工业尾气如何变身饲料蛋白？|乙醇|蛋白|蛋白质|饲料|鱼粉

2021年，被业界称为“单细胞蛋白元年”。目前，全球可以通过气体发酵生产单细胞蛋白的企业只有4-5家。乙醇梭菌蛋白获证为正在国内开工投产并已提出新产品申请的其他一碳原料制备新型菌体蛋白开启了曙光。

虽然目前乙醇梭菌蛋白的总体量还谈不到替代大豆的层次，但能解决鱼粉的对外依存也很了不起。至少我们有利用一碳气体生产菌体蛋白这个“无中生有”的技术，后面就有无穷的可能性。

在北京首钢朗泽科技股份有限公司（以下简称首钢朗泽）成果展台上，一个玻璃器皿里静静地躺着一小堆淡黄色的粉末，看起来像是酵母粉。

它就是2021年年末名声大噪的乙醇梭菌蛋白。

它是以乙醇梭菌为发酵菌种，以钢铁厂、铁合金厂、电石厂含CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）的尾气和氨水为主要原料，进行液态发酵培养、离心、干燥而获得的新型单细胞蛋白。

2021年8月29日，乙醇梭菌蛋白获得了农业农村部颁发的我国第一张饲料原料新产品证书。

2021年10月30日，中国农业科学院饲料研究所（以下简称农科院饲料所）和北京首钢朗泽科技股份有限公司共同发布重大新闻：经过多年研究攻关，我国率先突破工厂化条件下利用一氧化碳一步法生产蛋白质，并已形成万吨级的工业生产能力。

河北首朗大工业化装置。首钢朗泽供图

2021年，被业界称为“单细胞蛋白元年”。目前，全球可以通过气体发酵生产单细胞蛋白的企业只有4-5家。乙醇梭菌蛋白获证为正在国内开工投产并已提出新产品申请的其他一碳原料制备新型菌体蛋白项目开启了曙光。

一时间，反响强烈，国人振奋。“有了这技术，中国大豆以后不用依赖进口了！”“无中生肉，尾气也可以做出四菜一汤了！”同时，也有质疑声音，这是真的吗？到底是怎么生产出来的？是否已经产业化了？

为弄清楚这个重大突破的来龙去脉，挖掘这个大事件背后不为人知的故事。本报记者采访了多位业界专家、企业有关负责人，对此进行专业解读。

“无中生有”非玄学

为什么乙醇梭菌蛋白的工厂化量产令国人如此振奋？这还要从动物的“口粮”——饲料说起。

无论你有没有饲喂过猪鸡牛羊，想必都知道动物饲料里两类东西必不可少：玉米和豆粕。没错，这两样占据饲料大头，代表着能量饲料和蛋白质饲料。在饲料配方设计中，最重要的就是对能量和蛋白质水平的调整。比起能量饲料，蛋白质饲料价格高，对饲料成本影响权重也高，调整相对困难。因此，行业一直在探索研发优质、易获得、稳定廉价的蛋白质饲料。

为支撑我国规模庞大的养殖业，2021年我国饲料产量达2.93亿吨，居世界首位，再加上自配料，饲料年消耗量约有4.5亿吨。如果不算能量饲料中的蛋白质含量，据简单估算需要纯蛋白质饲料8000万吨。

这么多的蛋白质饲料从哪儿获得呢？有植物性蛋白、动物性蛋白、单细胞蛋白及非蛋白氮几种来源。

植物性蛋白的代表是经过榨取油脂后剩余的豆粕、菜粕及其他杂粕等；动物性蛋白以鱼粉为代表，也包括血粉、肉骨粉、乳清蛋白粉及水解羽毛粉等畜禽水产品加工过程中的副产物；单细胞蛋白（也叫微生物蛋白）主要是用单细胞或具有简单多细胞生物发酵得来的菌体蛋白，目前主要有酵母、真菌、藻类以及非病原性细菌四类；此外，非蛋白氮指的是除蛋白质、肽和氨基酸以外的有机或无机含氮化合物,可以代替蛋白质饲料饲喂反刍动物。

