甲烷捕集技術商業化的十年探索之旅

　　甲烷占全球溫室氣體排放量的16-20%，其在大氣中吸收熱量的能力比二氧化碳還要強（見Nature 596，461，2021）。超過一半的甲烷排放來自人類活動，包括煉油廠、煤礦和垃圾填埋場的泄漏。我們開發了一種從混合廢氣氣流中去除甲烷的材料（見參考文獻1）。

　　我們花了十年時間將這種材料商業化：從化學實驗室的研發（2011-18年），到在煤礦瓦斯廠驗證其有效性（2018-21年），再到生產和銷售（2019-21年）。

　　這個過程聽起來很長，但其實已經很快了。在工業化學領域，通常需要長達20年的時間才能將一種產品從實驗室推向市場。大多數產品原型在遇到第一個障礙———獲取產業支持——的時候就失敗了。ZL有效期只有20年，所以這是一場與時間的賽跑。

美國德州科珀斯克里斯蒂的一家煉油廠的天然氣燃燒。圖片來源：Eddie Seal/Bloomberg via Getty

　　當今世界迫切需要新技術來避免氣候變化。然而不幸的是，學者們在商業化的道路上幾乎得不到任何指導，以幫助他們在兼顧大學職業要求的同時應對企業和法律等陌生領域。

　　為了激勵更多的人，我們在此分享加速技術轉化的經驗。除了要有一個激動人心的產品之外，這還需要時間、資金、業務管理以及多部門合作。明確產品的市場定位，與關鍵合作伙伴的戰略合作，以及具備卓越的制造和工程能力，使新技術更有可能跑完全程，跨過終點線。

　　確定產品定位

　　首先應用“5W”理論回答五個問題：產品是什么；客戶是誰；什么是有競爭力的技術；產品的經濟價值是什么；社會和環境影響是什么。這些問題的答案將引導你找到正確的行業、資金來源和營銷信息。同時應對任何并行的問題。

　　我們的產品是一種新型吸附材料（離子液體沸石；ILZ）[1]，可有效捕集甲烷。它解決了一個困擾化學家數十年的問題——將甲烷與空氣中的氮分離。這兩種氣體具有相似的分子大小、沸點和反應特性[2]。

　　發現之初，我們這個材料的應用方向并不明顯。后來的發展有些機緣巧合。李剛博士（K.G.L.）2012年前往位于珀斯的西澳大利亞大學（University of Western Australia）研究天然氣加工（與Eric F. May博士合作）。我們參與了一個液化天然氣工廠甲烷減排的項目。ILZ材料似乎很適合這個用途。目標客戶由此變得清晰起來：液化天然氣精煉廠、煤氣濃縮廠和垃圾填埋場，以及可再生沼氣生產設施。

　　我們首先關注的是那些能以最低成本試用我們的技術并獲得最大收益的客戶。大型液化天然氣工廠過于復雜。中國的煤礦行業則剛好合適。2014年的時候，西方國家天然氣價格低廉且儲量豐富，而中國對天然氣的需求很大。同時，中國可以提供大部分的吸附劑原材料。那時，將稱為有機金屬框架（metal–organic frameworks）的多孔催化劑材料[3]進行商業化的研究人員們，也開始瞄準小規模的研究機構而非大型化工廠。

　　接下來，我們需要應對競爭。甲烷處理是一個快速發展的領域。處理低等級甲烷混合物有很多方法可選擇，它們各有利弊。稀燃式燃氣發電機組便攜、簡單，但產量較低。催化氧化劑和熱氧化劑對稀釋氣流效果很好，但會浪費熱能。活性炭很便宜，但很難分離甲烷和氮。我們的ILZ具有更高的選擇性，但我們仍然需要優化其性能——通過控制顆粒的形狀和大小，最大限度提高捕集甲烷的工業容器能容納的ILZ材料量。

多余的甲烷在垃圾填埋場被燒掉。圖片來源：Robert Brook/Science Photo Library

　　對任何一項新技術來說，定價都是一個挑戰。歸根結底，價格是通過估算一項技術相對傳統方法所能夠提供給客戶的邊際價值，并抵消客戶嘗試新事物所擔的風險來決定的。當供應鏈不成熟時，一開始的生產成本可能會很高。直接成本（勞動力、材料、倉儲、運輸以及水電費等）和間接費用（銷售、營銷、融資、稅收、折舊和ZL申請）也都必須考慮在內。

　　很重要的一點是，在每一步上都傾聽客戶、合作伙伴和其他利益相關者的意見。產品有可能不是現在市場需要的；商業模式也有可能不會盈利。在我們的案例中，我們將先進的工程解決方案與材料打包出售以增加利潤——類似于打印機制造商通過銷售墨盒賺取額外收入。

　　對環境的影響也必須考慮到，比如材料毒性、廢物管理和碳足跡。我們的材料可以使用8—20年，之后可以加熱回收或者掩埋。隨后將處理成本與使用這種材料的環境效益進行權衡。一噸ILZ在其有效期內可以捕集相當于約4000萬噸二氧化碳的溫室氣體。

　　隨著技術和供應鏈的發展，這五個問題的答案可能會在產品商業化的過程中發生變化。這需要不斷收集數據以獲得更精確的答案，也需要密切關注全球在技術、經濟和政策方面的變化。

　　保護知識產權

　　ZL授予申請人在一段時間內制造、使用和銷售一項技術的合法權利，通常為20年（例如，在美國、中國和歐洲）。它可以確保在這段時間內其他人不能使用這項技術。商業機密是保護知識產權的ZL之外的另一種選擇。這就要求你不公開關鍵的生產步驟，以免其他人效仿。在實踐中，可以采用多種方法。我們一開始是依靠商業機密，但后來申請了多項ZL。

