曹 晨,余 波,顧為東
(1.南京大學工程管理學院,南京210093;2.江蘇省宏觀經(jīng)濟研究院,南京210013)
中國城市化進程中的糧食安全與風/煤制天然氣單細胞蛋白的研究
曹 晨1,2,余 波1,2,顧為東2
(1.南京大學工程管理學院,南京210093;2.江蘇省宏觀經(jīng)濟研究院,南京210013)
據(jù)預測2030年我國人口將會達到峰值14.5億,城市化率達到70%,屆時城市人口新增3億,總數(shù)將超過10億。隨著總?cè)丝诘某掷m(xù)增加以及城市人口的迅速膨脹,我國未來將會面臨嚴峻的糧食不足問題,尤其以蛋白質(zhì)為代表的營養(yǎng)物質(zhì)將會出現(xiàn)嚴重短缺。本文針對這一問題,提出了以風力發(fā)電為能源,以煤制天然氣為原料的單細胞蛋白制備新思路,新途徑。此方法通過煤制天然氣生產(chǎn)單細胞蛋白,既解決了傳統(tǒng)煤炭利用中碳排放高、環(huán)境負荷大等缺點,實現(xiàn)了煤炭的升級、綠色利用,又解決了利用石油、工農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)單細胞蛋白所產(chǎn)生的食品安全性等問題。另外,此方法可實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),為解決我國未來蛋白質(zhì)不足提供一條綠色、高效、切實可行的新途徑。
城鎮(zhèn)化;糧食安全;非并網(wǎng)發(fā)電;煤制天然氣;單細胞蛋白
1.1 我國城市化進程中食品安全現(xiàn)狀
中國共產(chǎn)黨第十六次全國代表大會以來,我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,2002—2011年,我國城鎮(zhèn)化率以平均每年1.35個百分點的速度發(fā)展,城鎮(zhèn)人口平均每年增長2.096×107人。2011年,城鎮(zhèn)人口比重達到51.27%。據(jù)中國社會科學院2013年中國人類發(fā)展報告《可持續(xù)與宜居城市——邁向生態(tài)文明》預測,按照目前的趨勢發(fā)展下去,到2030年,中國人口將會達到14.5億,城鎮(zhèn)化水平將達到70%,還將新增3.1億城市居民。屆時,中國的城市人口總數(shù)將超過10億。
迅速膨脹的城市人口一方面顯示我國綜合國力的不斷提升,另一方面也會帶來很多新的問題,比如糧食問題、能源問題、環(huán)境問題等,而糧食問題是重中之重。糧食安全一直是保證國家穩(wěn)定發(fā)展,人民安居樂業(yè)的頭等大事,也是順利推進工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的重要保障。伴隨著中國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,當前和未來中國糧食安全正面臨幾個重大難題:一是在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的情況下,與城市、工業(yè)競爭生產(chǎn)要素的過程中,農(nóng)業(yè)仍處于明顯的弱勢地位,務(wù)農(nóng)人員的流失,社會資本的逐利趨向性將導致糧食生產(chǎn)面臨缺地少水、無人種地的窘境。二是由于總?cè)丝诨鶖?shù)的不斷增加帶來的糧食絕對需求量的增加、整體生活水平的不斷提高帶來的飲食結(jié)構(gòu)相應變化以及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展城市居民人口比重上升帶來的對高營養(yǎng)物質(zhì)的消耗會出現(xiàn)快速增長,尤其以蛋白質(zhì)為代表的營養(yǎng)物質(zhì)將會出現(xiàn)巨大的供給空缺。
