发表日期:2022年7月27日 作者:网易新闻 字体颜色: 字号:[ ]
一氧化碳变饲料原料?这项技术拿下历史第一!

导语: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。2021年,被业界称为“单细胞蛋白元年”。乙醇梭菌单细胞蛋白,获得了历史上第一张饲料原料新产品证书,是全球首次实现工厂化条件下利用无机物大规模生产的优质蛋白原料。

正文

一、乙醇梭菌蛋白的世界:从默默无闻到“无中生有”

随着全球对资源需求的日益增加,寻找替代蛋白原料已成为水产、养殖等行业可持续发展的必然要求。替代蛋白主要包括植物性蛋白(豆粕、棉粕等)、动物性蛋白(鸡肉粉、羽毛粉、血粉等)和单细胞蛋白(细菌、酵母真菌、甲烷氧化菌、微藻等)。

单细胞蛋白由于其在生产力、蛋白质含量及营养价值等方面的优势,成为替代蛋白的研究热点。单细胞蛋白是利用工业废水、天然气、农副加工产品以及有机垃圾等作为培养基,培养藻类、真菌或非致病性细菌等单细胞微生物体,然后经过发酵、净化、干燥等处理后制成的微生物蛋白。

细菌单细胞蛋白是单细胞蛋白研究的重要方面。其中,乙醇梭菌蛋白不仅营养价值高,并且氨基酸结构平衡,易于动物消化。生产乙醇梭菌蛋白的乙醇梭菌,是自然界存在的菌种,其基因组序列未含有毒素基因和致病基因。

有趣的是,一氧化碳对人类来说是剧毒,但对乙醇梭菌来说却是食物。乙醇梭菌可利用CO作为碳源,以氨水作为氮源,经过发酵、氧化、蒸馏脱水、菌体分离、喷雾干燥和污水处理等过程,获得粗蛋白含量很高的副产物,即乙醇梭菌蛋白。

配图:乙醇梭菌发酵微观图

早在20世纪90年代,国外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。随后,很多国家开始在研究乙醇梭菌,但对菌体合成蛋白仍很少关注。专注于单细胞蛋白的研究,也主要集中在可食用的菌种上。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,反而延阻了整个单细胞蛋白领域的发展。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,但由于性价比、效率、安全等方面的问题,一直没能实现产业化。这都导致了乙醇梭菌蛋白在蛋白质领域长期“默默无闻”。

直到20多年后,乙醇梭菌蛋白才被发现和大规模利用,并在中国得到突破。乙醇梭菌蛋白工艺是以乙醇梭菌为发酵菌种,以钢铁工业煤气(转炉煤气、高炉煤气)中的CO为主要原料,以氨水为氮源,培养基由磷酸、氢氧化钾、硫酸镁、硫酸亚铁及少量维生素(维生素B1、维生素B2、维生素B5、维生素B6、维生素B12、烟酸、叶酸及生物素)组成,经气体预处理、发酵、蒸馏脱水、菌体分离、喷雾干燥及污水处理6个流程,最后得到乙醇等清洁能源及菌体蛋白。该工艺实现了无机物向有机物的转化,“无中生有”制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳,我国实现了从0到1的自主创新,具有完全自主知识产权。

二、合成蛋白质量产+应用:层层把关,保障安全

值得注意的是,此次合成的蛋白质并不是给人吃的,而是类似于大豆用来做饲料用的。所以,用于饲料安全吗?

其实,饲料安全由全国饲料评审委员会把关。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。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。

经过深入的论证,2021年8月29日,乙醇梭菌蛋白获得了我国第一张由农业农村部颁发的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。

配图:蒸馏脱水工段

配图:发酵工段

三、国产技术新突破:意义重大,未来可期

1、让中国站在生命科学的实践前沿

经过我们的改良,乙醇梭菌“Plus版本”的生长速度加快了。具体有多快呢?依靠改良后的乙醇梭菌发酵合成的时间非常短,从一氧化碳变成蛋白,仅仅需要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,并且创造了工业化条件下一步生物合成蛋白质收率最高85%的世界纪录。此次技术的突破,大大推动了全球生命科学的实践进展。

2、有望打破对国外饲料进口依赖

我国饲料年消耗量约4.5亿吨,优质蛋白源也极度缺乏,不得不大量进口。2020年我国大豆进口量超1亿吨,其中饲料消费量8800万吨,占比85%。该项目的最大意义,就在于“不与人争粮、不与粮争地”,解决饲用蛋白短缺问题。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%)的量。此举突破了天然蛋白质植物合成的时空限制,为弥补我国农业最大短板——饲用蛋白对外依存度过高提供了国之利器。

配图:乙醇梭菌蛋白

3、将有功于碳中和目标

该项技术开辟了一条低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质的新途径,每生产1吨蛋白可减排二氧化碳2.5亿吨(生产乙醇和蛋白合计),节省耕地10亿亩(以平均亩产大豆300斤计)。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。

4、将有利于废物利用回收

该技术可利用的原料气很多,如钢铁、电石、铁合金、石化炼油、煤化工等工业尾气。以钢铁为例,我国每年钢产量10亿吨,含一氧化碳的转炉煤气+高炉煤气就超过1万亿立方。虽然不能实现100%的利用,但利用部分也是一个相当大的产能,技术的适用性很强,具备大规模产业化的基础条件。《“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。

结语:

前有二氧化碳合成淀粉,今有一氧化碳和氮气合成蛋白质!中国正在稳步踏入科技大爆发的节奏进程。目前乙醇梭菌蛋白获批的应用动物是鱼类,下一步还会进行扩展应用。虽然目前乙醇梭菌蛋白的总体量还达不到完全替代大豆的层次,但能解决鱼粉对外依存的问题已经很了不起。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,今后的发展突破也将具有无穷的可能性。

参考文献:

1. 黄哲雯,重大突破!一氧化碳22秒“变身”为蛋白质,工人日报,2021年11月2日

2. 崔丽,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,农民日报,2022年3月1日

3. 阮鑫等,乙醇梭菌蛋白在养殖业中的研究进展,中国畜牧业,2022年第8期


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