据了解，应用在饲料产品中的最基本单元是饲料原料和饲料添加剂，在我国均实行目录制管理。我国饲料原料目录中有600多种饲料原料，都是在养殖行业有很长时间的安全使用历史，经过科学评估后纳入的。未在目录中的饲料原料需要经过科学系统的评估并纳入目录后，方可用于饲料生产。对于具有创新性的新研发产品，可以颁发新产品证书。

而乙醇梭菌蛋白，属于新型单细胞蛋白饲料的一种。

首钢朗泽成果展台上的乙醇梭菌蛋白。崔丽摄

国家粮食和物资储备局科学研究院首席研究员李爱科表示，近年来，我国优质饲用蛋白原料极度缺乏，不得不大量进口，对外依存度长期保持在70%以上。我国每年进口鱼粉150万吨左右，进口大豆1亿吨左右，饲用豆粕的年消费量约7000万吨。

由于动物性蛋白价格高昂，植物性蛋白受土地种植面积有限、气候立地条件多变、生产周期较长、物质能量转化效率低等因素影响，生产能力难以大幅提高，一段时间内，我国无法摆脱饲用蛋白原料对外依存度很高的局面。

自主创新研发新型非粮蛋白质资源，逐步降低对大豆、鱼粉的进口依赖，开辟产业发展新领域，无疑是国家的重大战略需求。

近年来，农业农村部一方面推广低蛋白日粮技术，另一方面推进多元化的蛋白质替代原料开发应用，如棉籽、菜籽、藻、菌、昆虫等。

而在人工条件下，利用天然存在的CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）等一碳气体原料大规模生物合成蛋白质，长期以来被国内外学术界认为是革命性前沿科技。

农科院饲料所饲料加工创新团队首席科学家薛敏介绍，早在20世纪90年代，国外就开始研究利用乙醇梭菌等食气菌以一碳气体为碳源生产小分子醇类产品，但未关注菌体本身作为蛋白质饲料的可能性。2004年，荚膜甲基球菌蛋白问世，但当时全球饲料产量没有那么多，鱼粉价格也比较低，成本不具有优势。直到现在，动物养殖规模和饲料产量剧增，动物性蛋白价格高昂，全球对蛋白资源需求强劲，再加上碳中和、碳减排背景，大家把目光重新放到了一碳气体和一碳菌生产菌体蛋白上。

“我国在‘六五’‘七五’科技攻关时期，开始研究微生物菌体蛋白生产技术，但因为性价比、效率、安全等问题，一直没能实现产业化。”李爱科表示。

正当此时，乙醇梭菌蛋白工厂化量产横空出世，怎能不令国人欢呼雀跃呢？

废弃物“点石成金”

1994年，乙醇梭菌由比利时科学家从兔子肠道中分离出来，以其为发酵菌种，能够以一氧化碳或者二氧化碳为碳源产生乙醇，很多国家都在研究。

薛敏介绍，大多数能源研究集中在用一氧化碳生物发酵合成乙酸、乙醇、异丙醇等化学品，对菌体合成蛋白质及其功能性研究很少，菌体蛋白大多被当作废弃物丢弃；而专注于单细胞蛋白研究关注点主要集中在酵母、乳酸菌、微藻等传统被认为可食用的菌种上，导致了乙醇梭菌蛋白在蛋白质领域长期“默默无闻”。

