22秒，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)尾氣中的一氧化碳經(jīng)厭氧發(fā)酵，就能產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白。我國(guó)科學(xué)家突破自然光合固碳、固氮系統(tǒng)利用太陽(yáng)能、反應(yīng)速度緩慢的局限，突破了天然蛋白質(zhì)物合成的時(shí)空限制，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)利用一氧化碳合成蛋白質(zhì)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“農(nóng)科院飼料所”）和北京首鋼朗澤科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“首鋼朗澤”）經(jīng)過(guò)多年共同研究攻關(guān)，率先突破工廠化條件下利用一氧化碳一步法生產(chǎn)蛋白質(zhì)，并已形成萬(wàn)噸級(jí)的工業(yè)生產(chǎn)能力。首朗生物開(kāi)發(fā)的全新飼料蛋白產(chǎn)品已于去年獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的新產(chǎn)品證書(shū)，為我國(guó)一碳原料制備新型菌體蛋白項(xiàng)目開(kāi)啟了大門(mén)。

　　一時(shí)間，反響強(qiáng)烈，國(guó)人振奮。“有了這技術(shù)，中國(guó)大豆以后不用依賴(lài)進(jìn)口了。”“無(wú)中生肉，尾氣也可以做出四菜一湯了。”同時(shí)，也有質(zhì)疑聲音，這是真的嗎？到底是怎么生產(chǎn)出來(lái)的？是否已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化了？

蛋白人工合成取得新突破

　　一氧化碳，公認(rèn)的有害氣體。蛋白質(zhì)，生物體內(nèi)一切細(xì)胞、組織的重要組成部分。這看似南轅北轍毫不相干的兩種物質(zhì)，卻被中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)用一種物質(zhì)連接到一起。這種物質(zhì)，就是在“一氧化碳合成蛋白質(zhì)”中起關(guān)鍵作用的乙醇梭菌。

　　早在1994年，科學(xué)家在乙酸梭菌中加入一氧化碳進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵，以此來(lái)制備乙醇梭菌蛋白，已成為生物飼料原料的常用方法之一。通常來(lái)說(shuō)，用這種方法制備蛋白質(zhì)，最主要的原料只有三種：一氧化碳、乙醇梭菌、氨水。其中，乙醇梭菌承擔(dān)著“發(fā)酵”的重任。而發(fā)酵過(guò)程中，一氧化碳和氨水則會(huì)經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)形成蛋白質(zhì)的重要組成部分——氨基酸。通過(guò)對(duì)這個(gè)液態(tài)發(fā)酵液的進(jìn)一步培養(yǎng)、離心和干燥，就能獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的乙醇梭菌蛋白。這是一個(gè)非常緩慢且低效的過(guò)程。

　　農(nóng)科院飼料所飼料加工創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家薛敏介紹，早在20世紀(jì)90年代，國(guó)外就開(kāi)始研究利用乙醇梭菌等食氣菌以一碳?xì)怏w為碳源生產(chǎn)小分子醇類(lèi)產(chǎn)品，但未關(guān)注菌體本身作為蛋白質(zhì)飼料的可能性。大多數(shù)能源研究集中在用一氧化碳生物發(fā)酵合成乙酸、乙醇、異丙醇等化學(xué)品，對(duì)菌體合成蛋白質(zhì)及其功能性研究很少，菌體蛋白大多被當(dāng)作廢棄物丟棄；而單細(xì)胞蛋白研究關(guān)注點(diǎn)主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等傳統(tǒng)被認(rèn)為可食用的菌種上，導(dǎo)致了乙醇梭菌蛋白在蛋白質(zhì)領(lǐng)域長(zhǎng)期“默默無(wú)聞”。

