探訪北京新質生產力·走出實驗室|  變廢為寶 工業尾氣的綠色變身

2024年05月12日23:21:50 科學 9913

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一輛輛高速路上風馳電掣的汽車,一群群農場里嗷嗷待哺的家禽,兩個看似毫無關聯的場景,卻被一種「吃」工業尾氣的細菌連接在一起。

向工業尾氣要燃料、要蛋白,利用生物發酵技術規模化生產乙醇和乙醇梭菌蛋白是北京首鋼朗澤科技股份有限公司(以下簡稱「首鋼朗澤」)探索出的新質生產力創新之路。近日,北京商報記者走進首鋼朗澤,探索實驗室內的科研故事和實驗室外的轉化實踐。

探索之路 「吃掉」尾氣

在北京石景山區古城創業大廈的一間會議室內,首鋼朗澤總經理董燕正和往常一樣在對公司近期的合作項目進行指導與部署。

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十多年前,正是董燕將在紐西蘭了解到的「一氧化碳生物發酵制乙醇」的技術帶回國內,才構建起了首鋼朗澤的雛形。

「最早首鋼朗澤就是用董總從紐西蘭生物科技公司lanza tech(朗澤科技)帶回的實驗室技術,以及首鋼集團、紐西蘭唐明集團的投資來開展中試轉化的。」首鋼朗澤副總經理晁偉對北京商報記者表示,首鋼作為國有大型鋼鐵企業,本身就具有豐富的工業尾氣資源,早期的處理方式是將其直接燒掉用於加熱或發電,但隨著時代發展,對這部分資源進行更高效和更清潔的利用已是必由之路。

近年來,中國持續推進產業結構和能源結構調整,大力發展可再生能源。以乙醇為例,它可直接作為液體燃料,或者同汽油混合使用、提高汽油辛烷值,進一步減少對石油的依賴,保障能源安全。目前,中國已是世界上繼巴西、美國之後第三大生物燃料乙醇生產國和應用國。同時,國家也開始大力鼓勵發展以非糧作物為原料生產燃料乙醇。

晁偉認為,首鋼朗澤的誕生是一個契機,更是一項具有前瞻性的決定。從2012年到2021年,首鋼朗澤已歷經十年的中試轉化試驗,成功實現了從實驗室研究、小試、中試到鋼鐵行業及鐵合金行業的工業化應用。

「如今工業尾氣通過管道輸送,經凈化裝置後,進入發酵單元,細菌就在這裡『吃掉』尾氣,20秒左右就能產生乙醇,含有乙醇的發酵液再進入蒸餾工段,通過蒸餾脫水提純就得到了生物乙醇成品。同時,將蒸餾後剩餘含有大量菌體的發酵液再分離、乾燥,便得到了新型飼料蛋白。」晁偉指著微縮裝置模型向北京商報記者介紹道。

與工業尾氣直接燃燒相比,首鋼朗澤一代技術可實現二氧化碳減排33%以上,氮氧化物減排90%以上;二代技術可實現二氧化碳零排放,且每噸乙醇直接消耗二氧化碳0.5噸。與燃燒發電比,同樣的原料氣產生的經濟價值是發電的2倍以上。

從0到1 跨越死亡谷

以工業尾氣中的一氧化碳、二氧化碳為原料,首鋼朗澤建立「菌株選育—生物智造—中試放大—工業應用」的研究模式,其中「中試放大」被視為最關鍵也最艱難的一個環節。

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晁偉表示,走出實驗室最難的就是工業化,因為實驗室的模擬環境是理想化的,但放大到工業規模有太多的不確定性,工業尾氣成分複雜且波動性大,需要菌種具有極強的適應性,發酵控制也更難。

據悉,開展中試最核心的任務就是兩個方面,一是通過不斷摸索各種工藝條件,讓菌種適應不同類型的工業氣體環境,提高發酵穩定性和代謝性能;二是除了突破發酵這一核心工藝,還要打通全系統工業流程,讓發酵的產物能進一步提取出來,轉化成符合標準的產品。