圖1至圖3分別顯示了我國人口結(jié)構(gòu)變化,城鄉(xiāng)居民飲食結(jié)構(gòu)區(qū)別[1]以及蛋白質(zhì)(肉類)人均消費增長情況。以肉類為例,根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù),2013年中國城鎮(zhèn)人均肉類消費量為62.7 kg,肉類產(chǎn)量為8.535×107t。
圖1 我國人口結(jié)構(gòu)變化Fig.1 Urbanization trend of China
圖2 城鄉(xiāng)居民飲食結(jié)構(gòu)區(qū)別[1]Fig.2 Differences in diet structure of urban and rural residents[1]
圖3 蛋白質(zhì)(肉類)人均消費增長情況Fig.3 Growth of per capita consumption of meat
近年來我國肉類進口額也快速增長,2012年進口額達到50億美元(見圖4)。發(fā)達國家的人均肉類消費量為每年70~120 kg,如果保守假設(shè)2030年人均肉類消費為80 kg,我國肉類產(chǎn)量增長為1×108t,屆時肉類會有1.6×106t的缺口。另外畜牧家禽業(yè)的增長,也會帶來糧食消耗的巨大壓力,增重1 kg,雞會消耗2 kg糧食,豬會消耗3 kg糧食,而牛則消耗7 kg糧食。這無疑又加深了我國原本緊張的糧食供給壓力。與此同時,大量的牲畜家禽的喂養(yǎng)也需要蛋白類飼料,2013年飼料進口額度達到304億美元,其中大豆進口達到5.6×107t,魚粉達到9.4× 105t。到2015年國內(nèi)蛋白飼料需求量將達到8.5× 107t,蛋白飼料的供求缺口還將進一步擴大。
不僅我國如此,世界也將面臨蛋白質(zhì)不足的問題,據(jù)預測,2015年世界蛋白質(zhì)缺口將擴大到3×107t/a。面對嚴峻的蛋白質(zhì)不足問題,依靠傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植更多的豆類或者養(yǎng)殖更多的動物顯然不能解決這一問題,我們必須找到一條可持續(xù)發(fā)展的解決方案。21世紀隨著生物技術(shù)的日趨發(fā)展,利用微生物的力量解決這一難題為我們提供了一條可行之路。
圖4 肉類進口總量變化Fig.4 Growth of meat import
1.2 單細胞蛋白
1.2.1 單細胞蛋白概念,特點及發(fā)展概況
單細胞蛋白(SCP)又稱微生物蛋白或菌體蛋白,是利用工業(yè)廢水、廢氣,天然氣,石油烷烴類,農(nóng)副加工產(chǎn)品以及有機垃圾等作為培養(yǎng)基,培養(yǎng)單細胞生物體,然后經(jīng)過凈化干燥處理后制成,是食品工業(yè)和飼料工業(yè)的重要蛋白質(zhì)來源。
目前生產(chǎn)SCP的微生物有四大類,即非致病和非產(chǎn)毒的細菌、酵母、真菌和藻類。細菌的生產(chǎn)原料廣泛,生產(chǎn)周期短,且生產(chǎn)的蛋白含量高;但細菌含有較復雜的其他成分,核酸含量較高,含有毒物質(zhì)的可能性較大,且細菌個體小、分離難,經(jīng)分離的蛋白質(zhì)不如其他微生物蛋白易消化。酵母菌長期一直用于烤制面包、釀酒等方面,因此酵母菌是容易被接受生產(chǎn)SCP的微生物。同時酵母菌核酸含量較低、容易收獲,且在偏酸環(huán)境下(pH 4.5~5.5)能夠生長,可減少污染。真菌菌絲生產(chǎn)慢且易受酵母污染,因此必須在無菌條件下培養(yǎng)。但真菌的收獲分離容易,可從培養(yǎng)液中濾出擠壓成形。藻類生產(chǎn)需要足夠的陽光和一定的溫度。大多數(shù)藻類的細胞壁不易被消化、食味不好,且其核酸含量高、對機體健康不利[2]。