　　我國(guó)科學(xué)家卻讓這個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間大大縮短。經(jīng)過(guò)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)的優(yōu)化，目前，這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被縮短到22秒，且獲得率高達(dá)85%，由此打開(kāi)了乙醇梭菌蛋白人工合成的新大門(mén)。該成果的一大亮點(diǎn)是，項(xiàng)目中合成乙醇梭菌蛋白的原料之一為工業(yè)尾氣，工業(yè)尾氣中大量的一氧化碳是利用乙醇梭菌生產(chǎn)菌體蛋白和乙醇的極佳原料。而工業(yè)尾氣不僅成本極低，其來(lái)源也很廣泛，包括鋼廠、鐵合金廠、電石廠等，資源量非常豐富。

　　據(jù)介紹，由首鋼朗澤開(kāi)發(fā)出的全新飼料蛋白產(chǎn)品已于2021年8月獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒發(fā)的新產(chǎn)品證書(shū)，這也是我國(guó)首張飼料原料新產(chǎn)品證書(shū)。

　　首鋼朗澤高級(jí)副總裁晁偉介紹說(shuō)，該項(xiàng)目以鋼廠尾氣中的一氧化碳為碳源、氨水為氮源，經(jīng)優(yōu)化的厭氧發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)22秒快速轉(zhuǎn)化，高效產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白，實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)物向有機(jī)物的一步轉(zhuǎn)化。

　　此外，由于乙醇梭菌經(jīng)空氣暴露可全部滅活，菌體經(jīng)離心濃縮和噴霧干燥后即為乙醇梭菌蛋白產(chǎn)品，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于酵母及微藻等單細(xì)胞蛋白產(chǎn)品。這也意味著，利用該成果進(jìn)行微生物高效合成蛋白質(zhì)，具有顯著的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。

破解蛋白質(zhì)短缺難題

　　動(dòng)物飼料里兩類(lèi)東西必不可少：玉米和豆粕。行業(yè)一直在探索研發(fā)優(yōu)質(zhì)、易獲得、穩(wěn)定廉價(jià)的蛋白質(zhì)飼料。為支撐我國(guó)規(guī)模龐大的養(yǎng)殖業(yè)，2021年我國(guó)飼料產(chǎn)量達(dá)2.93億噸，居世界首位，再加上自配料，飼料年消耗量約有4.5億噸。如果不算能量飼料中的蛋白質(zhì)含量，據(jù)簡(jiǎn)單估算需要純蛋白質(zhì)飼料8000萬(wàn)噸。

　　國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院首席研究員李?lèi)?ài)科表示，近年來(lái)，我國(guó)優(yōu)質(zhì)飼用蛋白原料極度缺乏，不得不大量進(jìn)口，對(duì)外依存度長(zhǎng)期保持在70%以上。我國(guó)每年進(jìn)口魚(yú)粉150萬(wàn)噸左右，進(jìn)口大豆1億噸左右，飼用豆粕的年消費(fèi)量約7000萬(wàn)噸。一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)無(wú)法擺脫飼用蛋白原料對(duì)外依存度很高的局面。自主創(chuàng)新研發(fā)新型非糧蛋白質(zhì)資源，逐步降低對(duì)大豆、魚(yú)粉的進(jìn)口依賴(lài)，開(kāi)辟產(chǎn)業(yè)發(fā)展新領(lǐng)域，無(wú)疑是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。

　　據(jù)了解，乙醇梭菌蛋白不僅具備優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和加工特性，其環(huán)保價(jià)值也非常亮眼。乙醇梭菌蛋白的蛋白質(zhì)含量高達(dá)80%以上，18種氨基酸占蛋白質(zhì)比例達(dá)到94%，10種必需氨基酸含量及結(jié)構(gòu)比例接近魚(yú)粉并遠(yuǎn)優(yōu)于豆粕，具有優(yōu)異的蛋白質(zhì)原料特性。乙醇梭菌蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和目前水產(chǎn)行業(yè)普遍認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最好的原料魚(yú)粉接近，且遠(yuǎn)超于豆粕。相關(guān)專(zhuān)家表示，乙醇梭菌蛋白的推廣應(yīng)用能夠大大降低中國(guó)對(duì)進(jìn)口飼用蛋白原料的依賴(lài)程度，以工業(yè)化生產(chǎn)1000萬(wàn)噸乙醇梭菌蛋白計(jì)，可減少2800萬(wàn)噸大豆進(jìn)口量。

