2021年10月30日，我國又一項(xiàng)“全球首次”科研成果正式面世，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所與北京首鋼朗澤新能源科技有限公司（以下簡稱：北京首鋼郎澤）聯(lián)合宣布——我國已成功實(shí)現(xiàn)從一氧化碳到蛋白質(zhì)的合成，并已形成萬噸級別的工業(yè)產(chǎn)能。
面對工業(yè)廢氣難以處理這一全球性問題，這一發(fā)現(xiàn)突破了天然蛋白質(zhì)植物合成的條件限制，彌補(bǔ)了我國農(nóng)業(yè)的最大短板，同時對助力碳中和、碳達(dá)峰、搶占全球工業(yè)廢氣處理這一制高點(diǎn)具有戰(zhàn)略性意義。
作為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化發(fā)展的關(guān)鍵載體和重要動力，支撐制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的核心載體，工業(yè)發(fā)展過程中不可避免地會遇到碳排放集中、工業(yè)廢氣難處理等情況，但如果能對其加以利用，定能從中“淘金”。
一、醇梭菌應(yīng)用最為成熟，已有萬噸級工業(yè)量產(chǎn)能力
據(jù)百科信息，工業(yè)廢氣，是指企業(yè)廠區(qū)內(nèi)燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的各種排入空氣的含有污染物氣體的總稱。這些廢氣有：二氧化碳、二硫化碳、硫化氫、氟化物、氮氧化物、氯、氯化氫、一氧化碳、硫酸（霧） 鉛汞、鈹化物、煙塵及生產(chǎn)性粉塵，排入大氣，會污染空氣。這些物質(zhì)通過不同的途徑呼吸道進(jìn)入人的體內(nèi)，有的直接產(chǎn)生危害，有的還有蓄積作用，會更加嚴(yán)重地危害人的健康。不同物質(zhì)會有不同影響。
上述種種污染物、可能對人體造成的嚴(yán)峻后果以及在日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求和綠色發(fā)展理念下，煙道廢氣除塵、脫硫、脫硝……工業(yè)廢氣的處理成為了企業(yè)必須接受的挑戰(zhàn)和要求，更是相關(guān)從業(yè)者不得不跨越的關(guān)卡。在此背景下，我國也涌現(xiàn)出了一批批針對工業(yè)廢氣“變廢為寶”研究的企業(yè)和科研院所，以工業(yè)廢氣為原料“無中生有”，正在成為相關(guān)行業(yè)從業(yè)者的“新時尚”。35斗統(tǒng)計(jì)了我國部分從事工業(yè)廢氣轉(zhuǎn)化為“二代產(chǎn)品”以及部分經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物的相關(guān)企業(yè)以及科研成果。
| 序號 | 機(jī)構(gòu)/企業(yè) | 產(chǎn)物 | 簡介 |
| 1 | 新疆敦華氣體工程技術(shù)有限公司 | 液態(tài)二氧化碳 | 廢氣原料通過胺液吸收法生產(chǎn)成液態(tài)二氧化碳，再注入到采油企業(yè)，原油再運(yùn)送到煉油企業(yè)，形成閉合循環(huán)系統(tǒng)。 |
| 2 | 中鹽青海昆侖堿業(yè)有限公司 | 小蘇打 | 生產(chǎn)純堿產(chǎn)生的廢氣，通過綜合、循環(huán)利用提取后，不僅把過去生產(chǎn)純堿后排放的廢氣利用起來，還降低了粉塵對大氣環(huán)境的污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。公司成功實(shí)現(xiàn)由熱堿液生產(chǎn)食用小蘇打的生產(chǎn)工藝突破，也成為公司發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)邁出的重要一步。 |
| 3 | 電子科技大學(xué)夏川課題組、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組 | 葡萄糖和脂肪酸 | 通過電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進(jìn)一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。 |