單細胞蛋白與其他蛋白質(zhì)來源相比具有很多優(yōu)點。a.生產(chǎn)速率高:細菌繁殖一代的時間是0.5~2 h,酵母菌是1~3 h,藻類是2~6 h。相反農(nóng)作物一年至多才能長三季,大牲畜幾年才能生出新一代。一頭500 kg的牛每天可產(chǎn)蛋白質(zhì)0.4 kg,而500 kg酵母每天至少生成5 000 kg蛋白質(zhì)。b.營養(yǎng)豐富:單細胞蛋白所含蛋白質(zhì)高,糧食作物中玉米含蛋白質(zhì)8%~9%,小麥含蛋白質(zhì)10%~12%,大豆含蛋白質(zhì)35%~40%,牛肉含蛋白質(zhì)18%~22%,雞蛋含有蛋白質(zhì)13%~15%,而單細胞蛋白其蛋白質(zhì)含量為40%~80%,而且組成單細胞蛋白的氨基酸種類齊全。c.不用或少用土地:一個年產(chǎn)10萬噸級的單細胞蛋白工廠,如以酵母計算,按所含蛋白質(zhì)為45%,一年所產(chǎn)蛋白質(zhì)為45 000 t。一畝大豆按畝產(chǎn)200 kg,蛋白質(zhì)含量按40%,一年所產(chǎn)蛋白質(zhì)為80 kg。這樣一個工廠的年產(chǎn)蛋白質(zhì)量相當于562 500畝(1畝≈666.67 m3)土地生產(chǎn)的蛋白質(zhì)[3]。
單細胞蛋白生產(chǎn)已有70年的歷史,早在第二次世界大戰(zhàn)期間,德國和前蘇聯(lián)因缺乏蛋白質(zhì)和維生素食品,建立起生產(chǎn)單細胞蛋白的工廠。20世紀60年代,利用石油的碳氫化合物作為飼料酵母生產(chǎn)得到一定發(fā)展,可惜用這種方式生產(chǎn)的單細胞蛋白分離純化十分復雜而費錢,并且可能含有粗柴油基質(zhì)中的多環(huán)芳烴致癌物,因此一些公司投資開發(fā)后并未能堅持下去[4]。70年代以來甲醇蛋白受到了重視。這是因為甲醇可以大量地從甲烷(天然氣的主要成分)氧化而成,并且它能與水混溶,對氧與微生物有較大的親和力。英國帝國化學公司從1968年起從事甲醇蛋白的研究,日本三菱瓦斯化學、瑞典 Norprotein和法國 Institut Fran?ais du Pétrole(IFP)等公司也進行了相應的研究[5]。
20世紀70年代以來,我國也開始甲醇蛋白的研究。而且早在1984年,中華人民共和國國務(wù)院辦公廳就在轉(zhuǎn)發(fā)原國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會《1984-2000年全國飼料工業(yè)發(fā)展綱要(試行草案)》的通知中,要求把甲醇蛋白列為飼料工業(yè)發(fā)展的重要產(chǎn)品之一。但到目前為止,甲醇蛋白的產(chǎn)業(yè)化因為成本以及技術(shù)等問題在我國仍處于起步階段,國內(nèi)還沒有工業(yè)化的甲醇蛋白生產(chǎn)裝置,一些單位也停止了對甲醇蛋白的研究開發(fā)。近年來,利用農(nóng)作物廢棄物如秸稈,工廠廢棄物還有其他原料來生產(chǎn)單細胞蛋白的研究也時有報道,但是這些大多都還處在研發(fā)試驗階段,還沒有大量成規(guī)模的生產(chǎn)。
1.2.2 單細胞蛋白發(fā)展制約因素
單細胞蛋白也具有其自身的劣勢,以致于至今未能得到大規(guī)模工業(yè)化發(fā)展。
1)安全性問題:有些微生物會產(chǎn)生對人體和動物有害的物質(zhì),有些微生物因為在培養(yǎng)過程中會攜帶培養(yǎng)基原料里的某些有毒成分而對食用者帶來危害。另外,微生物中含有的核酸量也偏高,大量食用后會造成風濕,結(jié)石等疾病。用作飼料或者食品必須降低微生物中核酸的含量。
2)成本偏高:隨著石油價格的不斷升高,用石油生產(chǎn)單細胞蛋白已經(jīng)很難有經(jīng)濟效益。現(xiàn)在處于這一產(chǎn)業(yè)主流的甲醇蛋白,僅甲醇一項就占到甲醇蛋白生產(chǎn)成本的50%以上,近幾年甲醇價格波動大,導致甲醇蛋白的原料成本不穩(wěn)定,甲醇蛋白若按目前價格生產(chǎn),總成本達到8 600元/t以上,同等粗蛋白含量的甲醇蛋白和豆粕的比價關(guān)系為1.5∶1,甲醇蛋白目前根本沒有價格優(yōu)勢,由于成本比大豆高,代替大豆用于飼料經(jīng)濟上無競爭力;而代替魚粉,由于甲醇蛋白成本與魚粉銷售價格相當,甲醇蛋白也沒有什么價格優(yōu)勢。