人的思维总有惯性，但突破和创新往往在一念之间。20多年后，乙醇梭菌蛋白被发现和大规模利用。

在河北曹妃甸这个填海造地“长”出来的小岛上，钢电园区内矗立着首钢京唐钢铁联合有限责任公司一座座高耸的高炉，不远处就是首钢朗泽的河北分公司（以下简称河北首朗）。该公司副总经理张春悦指着一排20多米高的发酵罐介绍，我国是世界上最大的钢铁冶金生产国，在工业冶炼过程中会产生大量含有一氧化碳、二氧化碳等的尾气，公司一般建在这些钢铁厂、铁合金厂旁边，把尾气收集起来通过管道运输，经过预处理后进入发酵罐，乙醇梭菌和尾气在里面进行快速反应，产出乙醇和乙醇梭菌蛋白。

在低温保存室里，保存着一个个灭火器大小的不锈钢罐体。

“这里面是发酵菌种的冻干粉，用的时候就把它拿出来接到发酵罐里面。有趣的是一氧化碳对人类来说是剧毒，但对它来说却是食物。乙醇梭菌是活的，不断变化的，温度高了或低了，吃得饱了或饿了，都会影响它的后续反应，必须精心呵护。摸索了10多年，我们对它的脾性算是摸透了。”张春悦笑道。

时间回溯到2011年，首钢朗泽成立，引进新西兰朗泽科技研发的实验室发酵技术，能否中试放大成功甚至工业化应用还存在不确定性。

2012年，首钢朗泽投资6000余万元在曹妃甸首钢京唐公司院内建成全流程钢铁工业尾气生物发酵中试示范装置（年产乙醇300吨）。经过持续不断的N轮试验，终于打通了全系统工艺流程。

中试成功后，2016年，全球首套年产4.5万吨钢铁工业尾气生物发酵法制燃料乙醇大工业装置动工。“这是全球首套大工业装置，没有任何经验参考，只能靠团队自己摸索，由于我们中试放大做得比较充分，虽然出现了很多问题，但主要工序运行正常，最终成功实现工业化应用。”2018年5月，一次调试成功产出燃料乙醇合格产品；6月，首次产出乙醇梭菌蛋白。

首钢朗泽副总裁晁伟和张春悦并肩经历了这一切。他全程参与了乙醇梭菌蛋白从2015年被发现、到做各种评价试验、再到申报饲料原料新产品的整个过程。

“发现乙醇梭菌蛋白是一个偶然。”晁伟讲述了这背后的故事。

乙醇梭菌和含碳工业尾气反应后会产生乙醇醪液，然后在蒸馏塔把乙醇蒸出来。大家发现蒸馏塔内总是有非常黏稠的浆状物堵塞塔板，导致蒸馏系统运行不稳定，影响产品质量。

乙醇梭菌。中国农科院饲料所供图

“当时这个东西对我们来说非常棘手，最开始想怎么能把它去除掉，后来董总（首钢朗泽总裁）提出一个建设性的想法，把它分离出来，检测一下看看这些东西到底有没有利用价值。”

做了大量实验分离出来后，送到国家饲料质量监督检验中心（北京）一检测，专家说这个东西还不错，蛋白质含量80%多，氨基酸含量很高，重金属含量也不超标，用作饲料应该很好。

大家一听很兴奋，一边继续测试合适的分离、提纯、干燥设备和工艺，一边向原农业部主管部门咨询，如果想申报新饲料原料需要做哪些工作？有关负责人详细解答了他们的问题，并推荐中国农业科学院饲料研究所做相关评估、论证和实验工作。

于是，首钢朗泽与农科院饲料所接上了头。

饲料所专家推荐用蛋白需求量更高的水产动物来做实验和评价，给出了专业的实验意见和方案：怎么做，做几组，具体添加多少比例，并在过程中对方案逐步优化。之后，首钢朗泽团队按照方案和指导做鲤鱼、草鱼、黑鲷等淡水鱼和海水鱼的实验。

与此同时，饲料所团队做了动物实验分析报告，对乙醇梭菌蛋白的结构解析、功能特性、营养价值、加工适宜性等做了系统分析。

实验做完了，之后的申报评审过程并不顺利。第一次在全国饲料评审委员会初评的时候，因为相关的安全性试验数据不够齐全，没有通过。接下来补充做了更多动物实验和安全性测试，对包括上游的原料气、微生物菌种、生产过程及产品的安全性等做了全面检测。