| 4 | 北京首鋼朗澤科技股份有限公司 | 蛋白質(zhì) | 以乙醇梭菌為發(fā)酵菌種，以鋼鐵廠、鐵合金廠、電石廠含CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）的尾氣和氨水為主要原料，進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)、離心、干燥而獲得的新型單細(xì)胞蛋白。 |
| 5 | 河北首朗新能源科技有限公司 | 乙醇 | 工業(yè)尾氣經(jīng)過預(yù)處理后送至首鋼朗澤的生物發(fā)酵裝置，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾脫水后產(chǎn)出濃度≥99.5%的燃料乙醇，同時分離出高品質(zhì)的菌體蛋白，可作為高端水產(chǎn)蛋白飼料原料；之后的污水還可用于生產(chǎn)沼氣，再經(jīng)提純后用于生產(chǎn)壓縮天然氣（CG）。整個工藝流程所產(chǎn)生的廢水還可處理回用，發(fā)酵尾氣變成蒸汽用于蒸餾，從而實(shí)現(xiàn)鋼廠廢氣資源的綜合利用。 |
| 6 | 四川天人化學(xué)工程有限公司 | 氨醇聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品 | 該技術(shù)可綜合回收含碳工業(yè)廢氣中氫氣、一氧化碳、氮?dú)獾扔行ЫM分，大幅減少有毒有害氣體及碳排放量。其含碳工業(yè)廢氣多組分聯(lián)合深度凈化達(dá)到10ppb級，凈化反應(yīng)溫度比傳統(tǒng)工藝降低100℃，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。 |
| 7 | 浙江大學(xué)高分子系張興宏教授課題組 | 樹脂、光纖原料 | 通過一種特色的共聚反應(yīng)，廢氣氧疏化碳變成了一種特別的固體材料，這種透明的材料未來可以被用來合成制造樹脂眼鏡片、光纖的原料。 |
| 8 | 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)物理系曾杰教授團(tuán)隊(duì) | 電池燃料 | 通過對催化劑和電催化裝置的迭代升級，開發(fā)了一種銅合金催化劑和固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳和水中直接制備純甲酸水溶液，大大節(jié)省了產(chǎn)物分離的成本。 |
| 9 | 寧夏吉元循環(huán)發(fā)展有限公司 | 乙醇、蛋白飼料 | 一氧化碳這種尾氣可以制作乙醇。這是一種生物學(xué)原理，就是讓微生物“吃”一氧化碳，然后產(chǎn)出乙醇。在這個過程中，碳被固化下來，二氧化硫、氮氧化物、顆粒物也都被消耗殆盡，可以做到零排放。尾氣在制作乙醇的同時，還能伴生蛋白飼料。 |
目前，已擁有萬噸級的工業(yè)生產(chǎn)能力的北京首鋼郎澤算得上是工業(yè)廢氣處理中的“領(lǐng)跑者”，憑借乙醇梭菌蛋白，企業(yè)還獲得了我國第一張飼料原料新產(chǎn)品證書。
作為分離于兔子腸道的發(fā)酵菌種，乙醇梭菌能夠以含一氧化碳和二氧化碳的尾氣及氨水為原料，再歷經(jīng)液體發(fā)酵、離心等工序，獲得單細(xì)胞蛋白產(chǎn)物。農(nóng)科院飼料所團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)分析對產(chǎn)物進(jìn)行了更進(jìn)一步的探索，科研人員表明乙醇梭菌蛋白結(jié)構(gòu)簡單，粗蛋白質(zhì)含量高達(dá)83%以上，18種氨基酸占蛋白質(zhì)比例達(dá)94%；蛋白質(zhì)消化率大于95%，在粗蛋白含量、部分氨基酸占蛋白質(zhì)比例上擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢。同時，其所具有的10種必需氨基酸含量和結(jié)構(gòu)比例接近魚粉、遠(yuǎn)優(yōu)于豆粕的特性也讓其能夠被大量應(yīng)用于飼料中。