首鋼朗澤子公司河北首朗新能源科技有限公司(以下簡稱「河北首朗」)副總經理佟淑環用「死亡谷」這個更直接的詞來形容「中試轉化」。「很多技術因為沒有摸索出合適的工業化應用條件,一到『中試』環節就不行了,所以只能停留在實驗室。其實,成敗的關鍵,並不單純地依靠菌種的基礎研究開發上,而是能否做好系統集成和上下游配套工藝。」她強調說。

提到如何能成功跨越「死亡谷」?作為首鋼朗澤招錄的第一批員工、來公司12年之久的佟淑環彷彿又回到了曾經在酷暑嚴寒里起早貪黑的日子。「其實沒有什麼捷徑,就是不停地嘗試驗證,然後調整優化。」

佟淑環表示,一開始都從基層做起,上班最要緊也最固定的工作就是「看發酵罐」,即對菌種的發酵活動進行監測、分析、記錄,隨時改進營養液成分和運行參數,並在時間的變數下開展驗證。「生物發酵和傳統化工不同,不是定好氣量、溫度和反應條件等就能按照所想的方向發展。因為生物內部代謝路徑多,會出現很多變化。有時原料氣濃度變化,就會出現別的代謝產物;有時酸鹼控制不當,菌種也會死亡。」

早期,還會盯工廠施工和巡檢整個工藝流程,若發現一些工業化設備設計不到位的,也會及時調整攻關。例如,為控制好菌種發酵液的濃度和穩定性,需要採用工業陶瓷膜過濾,因進口陶瓷膜投資大、維護成本高,最終首鋼朗澤研發出了可替代進口陶瓷膜,投資成本降低50%以上的國產陶瓷膜系統,這對首套工業化項目關鍵工藝設備選型提供了重要支撐。

「那時候經常做噩夢,夢到壓縮機跳車,因為壓縮機一跳,就沒氣了,菌種就會餓死。現實中遭遇過幾次後就有心理陰影了。」佟淑環說。

試驗、失敗、總結、再試驗……這樣的狀態從2012年持續到2016年,整個團隊終於迎來了勝利,完成從「0到1」的突破,並接著實現從「1到n」的複製。2018年,首鋼朗澤第一家子公司河北首朗首次在鋼鐵行業實現工業化應用,一舉成為行業領域內全球第一家工業化成功落地的企業;2021年,第二家子公司寧夏首朗吉元首次在鐵合金行業實現工業化應用;2022年11月和2023年7月,第三家子公司寧夏濱澤科技和第四家子公司貴州金澤科技相繼投產。

意外驚喜 開闢新戰場

「不知道意外和驚喜到底哪一個先來」,這或許也是對首鋼朗澤前五年持續攻關的真實寫照。晁偉告訴北京商報記者,首鋼朗澤的技術創新不僅能讓細菌「吃掉」鋼鐵冶金的廢氣,更是生產出了能替代豆粕和魚粉的新型飼料蛋白——乙醇梭菌蛋白。

由於豆粕作為主流蛋白原料,在養殖業的使用量逐年增加,隨之拉動大豆進口增加,但在地緣政治風險、極端氣候災害等不利因素交織疊加下,大豆進口有很大的不確定性,很容易被「卡脖子」,所以,近年來農業農村部都在推動飼用豆粕減量替代,其中,開發更多蛋白飼料資源被視為一條重要路徑。

晁偉表示,乙醇梭菌蛋白是中試過程中的意外之喜。「按照正常的工藝步驟走,菌體『吃掉』工業尾氣後代謝產生的乙醇需要進入蒸餾塔進行提純,才能得到生物乙醇成品。但是在蒸餾的過程中,團隊成員發現,老是有一層黏糊糊的東西堵在蒸餾塔上,導致乙醇分離過程很不順暢。後來,就用分離裝置將其分離出來,但由於其中菌體蛋白的存在,經污水處理系統排放時又產生了較大負荷,才有了把這部分『廢物』送去檢測,看看如何進行資源化、再利用的想法。」

令晁偉和整個團隊沒想到的是,經專業機構檢測發現,這一「廢物」不僅無害,其蛋白質含量還很高,與其排走,不如試試能不能再一次「變廢為寶」。「經過大量試驗,最終開創發明了菌體蛋白分離及乾燥技術,得到了全新的飼料原料『乙醇梭菌蛋白』。」晁偉說。