2019年，薛敏团队和首钢朗泽共同参加了国家重点研发专项“蓝色粮仓”项目，项目框架下共有5个研究课题，包括新型蛋白质开发、应用过程匹配的高效添加剂开发、饲料加工工艺、精准营养、对肉质的影响及代谢残留等。他们和其他科研团队一起，对乙醇梭菌蛋白做了虾和其他鱼类实验，进行更深入的检测和研究。

农科院饲料所团队的系统分析表明，乙醇梭菌蛋白结构简单，粗蛋白质含量高达83%以上，18种氨基酸占蛋白质比例达94%；10种必需氨基酸含量及其结构比例接近鱼粉，远优于豆粕；蛋白质消化率大于95%。在饲料中的添加比例为3%-4.5%时，能显著改善动物肠道和肝脏功能；当添加比例增加到18%-20%时，对动物生长性能、饲料利用率、血液生化指标和肝肠组织形态等均未见有不良影响。此外，流动性、黏度、容重、吸水性、水溶性等指标也不错，具有良好的加工特性。

总结起来就是一句话，该产品是一种安全性较高的优质蛋白质饲料原料。

“对饲料原料和饲料添加剂，我国有一整套完善的管理和评价制度。”全国畜牧总站饲料评审处副处长杜伟介绍，全国饲料评审委员会主要从4个方面进行评审：安全、有效、质量可控和对环境没有负面影响。如代谢产物会不会残留在肉品中，是否对消费者有风险等都在考量范围之内。

全国饲料评审委员会集中了全国100多位包括动物营养、毒理、卫生、质量标准等8个领域内的优秀专家，足够权威严谨，有关评价机构的实验室设备、人员、资质等各方面也都有保障。农业农村部以全国饲料评审委员会的评审结果为主要依据，决定是否颁发新产品证书并发布农业农村部公告。

第二次新产品申报时，因为各种材料齐全，而且实验结果很好，获得了专家的认可，顺利通过了新饲料评审，确定了产品标准。最后，乙醇梭菌蛋白获得了饲料新产品证书。

目前河北首朗可年产蛋白5000吨，同时全球首套铁合金工业尾气生物发酵装置于去年5月在宁夏平罗县试运行成功，可年产蛋白5000吨。

至此，首钢朗泽和农科院饲料所历经6年合作研发和论证，走通了从中试300吨到大规模生产万吨级的产业化之路，也推动了乙醇梭菌蛋白从未知菌体到饲料原料新产品的应用。

市场尝鲜受认可

李爱科认为，这项技术最大的亮点是我国能够通过工厂化条件利用一氧化碳大规模生产微生物蛋白质，并已经形成万吨级产能，以微生物蛋白生产来破解蛋白质短缺难题。

薛敏认为，就生产效率来说，种大豆一年一茬，同样是单细胞蛋白，酵母需要几天时间进行批次培养和反应，乙醇梭菌和一碳气体的反应时间只有22秒，效率是种大豆的70多万倍，是目前碳、氮转化效率最高的方式，值得大众认知和产业推广。

她还估算了一笔账，每生产1吨蛋白约产生9-10吨乙醇，以工业化生产1000万吨乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%）计，相当于2800万吨进口大豆（蛋白含量30%）当量，可减少二氧化碳排放2.5亿吨（生产乙醇和蛋白合计）。

生产出安全有效的产品只是一个开始，如何落地让饲料厂用起来也是一大考验。

自从开始研究乙醇梭菌蛋白后，但凡任何会议研讨场合，薛敏都不遗余力地向同行们介绍这个新产品。随着时间推移，业内对乙醇梭菌蛋白有了更多了解和认可，开始逐渐接受它是一个很好的新型饲料蛋白源。