在可預(yù)見的將來，這一技術(shù)的“小荷微露”對改善我國大豆需要大量進(jìn)口的現(xiàn)狀提供了解決思路，并且還能降低養(yǎng)殖戶的飼料成本。同時，其對減碳，助力碳中和、碳達(dá)峰也有著重要意義。作為工業(yè)排放尾氣中的“?？汀?，一氧化碳和二氧化碳在工業(yè)廢氣中所占比例較大，這項(xiàng)研究成果能夠充分對這些廢氣進(jìn)行利用，“憑空”制造出蛋白質(zhì)、飼料等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，不僅解決了碳排放的煩惱，還實(shí)現(xiàn)了飼料生產(chǎn)，真正是一舉多得。
據(jù)媒體報(bào)道，目前河北首朗郎澤已擁有年產(chǎn)蛋白5000噸的能力，同時，全球首套鐵合金工業(yè)尾氣生物發(fā)酵裝置也已經(jīng)于2021年5月在寧夏平羅縣試運(yùn)行成功，同樣具備蛋白5000噸的年產(chǎn)量。
據(jù)專家估算，工業(yè)化生產(chǎn)1000萬噸乙醇梭菌蛋白（蛋白含量83%），即相當(dāng)于進(jìn)口大豆的2800萬噸（蛋白含量30%）當(dāng)量，這些舉措可減少二氧化碳排放2.5億噸。這一成果如果能大規(guī)模地在相關(guān)企業(yè)間進(jìn)行推廣，不僅開辟了一條低成本且能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料蛋白質(zhì)的新道路，假以時日，這還將演變?yōu)橐粓鎏佳h(huán)、碳利用、碳捕集的革命。
整體來看，據(jù)有關(guān)專家表示，我國鋼鐵冶金、石化煉油、電石等行業(yè)，其年產(chǎn)工業(yè)尾氣的數(shù)量已達(dá)萬億立方米之多，如能將其中的50%加以利用，可年產(chǎn)乙醇5000萬噸、飼料蛋白500萬噸，減少二氧化碳排放1.25億噸，節(jié)約糧食1.6億噸，相當(dāng)于4億畝耕地的年產(chǎn)量。
二、海外學(xué)術(shù)研究和公司起步較早，明星公司LanzaTech融資超3億美元
數(shù)量驚人的工業(yè)廢氣處理不僅是中國、更是全球都必須突破的一道難關(guān)，面對如此龐大的市場和工業(yè)廢氣排放量，全球各國和地區(qū)也緊鑼密鼓地開啟了針對工業(yè)廢氣轉(zhuǎn)化的研究，以期在將來的博弈中搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。35斗統(tǒng)計(jì)了目前全球范圍中部分研究團(tuán)隊(duì)對工業(yè)廢氣進(jìn)行處理進(jìn)而生成部分經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物。
| 序號 | 機(jī)構(gòu)/企業(yè) | 產(chǎn)物 | 簡介 |
| 1 | 法國生物技術(shù)初創(chuàng)公司CarbonWorks | 天然原材料 | 瞄準(zhǔn)二氧化碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。通過CCU技術(shù)--微藻光合固碳實(shí)現(xiàn)工業(yè)CO2的生物捕集與轉(zhuǎn)化。公司使用其專有的藻類生物反應(yīng)器（過濾器）在城市中心捕獲二氧化碳和其他有害的大氣污染物。 |
| 2 | 美國西北大學(xué)和LanzaTech的研究人員 | 有價值的工業(yè)化學(xué)品 | 將鋼鐵廠的廢氣轉(zhuǎn)化為商品化學(xué)品的能力可能使梭狀芽胞桿菌成為工業(yè)冠軍。在一項(xiàng)新的試點(diǎn)研究中，研究人員選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化了一種細(xì)菌菌株，成功證明了其將二氧化碳轉(zhuǎn)化為丙酮和異丙醇（IPA）的能力。 |