3)消費者心理因素:以甲醇蛋白為例,雖然英國ICI公司曾進行8年的毒性理學試驗,結(jié)果表明甲醇蛋白無毒,是一種十分安全的動物飼料添加劑,而且德國赫斯德公司生產(chǎn)的甲醇蛋白主要用于人類食用;但大部分消費者在接受單細胞蛋白方面仍存有疑慮。尤其是我國消費者在經(jīng)歷了“三鹿奶粉”、“瘦肉精”和目前的“牛奶黃曲霉素”等一系列食品安全事件之后,人們對食品、飼料中的添加劑和染色劑之類更加敏感。用微生物生產(chǎn)出來的蛋白質(zhì)能保證安全嗎?會不會存在對人身體有害的成分?類似的擔心也會在一定程度上阻礙市場的開拓。
針對前述我國蛋白質(zhì)短缺以及單細胞蛋白發(fā)展制約因素等問題,筆者等提出以風能發(fā)電為能源,以煤制天然氣為原料制備單細胞蛋白發(fā)展新途徑。
2.1 風電/煤制天然氣工藝
風場的隨機性、波動性給風力發(fā)電并網(wǎng)帶來一系列的影響,隨著風電并網(wǎng)的增加,對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性的影響愈加明顯。非并網(wǎng)風電是指風電系統(tǒng)終端負荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng),而是直接應用于一系列能適應風電特性的高能耗產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域,主要適應于0.5~10 GW以上大規(guī)模風電場[6]。為了實現(xiàn)煤制天然氣的低碳排放,需要提供低碳排放的制氫系統(tǒng)。風電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)即利用風電電解水制得氫氣和氧氣,用來完全或者部分代替空分系統(tǒng)和水煤氣變換系統(tǒng)。由于電解氫氣的加入,極大地減少了水煤氣變換系統(tǒng)過程中所產(chǎn)生的二氧化碳量,實現(xiàn)煤制天然氣系統(tǒng)真正意義上的低碳環(huán)保。
2.2 甲烷蛋白發(fā)展概況
利用甲烷生產(chǎn)單細胞蛋白始于20世紀70年代,1970年英國殼牌公司在英國建立了一個規(guī)模為年產(chǎn)300 t的天然氣蛋白試驗裝置,1974年,殼牌公司宣布在英國建立一個規(guī)模更大的試驗裝置,并籌備在荷蘭阿姆斯特丹籌備一個規(guī)模為年產(chǎn)1×105t裝置的發(fā)展計劃。但在1976年,殼牌公司決定停止該發(fā)展計劃并無限推遲,當時的原因歸結(jié)為:大豆和玉米的價格很低。1999年挪威國家石油公司與英國Nycomed Amer-sham公司聯(lián)合投資建設(shè)了世界上第一套用天然氣生產(chǎn)甲烷氧化菌單細胞蛋白的工業(yè)裝置。這套裝置具有年產(chǎn)1×104t生物蛋白的能力。生產(chǎn)出的單細胞蛋白含70%蛋白質(zhì)、12%碳水化合物、10%脂肪和8%礦物質(zhì),目前在挪威已有農(nóng)業(yè)合作社作為飼料出售[7]。
2.3 工藝流程
圖5顯示了以風能發(fā)電為能源,以煤制天然氣為原料制備單細胞蛋白發(fā)展新途徑簡易工藝流程。利用此工藝思路可實現(xiàn)新能源風能與傳統(tǒng)能源煤炭的嫁接,最終將二者轉(zhuǎn)化為可供食用的食品或者動物飼料。
圖5 煤制天然氣單細胞蛋白簡易工藝流程Fig.5 Simplified model of coal to gas SCP
2.4 優(yōu)勢分析