广州X生物科技有限公司（简称X生物）是最早和首钢朗泽合作的经销商。4年前，刘拾从民企出来创业成立了公司，想找一些新产品来做。机缘巧合，一次交流中从薛敏那里得知有乙醇梭菌蛋白这个新产品后，他很兴奋，意识到这个产品会有潜力有市场，于是立刻和首钢朗泽取得联系，飞到北京谈合作。

“选择推广这个产品其实很简单，我国是一个缺蛋白饲料的国家，大豆、鱼粉依赖进口，这是一个卡脖子的事儿。微生物蛋白是生产效率最高的一种途径，而且能做到可控。选择新型蛋白原料作为创业突破点，既符合国家需求，也符合市场需求。”刘拾解释说。

“从长期看，包括乙醇梭菌蛋白在内的单细胞蛋白非常有应用前景，目前产量还不能满足需求，亟须增大产量降低成本。”广东恒兴饲料实业股份有限公司研究院副院长张海涛介绍。恒兴积极了解应用乙醇梭菌蛋白新产品，其常规营养指标特别是主要的必需氨基酸如赖氨酸、蛋氨酸含量较高，不同水产品种如虾、鱼的实验结果都表现良好，水产饲料中可以添加3%-10%的比例，完全可以适量替代鱼粉，对水产动物生长和健康没有负面影响，节省了部分配方成本、另外，乙醇梭菌蛋白还表现出优良的加工性能，特别是对膨化料的生产加工有正向帮助。目前，因为供应量原因公司用得不多，如果供应量能跟上，有意向扩大采购量。

市场基本打开，饲料厂开始反向寻找乙醇梭菌蛋白产品。目前，生产出的乙醇梭菌蛋白供不应求，国内6-7家饲料厂在用，用于水产饲料配方里的添加量在2%-5%区间内，还属于小众原料，不断在替代鱼粉。

晁伟表示，由于原料成本优势，同时生产过程还产出乙醇，乙醇梭菌蛋白综合成本远低于酵母及微藻等单细胞蛋白产品，具有较强的市场竞争力。因为其营养价值和消化吸收率与鱼粉相差无几，远优于豆粕，目前市场售价对标进口鱼粉。

“无穷可能性”可期待

“乙醇梭菌蛋白是新饲料原料产品，每一个新饲料原料和新饲料添加剂都需要经过科学系统评价后才准予通过认证。对通过的新产品，还要设立5年监测期。”杜伟表示，这实际有两层含义。第一是从保护研发积极性的角度，第二是对它的评价是基于中试规模安全有效，但扩大规模生产应用后，整个生产流程有没有变化，产品是不是还能达到原来的质量标准，能否稳定生产，试验环境到真实的使用过程中效果和安全性怎样等，按照《饲料和饲料添加剂管理条例》，对于发证产品还需要在监测期内进一步观察、跟踪监测和考证。

截至目前，全国饲料评审委员会到企业生产现场进行了调研，接下来还要进行更多观察和监测。

薛敏和晁伟团队还在继续做实验。目前乙醇梭菌蛋白获批的应用动物是鱼类，下一步，要在畜禽新领域包括仔猪、鸡、宠物等代表性动物中进行扩展应用。“蓝色粮仓”项目已经进入中期，多个科研团队对乙醇梭菌蛋白等新型蛋白的功能特性还在不断进行研究。

“虽然目前乙醇梭菌蛋白的总体量还谈不到替代大豆的层次，但能解决鱼粉的对外依存也很了不起。至少我们有利用一碳气体生产菌体蛋白这个‘无中生有’的技术，后面就有无穷的可能性。”薛敏说道。

前景光明，如何去一步步实现呢？

中国科学院水生生物研究所研究员、“蓝色粮仓”项目首席科学家解绶启表示，未来要关注养殖产品、饲料原料的碳排放和碳足迹问题。“双碳”目标下，把一碳气体转变成优质蛋白源是非常重要的一个饲料原料来源。不过，乙醇梭菌蛋白等新型饲料蛋白源仍需要加大研究，以进一步提高其品质和利用效率。