乙醇梭菌蛋白,首鋼朗澤的又一個「從無到有」的創新,這既是偶然之喜也是一路攻堅克難的必然結果。從2015年發現該蛋白源頭,到2021年獲得農業農村部頒發的「中國首張飼料原料新產品證書」,首鋼朗澤團隊花了六年的時間,期間歷經4次審核評定。

目前,首鋼朗澤的乙醇梭菌蛋白產品已獲批應用在魚類、肉禽、仔豬飼料添加中,並與國內多家飼料生產及養殖企業達成合作關係。據悉,乙醇梭菌蛋白營養價值與進口魚粉相當,但是價格遠低於進口魚粉。2023年,首鋼朗澤的乙醇梭菌蛋白銷量突破1萬噸,銷售額高達到9500萬元。

「通過工業尾氣產乙醇,改變了制乙醇的傳統方式。同時,在這一過程中生產出的乙醇梭菌蛋白,突破了植物蛋白合成的時空限制,節約了糧食和耕地,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口依賴度、保障糧食安全具有重要意義。」晁偉對北京商報表示,首鋼朗澤旗下四家子公司在乙醇和蛋白上的總產能規模分別能達到21萬噸/年、2.5萬噸/年,實現減排二氧化碳50萬噸/年、節約糧食60萬噸/年、節約耕地約170萬畝/年。

步履不停 加速「新質」發展

如今,首鋼朗澤在工業尾氣中獲得的生物乙醇正是已在我國多個省份推廣使用的乙醇汽油的重要添加成分,目前公司的主要客戶為中石油、中石化等大型油氣生產商,供應河北省、天津市、山東省等地車用乙醇汽油。同時,其生物乙醇為原料製成的可持續航空燃料(saf)在維珍大西洋航空公司的波音747型客機中也得到了應用;此外,還作為基礎化工原料,出口歐美並廣泛應用於日化消費、包裝材料、時尚用品、紡織面料等領域。乙醇梭菌蛋白方面,已同國內多家飼料企業建立合作,並作為國家飼用蛋白應急及儲備的重要產品。

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但首鋼朗澤並不止於此,還想向工業尾氣要更多。首鋼朗澤合成生物研究中心研究員梁楠表示,研究員們依然在不斷地做新菌種研發和流程精進。「日常研究基本圍繞質粒構建、乙醇梭菌的改造、pcr驗證等,還有一部分是發酵罐的監測調整,基本每次運行都會在一個月以上。發酵罐的看護類似於生產的中控室,哪怕下班了也還是要實時關注發酵運行情況,及時調整,保證穩定運行。」

據晁偉介紹,當前公司正在藉助基因編輯等多種合成生物學技術,定向設計研究開發多元產品,向c2、c3、c4產品延伸,提高產品價值。同時,積極擴展應用範圍,推動工業尾氣生物合成技術在石油煉化、電力、垃圾及生物質氣化等領域的推廣應用。另外,還將進一步推動生物製造業與信息化、數據化融合,開發大數據平台及發酵人工智慧控制系統,實現全流程智能化控制。

作為目前跑在國內合成生物學及ccus行業前列的頭部企業,首鋼朗澤不僅憑藉生物技術涉獵我國戰略性新興產業,其二氧化碳捕集與利用技術也是綠色風口下,當前全球創業融資最為頻繁的領域之一。

在中國,ccus領域的創業與融資自2021年開始加速,據新財富統計的11家已獲得融資的初創公司,融資金額多為千萬元級,其中首鋼朗澤先後通過五輪融資,累計融資金額達到11.25億元。

佟淑環認為,首鋼朗澤的整個創新實踐是踐行新質生產力的鮮活案例,同時,國內新質生產力發展提速,也將為公司帶來更廣闊的發展空間和前景。

「新質生產力最重要的就是兩個方面,一個是新,就是通過科技創新,採用新技術或新工藝來實現生產力的進步;另一個是質,即高質量的發展,通過科技創新成果的應用助力傳統行業轉型升級、騰籠換鳥、高質量發展。」晁偉表示,未來公司將加大科研投入,制定具體的產業化計劃,明確科技成果轉化的目標、路徑和時間表,進一步加強高校、科研機構與企業的合作,形成產學研用一體化創新體系。

北京商報記者 金朝力 程靚

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