| 3 | 美國朗澤科技公司邁克爾·科普克（Michael Kpke）和美國西北大學(xué)邁克爾·杰維特（Michael Jewett）及他們的同事 | 丙酮和異丙醇 | 工程細(xì)菌可將工業(yè)污染中的氣體排放（包括溫室氣體二氧化碳）轉(zhuǎn)化為兩種有用的化合物（丙酮和異丙醇）。該方法可替代現(xiàn)有利用石油或天然氣生產(chǎn)的流程，提供了一種負(fù)碳排手段。 |
| 4 | 5ABIC二氧化碳工廠（5ABIC該工廠隸屬于沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（5ABIC）） | 甲醇、尿素等 | 5ABIC二氧化碳工廠的下游綜合管網(wǎng)總長度約25公里。凈化后的二氧化碳產(chǎn)品經(jīng)過這些管道，運(yùn)送至下游的尿素和甲醇生產(chǎn)工廠，與甲烷、氨氣等化合物反應(yīng)，生成甲醇、尿素等高附加值的產(chǎn)品。 |
| 5 | 位于南加州歐文市的“能源核心”公司 | 電能 | 甲烷等有機(jī)工業(yè)廢氣進(jìn)入這臺氧化爐后，在1000攝氏度左右的高溫下經(jīng)過約2分鐘的氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳，并釋放出大量熱能。 |
| 6 | Lanzatech | 乙醇等生物燃料和蛋白質(zhì) | LanzaTech利用自己的“氣體發(fā)酵技術(shù)”，通過技術(shù)授權(quán)與合作開發(fā)的方式，實(shí)現(xiàn)綠色化工制造和工業(yè)負(fù)碳。 |
眾多企業(yè)和機(jī)構(gòu)讓人類看到了工業(yè)廢氣再利用的另一種可能，工業(yè)廢氣的去向也不再是從前的“歸去山林”。在人們探索工業(yè)廢氣處理的過程中，其間也誕生出了不少“明星企業(yè)”，其中就包括2005年成立于新西蘭的LanzaTech。
LanzaTech技術(shù)處理示意圖
圖片來源：LanzaTech官網(wǎng)
此前，美國的生物燃料出版月刊發(fā)表的年度排行榜將LanzaTech評為世界上最熱門的生物能源公司，之后，LanzaTech的身影就常常出現(xiàn)在“50 家生物經(jīng)濟(jì)熱門公司”的榜單上。作為一家基于氣體發(fā)酵技術(shù)的碳回收商，LanzaTech將工業(yè)廢氣等非食物、低價值的氣體轉(zhuǎn)化為丁二醇或者乙醇，隨后再進(jìn)行深度的處理。目前，其利用合成生物學(xué)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了廢碳源發(fā)酵產(chǎn)生乙醇、用乙醇制成FENCTOPGREENBio3-PET纖維等。
LanzaTech的所開發(fā)的技術(shù)能還將鋼廠產(chǎn)生的富碳廢氣轉(zhuǎn)化為其他基本化學(xué)品。2013年，西門子冶金技術(shù)部與LanzaTech達(dá)成了合作，在此之后的十年間，其計(jì)劃向全球鋼鐵行業(yè)提供環(huán)保解決方案；2018年5月，以富碳?xì)怏w為原料生產(chǎn)乙醇的技術(shù)也正式在河北省曹妃甸京唐鋼廠正式投入商用；上文提到的北京首鋼郎澤也與LanzaTech香港有限公司達(dá)成了合作；除此之外，LanzaTech還與維珍集團(tuán)、聯(lián)合利華等建立了合作關(guān)系。
根據(jù)Crunchbase數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過8輪融資，LanzaTech已獲得總額超過3億美元的投資，其背后投資者不乏Khosla Ventures、K1W1、啟明創(chuàng)投等的身影，也浮現(xiàn)出了中國國際投資公司（CITIC）和中石化資本等中國投資者的影子。LanzaTech還將領(lǐng)域拓展到了航空業(yè)、家庭護(hù)理等多個領(lǐng)域，其產(chǎn)品也基本涵蓋了航空燃料、香水、洗衣粉和家用清潔劑等，可謂是工業(yè)廢氣處理企業(yè)中的“尖子生”。
LanzaTech 正利用基因測序和編輯技術(shù)為合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。在實(shí)驗(yàn)室中，科研人員以專業(yè)知識為工具，已成功地誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因細(xì)菌生產(chǎn)50余種不同的工業(yè)碳?xì)浠衔?，下一步，企業(yè)正踏入丙酮和異丙醇進(jìn)入商業(yè)化的進(jìn)程。