李爱科认为，乙醇梭菌蛋白的应用前景未来可期。现在亟须通过改良菌种和改进生产工艺，进一步降低成本，增加蛋白质的产量。另外，随着原料从钢铁厂尾气扩大到铁合金厂尾气等，要进一步研究尾气的成分、变化规律，以及在微生物中的残留转化规律等。

可喜的是，从最开始引进新西兰朗泽科技菌种和发酵技术，10年来首钢朗泽消化吸收国外先进技术，不断科技创新，形成了具有自主知识产权的系统集成技术。

“目前我们已经能够在国内自己培养制备菌种，后续的合作项目就可以用自己制备的菌种和生产技术了。”晁伟表示。

此外，第一代技术用一氧化碳加氨水经乙醇梭菌发酵产生乙醇和蛋白，固定了1/3的碳，还是会释放出部分二氧化碳。目前正在研究的二代技术，利用一氧化碳、二氧化碳、氢气加氨水来合成乙醇和蛋白，可以实现碳的100%固化，无二氧化碳排放，意义更大。目前中试已经成功并通过中国石化联合会的成果鉴定，计划今年启动工业化示范。

“根据公司‘十四五’规划，未来5年，将新增约100万吨乙醇产能，12万吨蛋白产能。整体规划布局重点放在钢铁冶金、电石、石油炼化、煤化工等工业尾气比较丰富的西部地区。如果所有这些气源都用上，未来可以做到年产蛋白500万吨以上。”晁伟介绍。目前曹妃甸工厂应用的是钢铁厂尾气，平罗工厂和今年将在宁夏、贵州新投产的2个工厂用的都是铁合金厂尾气，下一步想在煤化工、电石尾气上做应用，一个个领域去尝试。预计今年底，4个投产的工厂将有2.4万吨的乙醇梭菌蛋白产能。

“不过单靠企业去一个个推项目，确实力量有限，希望通过制定一些行业政策来引导鼓励更多企业应用这种技术。”晁伟表示。

薛敏也认为未来这种技术模式推广需要政策面支持。国内很多重工业城市一碳气体大幅排放，也都有很重的碳减排任务，如果有政策必须利用部分尾气运行碳中和相关项目，很多企业就有积极性。另一方面最大的限制是专业人才缺乏，气体发酵技术非常专业，工业化落地需要一系列技术支撑，急需培养更多技术人才。

国家无疑鼓励这类新型绿色低碳技术产业发展。2021年底，多项相关利好政策出台。

《“十四五”工业绿色发展规划》提出，加强产业基础研究和前沿技术布局，开展一氧化碳发酵制酒精等新型污染物治理技术装备基础研究；《“十四五”原材料工业发展规划》提出，积极实施节能低碳行动，石化化工行业推广含一氧化碳工业尾气生物发酵制乙醇等低碳技术；《环境保护、节能节水项目企业所得税优惠目录（2021年版）》和《资源综合利用企业所得税优惠目录（2021年版）》中，把利用焦炉煤气、化工废气等生产乙醇和蛋白列入了企业所得税优惠目录。

“这都是很实质性的利好政策。这说明国家认可这个减碳又环保的技术，也认可我们的产业化成果，在支持项目的快速推广应用。”看到这些政策出台，晁伟很开心。

“实现大豆的进口替代不可能仅凭一项技术一个产品，需要有更多产业创新、产品创新。”晁伟表示，“希望在我们的引领下能够涌现出越来越多的突破性技术，你贡献100万吨，我贡献200万吨，大家一起解决蛋白质的进口依赖。”

作者：农民日报·中国农网记者崔丽

原标题：工业尾气如何变身饲料蛋白？——乙醇梭菌蛋白量产背后的故事

监制：黄慧编辑：李忆宁（见习）