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新研究技术 有机废弃物“变”蛋白粉

2022-01-13 10:16:29来源:中国科学报编辑:包阳
摘要:近日,中国科学院成都生物研究所关于沼液生产单细胞蛋白饲料研究项目的最新成果获得了中国发明专利授权。

  

“你们猜猜这是什么?”采访中,中国科学院成都生物研究所研究员李东从盒子里取出了一小袋咖啡色的粉末。

打开袋子,凑近,在袋口上方轻扇,一阵油枯香气扑鼻而来。“见过沼液没?一种有机废弃物经沼气发酵后的含氮废水,这个东西就是沼液‘变’的蛋白粉。”李东介绍,目前已经对其进行了灭菌处理和重金属检测评估,“如果要当蛋白粉吃,是没有问题的。”

这包蛋白粉正是李东关于沼液生产单细胞蛋白饲料研究项目的最新成果。近期,相关研究成果相继发表在了Appl Biochem Biotechnol、Poultry Science、Electronic Journal of Biotechnology期刊上,同时获得了中国发明专利授权。

与植物源蛋白相比,该技术生产出的蛋白饲料合成速率较快,无需日照和大量土地,成本低。更重要的是,生产过程中能有效利用废弃碳源从而减少碳排,在“双碳”背境下的今天,意义凸显。

变“废”为“宝”,有机废弃物资源化利用一直是李东的老本行。如今他致力于在碳“废”中做文章,积极开展多种碳中和技术的研发和推广。

变“废”为“肥”

碳中和,即所排放的二氧化碳和吸收利用的二氧化碳达到平衡。为实现国家碳中和目标,不仅要有碳减排技术和碳零排技术,还需要有碳负排技术。“因为不能完全杜绝煤、石油等化石能源的使用,需要对其释放出的二氧化碳在量上进行一个‘抵消’。” 李东解释。

其中,生物能源属于碳零排范畴,指从生物质中得到的能源,只要有太阳,生物能源就会取之不尽。其通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质,生物能在使用后又生成二氧化碳和水,形成一个物质的循环过程,所以从理论上看二氧化碳的净排放其实为零,生物能源也被视为可再生的清洁能源。

要实现负排放,那就要阻断循环。“简单来说,在这个循环过程中,如果我们不让这些生物质,例如农林废弃物、牲畜粪便等进行燃烧使用,那就不会再生成二氧化碳并排放到大气中去。”李东找到了另一种变“废”为宝的方法:有机废弃物腐殖化利用。

“做成含腐植酸有机肥,可以理解为一种作为肥料的‘煤’,因为它就封存于地下,很难再被分解。”李东介绍,还有一种是将有机废弃物经过热解炭化或者水热炭化,做成生物炭。“同样是封存在地下,是一种缓释肥。相较于普通肥料,它不会轻易受到降雨影响导致淋溶,从而造成资源的损失和面源的污染。”

他表示,这类腐植酸或生物炭基肥料可用于农业种植生产、土壤改良、生态复绿。“比如在一些荒坡或者废弃矿山,因为土壤没有有机质没法长东西,我们就可以把腐殖酸肥放进去,让荒地变沃土。”

一举多得的碳负排技术

李东认为,有机废弃物腐殖化利用技术和生物炭肥的制备都是从面源上,将大气中的二氧化碳进行“固定”利用,达到负排放的目的。而针对大沼气工程、发电厂、燃煤电厂以及炼钢厂等点源碳排问题的解决,他提出了一种新的负排放技术——“POWER TO X”。

“ ‘POWER’ 指的是电,而‘X’可以指天然气(GAS)一类的碳基能源、化学品、材料、饲料甚至食品等。”李东举例,POWER TO GAS(可再生电转生物天然气)这项技术,指的就是先捕获工厂和沼气池产生的二氧化碳,利用可再生电水解制氢,再将氢气用于还原沼气中的二氧化碳,使二氧化碳变为甲烷,替代天然气使用。 在整个环节中,氢气承担了重要的角色。“我们要把二氧化碳生成我们需要的天然气、化学品等,是需要耗能的,而氢就是一种能量。”李东解释。

目前,电解水制氢技术已经相对成熟,只是还未形成安全的氢气输配管网和终端利用设施。“但我们的天然气管网相当完善,所以可以通过‘POWER TO GAS’技术,利用好氢气,生成天然气,这样使用和储存都更方便。” 李东表示,过程中电解水制氢技术的应用,也能解决“电”的储存问题。“电能储存能力有限,但发电又是恒定的,在用电低峰时就会造成资源的浪费。”

李东描绘了一个未来的应用场景:用电低峰时,某水电厂的电就被输送到大型生物天然气工程,经过电解水制氢,将要排放的二氧化碳还原为能够储存的天然气。用电高峰时,又能利用储罐里的天然气进行发电。

“整个过程,类似于水利工程中的蓄洪调峰。”李东提到,中共四川省委十一届十次全会明确了四川要做优做强清洁能源产业,推进水风光多能互补一体化发展,规模化开发利用天然气,有序开发多类型清洁能源,加快提升稳定保供、协同互补和自我调节的能力。“ ‘POWER TO GAS’这项技术的应用在能源的‘稳定保供、协调互补和自我调节’这方面将会尤为突出,还能解决目前氢气和电力运输或储存的问题,可谓是一举多得。”

为空间站变“废”为食提供思路

针对“POWER TO GAS”技术的研究已经持续了五年,最新的系列成果于2021年1月,以研究生朱献濮为第一作者,李东为通讯作者发表在了学术期刊上。目前因为受限于电解水制氢的成本问题,李东及其团队做完“POWER TO GAS”技术经济性分析后,才会考虑进一步的商业化。

而“GAS”(天然气)只是“POWER TO X”中“X”的可能性之一,李东对这项技术的拓展和开发不止于此。“我们的社会是一个碳基社会,人们的吃、穿、住、用、行,乃至人类生命体均离不开碳。所以围绕这项技术理念和路线,我们还能转化出化学品、材料、饲料和食品等。” 李东展示出的特殊“蛋白粉”,正是该技术的又一体现。他解释,在这个沼液氨氮生产单细胞蛋白饲料研究项目中,摒弃了传统的硝化-反硝化的处理沼液的方式,将废弃的含有高浓度氨氮的沼液进行饲料化利用,构建“氨氮-蛋白氮”短流程氮循环。利用微生物把沼液氨氮和养分合成蛋白质,变成蛋白粉。

在“蛋白粉”生成过程中,同样可以利用沼气中的二氧化碳作为碳源,电解水制氢的氢作为能源。“POWER TO X”中的“X”,变成了“PROTEIN”(蛋白)。 李东介绍,这项技术在农业领域具有广阔的应用前景,因为生成的蛋白粉可用作饲料使用。“如果未来能够全面推广,不仅解决了沼气生物天然气产业瓶颈,在沼液资源化利用方面实现突破,对我国粮食安全也有重要的战略意义。”

此外,他还设想了一个应用场景:中国空间站。“在空间站内,太阳帆板一展开就有电,航天员们又呼出了二氧化碳,如果再有氢,尿液提供氮源,我们是否就能应用这项技术来实现航天员每天摄入的食物,也就是营养物的循环‘使用’?” 其实这一循环利用的理念已经在空间站实现,李东提到,空间站内航天员喝的水,有一部分就是经过尿和水循坏系统处理而来的。“因为物质是守恒的,我们要的就是提供物质不停的循环变化所需的能量。”(杨晨)

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