)歷失敗甚至被“潑冷水”的時刻，除了感慨，更多的是戰(zhàn)勝困難的自豪。他們闖過了一道道“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。