1)能源環(huán)境優(yōu)勢:此工藝思路利用風能發(fā)電為能源,以煤制天然氣為原料制備單細胞蛋白。利用此工藝思路可實現(xiàn)新能源風能與傳統(tǒng)能源煤炭的嫁接,產(chǎn)出的單細胞蛋白50%來源于風力發(fā)電,50%來源于煤炭,碳排放幾乎為零,對環(huán)境的負荷微乎其微。利用微生物對風電和煤炭的綜合利用,提高了煤炭的利用功效,傳統(tǒng)煤炭得到升級優(yōu)化利用。
2)成本優(yōu)勢:甲烷蛋白和市場上已有的甲醇蛋白相比,化學成分幾乎是相同的。但是,由于直接使用甲烷可以減少能耗轉(zhuǎn)換,降低生產(chǎn)成本,甲烷比甲醇作為碳源更有優(yōu)勢。此外,甲烷氣體便于運輸。20世紀90年代,美國的相關(guān)研究表明,以甲烷含量17%的煤礦瓦斯為原料生產(chǎn)單細胞蛋白,年產(chǎn)7.6×104t單細胞蛋白的裝置,生產(chǎn)成本僅為73.8美元/t,經(jīng)濟效益非常好。近年特立尼達和多巴哥評價以天然氣為原料單細胞蛋白項目,以2006年價格為基礎(chǔ),1×106t/a規(guī)模的單細胞蛋白項目,總投資約為1.3億美元,投資回報率分別為20%和17%。2009年松原鴻鶴天然氣有限公司與丹麥優(yōu)尼拜爾公司合作投資興建了以天然氣為原料生產(chǎn)SCP的工廠,項目總投資為5.5億,年產(chǎn)單細胞蛋白5× 104t,項目建成后可實現(xiàn)年產(chǎn)值5億元[8]。
3)安全性優(yōu)勢:甲烷單細胞蛋白營養(yǎng)成分、質(zhì)量與天然蛋白一致,并且不受四季變換的影響;沒有病毒,無致敏性;沒有沙門氏菌和其他致病菌。另外甲烷氣體對培養(yǎng)的微生物沒有毒性,不會抑制和影響微生物的生長。據(jù)相關(guān)研究以甲烷蛋白作為豬飼料日食蛋白,試驗中沒有任何跡象顯示對豬、肉雞等動物的健康有負面影響,在豬的血漿代謝物中以及蛋白質(zhì)相關(guān)的酶和脂肪代謝的產(chǎn)物中都不受甲烷蛋白的影響。歐盟已經(jīng)通過了利用天然氣生產(chǎn)單細胞蛋白的批準(Council Directive No.82/471/EEC),1995年,歐盟對甲烷蛋白在飼料中的添加比例做出規(guī)定:豬飼料中的使用量為8%,牛飼料為8%,咸水鮭魚飼料為33%,淡水鮭魚飼料為19%。2009年,歐盟對蛋白質(zhì)來源做了修訂(Regulation(EC)No.767/2009),對利用天然氣發(fā)酵制備的單細胞蛋白有了進一步的促進。
4)可以大規(guī)模工業(yè)化:甲烷是氣體物質(zhì),很容易將其從發(fā)酵產(chǎn)物中分離出來,也不會給發(fā)酵培養(yǎng)體系中引入其他物質(zhì),方便生產(chǎn)過程的控制和產(chǎn)物的分離和制備。而且,我國煤炭資源充足,煤制天然氣可以提供穩(wěn)定的原料來源。另外,此工藝程序簡單,操作易行,無需高溫高壓等高耗能條件,可實現(xiàn)連續(xù)化、工業(yè)化生產(chǎn),并保證其綠色健康。
2.5 應用前景
隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,蛋白質(zhì)短缺等問題為煤制天然氣單細胞蛋白帶來了廣闊的應用前景。
1)飼料:2012年,中國進口糧食達到8×107t,在進口的8×107t糧食中,主要作為飼料用的大豆、玉米占80%。2012年,中國進口大豆5.838×107t,為全球大豆生產(chǎn)總量的1/4,為世界大豆貿(mào)易量的63.9%,中國大豆消費量的80%依賴進口。到2015年國內(nèi)蛋白飼料需求量將達到8.5×107t,蛋白飼料的供求缺口還將進一步擴大。煤制天然氣單細胞蛋白將在填補這一蛋白飼料短缺中發(fā)揮巨大作用。
2)食品加工:煤制天然氣單細胞蛋白也可廣泛使用在食品加工業(yè)中。表1顯示了其在食品加工領(lǐng)域的應用以及功效。
3)與3D打印等技術(shù)結(jié)合直接生產(chǎn)食品。由生物反應器發(fā)酵產(chǎn)生的細胞,經(jīng)破碎提純干燥后會生成均勻的單細胞蛋白粉末,這可作為3D打印的材料與其他可食用原料生產(chǎn)直接可食用的食品。