35斗也期待，在未來能有更多更好技術(shù)更加先進(jìn)的企業(yè)在工業(yè)廢氣處理這一賽道上涌現(xiàn)出來，為全人類的健康和環(huán)保事業(yè)做貢獻(xiàn)。
三、行業(yè)尚存安全性、量產(chǎn)應(yīng)用等諸多問題，可與“雙碳”目標(biāo)契合
目前，工業(yè)廢氣轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物中所用最多的原料是一氧化碳、二氧化碳以及部分碳?xì)浠旌衔?，因此，碳捕集利用與封存技術(shù)（ Carbon Capture, Utilization and Storage，以下簡稱 CCUS）也成為了目前工業(yè)廢氣大批量處理中常用的一種技術(shù)?！秶摇笆濉笨茖W(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中也提及了“要發(fā)展二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)”。不過，CCUS也存在一些隱患，比如氣體泄露問題、不穩(wěn)定、技術(shù)難度大、成本高昂、缺乏全流程示范經(jīng)驗(yàn)等，而在我國，則是有著CCUS相關(guān)設(shè)施數(shù)量較少、項(xiàng)目規(guī)模較小等桎梏。
圖片來源：華寶證券創(chuàng)新部圖
盡管目前的CCUS還存在大量的痛難點(diǎn)，然而，痛難點(diǎn)中所蘊(yùn)藏著的，不只是夜以繼日的研究和孜孜不倦的千百遍試驗(yàn)，還有的是將痛難點(diǎn)攻克之后的柳暗花明和工業(yè)廢氣處理的快速發(fā)展。
首先是化石燃料和能源生產(chǎn)的過程中捕捉和封存二氧化碳所產(chǎn)生的成本極其昂貴；其次，作業(yè)地點(diǎn)必須經(jīng)過嚴(yán)格考察，不能因某些人為或自然因素造成相關(guān)氣體的逸散，運(yùn)輸和處理這些氣體時所需要用到的管道和相關(guān)設(shè)施須經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)；再次，在陸地上進(jìn)行作業(yè)，民眾或會產(chǎn)生抵觸情緒；最后，則是技術(shù)的“卡脖子”，CCUS部分核心技術(shù)掌握在歐美等國家手上，我國還需加快科研進(jìn)度，迎頭趕上，與國際先進(jìn)水平齊平。
盡管上述難題成為了工業(yè)廢氣處理的阻礙，但相關(guān)工業(yè)企業(yè)仍可以憑借CCUS打造“第二生長曲線”，激發(fā)內(nèi)生生長動力；在“碳中和”背景下，我國工業(yè)行業(yè)有著龐大的減排需求，能使得CCUS快速增長；最后，在有關(guān)政策的推動下，也能提升企業(yè)和機(jī)構(gòu)破解難題的積極性，假以時日，定能打贏CCUS這場硬仗。
無限未來，無限可能。一項(xiàng)項(xiàng)全新的技術(shù)就如同匯成大海的一滴滴水，當(dāng)技術(shù)和成果各就其位，百川歸海，奔涌的浪花才能承托起工業(yè)廢氣處理這艘巨輪，勇往直前，乘風(fēng)破浪。
參考資料：
[1]《曹妃甸首鋼朗澤全球首套工業(yè)尾氣生物固碳項(xiàng)目顯奇效》
[2]《轉(zhuǎn)化工業(yè)廢物為藻類生物質(zhì)，生物技術(shù)初創(chuàng)獲1100萬歐元融資》
[3]《國際最新研究：工程細(xì)菌可“變廢為寶”用工業(yè)廢氣生產(chǎn)化工原料》
[4]《工業(yè)之美｜這座全球最大的二氧化碳工廠，將廢氣做成化肥和飲料》
[5]《繼獲中石化投資之后，碳回收技術(shù)明星公司LanzaTech再拓合作品牌》
[6]《合成生物學(xué)碳捕捉全球第一股「LanzaTech」估值22億美元即將上市》
[7]《應(yīng)對氣候變化，碳捕集和利用難在哪兒》
[8]《對話LanzaTech：碳固定技術(shù)如何成為制造業(yè)的下一個明星？》