　　農(nóng)科院飼料所所長(zhǎng)戴小楓指出，一步生物合成飼料蛋白實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，有助于我國(guó)擺脫“大豆進(jìn)口依賴(lài)綜合征”和實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

　　李?lèi)?ài)科認(rèn)為，該成果最大的亮點(diǎn)在于“以微生物蛋白生產(chǎn)來(lái)破解蛋白質(zhì)短缺難題”。他介紹說(shuō)，我國(guó)從20世紀(jì)80年代起就將“微生物蛋白生產(chǎn)”列為研究課題，國(guó)際上也長(zhǎng)期在研究從碳化合物合成蛋白的問(wèn)題，但一直都沒(méi)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)讓這一構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。生物合成蛋白更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化對(duì)我國(guó)飼料蛋白供應(yīng)、糧食安全等意義重大。

打通產(chǎn)業(yè)化之路

　　在河北曹妃甸這個(gè)填海造地“長(zhǎng)”出來(lái)的小島上，鋼電園區(qū)內(nèi)矗立著首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司一座座高聳的高爐，不遠(yuǎn)處就是首鋼朗澤的河北分公司。該公司副總經(jīng)理張春悅指著一排20多米高的發(fā)酵罐介紹，我國(guó)是世界上最大的鋼鐵冶金生產(chǎn)國(guó)，在工業(yè)冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含有一氧化碳、二氧化碳等的尾氣，公司一般建在這些鋼鐵廠、鐵合金廠旁邊，把尾氣收集起來(lái)通過(guò)管道運(yùn)輸，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入發(fā)酵罐，乙醇梭菌和尾氣在里面進(jìn)行快速反應(yīng)，產(chǎn)出乙醇和乙醇梭菌蛋白。

　　2012年，首鋼朗澤投資6000余萬(wàn)元在曹妃甸首鋼京唐公司院內(nèi)建成全流程鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵中試示范裝置（年產(chǎn)乙醇300噸）。經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷的N輪試驗(yàn)，終于打通了全系統(tǒng)工藝流程。中試成功后，2016年，全球首套年產(chǎn)4.5萬(wàn)噸鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵法制燃料乙醇大工業(yè)裝置動(dòng)工。2018年5月，一次調(diào)試成功產(chǎn)出燃料乙醇合格產(chǎn)品；6月，首次產(chǎn)出乙醇梭菌蛋白，走通了飼料原料新產(chǎn)品從中試到大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化之路。河北首朗新能源科技有限公司總工程師莫志朋表示，在沒(méi)有任何參考的情況下，從實(shí)驗(yàn)室通過(guò)中試的轉(zhuǎn)化成功，建成了像目前的商業(yè)化工廠，也是全球首套從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化成了工業(yè)化生產(chǎn)。而且發(fā)酵菌體對(duì)于氣源的適用性很強(qiáng)，所以可復(fù)制性比較強(qiáng)。新技術(shù)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排33%以上，氮氧化物減排90%以上，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)具有重要作用。

　　河北首朗新能源科技有限公司總經(jīng)理宋慶坤介紹，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從零到一的自主創(chuàng)新和從一到N的快速?gòu)?fù)制，開(kāi)辟了一條低成本非傳統(tǒng)動(dòng)植物資源生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料蛋白的新途徑，公司計(jì)劃在不遠(yuǎn)的將來(lái)，至少要實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)噸乙醇和10萬(wàn)噸飼料蛋白的產(chǎn)能規(guī)模，屆時(shí)每年可節(jié)約糧食300萬(wàn)噸，耕地約800萬(wàn)畝，每年可替代化石能源達(dá)到200萬(wàn)噸以上，減少碳排放達(dá)到250萬(wàn)噸以上。

　　（高娜 綜合整理）