表1 單細胞蛋白在食品加工業(yè)中的應用Table 1 Applications of SCP in the food processing industry
此工藝思路利用風能發(fā)電為能源,以煤制天然氣為原料制備單細胞蛋白,可實現(xiàn)新能源風能與傳統(tǒng)能源煤炭的嫁接,產(chǎn)出的單細胞蛋白50%來源于風力發(fā)電,50%來源于煤炭,碳排放幾乎為零,對環(huán)境的負荷微乎其微。利用微生物對風電和煤炭的綜合利用,提高了煤炭的利用功效,傳統(tǒng)煤炭得到升級優(yōu)化利用。煤制天然氣單細胞蛋白將為解決未來我國14.5億人口的糧食問題,尤其是蛋白質(zhì)短缺問題發(fā)揮巨大作用。
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Coal to gas single cell proteincontribute to resolving the food crisis of China in future
Cao Chen1,2,Yu Bo1,2,Gu Weidong2
(1.School of Management and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China;2.Jiangsu Institute of Macroeconomic Research,Nanjing 210013,China)
It is predicted that the population of China will be growing to 1.45 billion,the urbanization rate will be 70%by 2030,the total urban population will be exploded to 1 billion comparing with 0.7 billion urban population of 2013.As the continuously growing of population of China and urban population,China will face severe food crisis,especially the protein shortage problem in future.This paper presents a new theoretical model that by combining nongrid-connected wind power and coal to gas with bioengineering to produce single cell protein to contribute to resolving the food crisis.By combining non-grid-connected wind power and coal to gas with bioengineering to produce single cell protein can not only use the coal resource more efficiently,environmental friendly,but also produce nutrient rich protein for forage and human food.
urbanization;food crisis;non-grid wind power;coal-to-gas;single cell protein
Q815
A
1009-1724(2015)03-0107-06
2014-12-10
曹 晨,1986年出生,男,新疆哈密市人,博士,主要從事生物工程類技術(shù)研究;E-mail:caoonly@hotmail.com