　　首先，縮小申請ZL的范圍。它可以是一種材料、一項用途，一臺設備或一個概念。其次，盡早與知識產權機構的官員和ZL律師交談。他們會知道一種產品是否有商業價值，實施保護措施是否可行，以及是否有足夠證據支持你的主張。

　　我們2015年在澳大利亞提交了第一個臨時ZL申請。該階段只需要一個可靠的概念證明。措辭準確很重要。從寬泛的聲明開始，提供細節以證明其創造性，并盡可能少披露具體的技術。

　　ZL對于一家孵化公司的成立很關鍵。盡管它是無形的，但它是公司的初始資本，吸引著合作者和投資者。有ZL作為安全保障，我們能夠向合作者披露我們的配方，這對擴大我們的產品制造規模至關重要。

　　然而，ZL申請過程漫長且費用昂貴。從2015年在澳大利亞申請國際ZL，到獲得美國（2019年）、中國和澳大利亞（2021年）第一個完整的國家ZL，我們花了四到七年的時間。僅在美國，我們就投入了超過2萬澳元（約1.5萬美元）來獲得ZL。每項ZL都要繳納年費，還要持續支付ZL律師的費用。對于孵化公司來說，這是一大筆錢。我們瞄準了最有可能提供大市場的國家。隨著產品的開發和其他備選產品的出現，我們申請了更多的ZL。

　　對任何研究人員來說，這都要在研究項目上花費相當漫長的時間。大多數的學者，包括我們在內，對于限制人們獲取研究都感到很矛盾。開放是科學進步的關鍵。研究人員需要發表研究成果來獲得工作、經費和晉升。對我們來說，這意味著在走一條狹窄的路。我們選擇發表關于我們的材料的先進用途的學術文章[4]，而不披露有關其制造的敏感信息。后來，我們可以通過引用ZL來闡述更多[5]。

　　獲得融資與合作

　　像我們這樣的技術的研發需要經過三個階段：實驗室研究、工業化驗證和商業工廠試產。這些需要投入數百萬美元。

　　第一步是大家熟悉的研究階段。為了在實驗室中開發這種材料，我們最初從澳大利亞研究委員會（Australian Research Council，ARC）、西澳大利亞州政府和全球能源公司獲得了總計數百萬美元的資助。與E.F.M.團隊的交叉合作為始于ARC的產業轉型提供了資金來源。這使我們能夠將材料的產量擴大到公斤級、建造設備，以及測試吸附劑性能和甲烷捕集的循環過程。

　　這個階段是大多數項目停滯的地方。一旦研究經費用完，我們也差不多要結束這項工作了。幸運的是，這種材料的前景推動了我們前進。

中國山西沁水盆地的甲烷捕集廠采用了胡國平（Guoping Hu）、Eric May和李剛（Kevin Gang Li）開發的技術。圖片來源：Yongqiang Wang

　　獲得研究經費以外的資金需要與工業界以及其他專業團體建立伙伴關系。這些人可能包括化學、機械和電氣工程師，也可能包括企業經理、經濟學家、法律顧問和會計師。正是這些相互聯系最終讓成果像雪球一樣越滾越大。以下是一些建議。

　　首先，在產品定位明確后盡快尋找戰略伙伴。這些伙伴不一定是大公司。當我們接觸大型吸附劑和氣體分離公司時，運氣不佳。但當接觸更愿意承擔風險的中小企業時，我們確實得到了關注。

　　其次，打造國際聯系，從而拓寬融資渠道、專業應用領域和市場。會議和展覽是建立聯系的好地方。比如，我們與一家中國氣體分離公司就是在一次關于煤層甲烷減排的會議上開啟了合作。我們同意在條款和條件談判期間進行測試。通過簽訂保密協議以及在建立相互信任的同時保守商業秘密來保護我們的知識產權。這些謹慎的措施避免了未來的商業糾紛。

　　第三，獲取用于促進合作的資金。2017年，我們有幸通過澳大利亞政府的全球創新鏈接計劃獲得了200萬澳元（直接和實物支持）。這將三個組織聯系在一起，成立了一家名為蓋氏科技（Gas Capture Technologies）的初創公司。

　　最后，在條件最有利的地方尋找合作者。例如，我們在澳大利亞有知識產權保護方面的合作伙伴，在德國與一家提供專門原材料的德國制造商合作，在中國的天然氣公司開展生產和商業示范。這些合作讓我們受益匪淺。

　　聘請工程師

　　工程化是關鍵。與生產工程師密切合作能夠加快進展。在與中國制造商合作時，我們花了兩年時間，歷經多次迭代，才為我們的材料找到一個商業上可行的配方（見go.nature.com/3j3tatb）。在這個過程中，我們開發了一個工程循環過程[6]，使我們的甲烷捕集效率提高了一倍，并降低了成本。利用現有設施、工程師和支持團隊，要比從零開始更快捷、更便宜。

　　下一步是商業工廠試驗，這要求我們找到一個能夠從中受益并愿意測試這項技術的地方。經過多次實地考察、研討會和可行性研究，一家行業領先的煤層氣公司同意支持我們在山西沁水盆地建設我們第一個商業化甲烷回收廠。這是位于世界上最大煤層氣儲量地區之一的小型工廠。我們的團隊花了五個月的時間進行現場安裝、調試和測試。

　　通過在網站上發布信息以及發表論文，我們成功贏得了北美和歐洲客戶的銷售訂單。我們能夠利用中國合作伙伴的工廠大規模生產材料并處理廢物。借助于他人的設施我們將產品升級時間縮短了兩到三年。

　　有效溝通

　　溝通不暢可能是拖延商業化進程的最大原因。誤解既浪費了時間和金錢，又造成了關系緊張和事項拖延。良好的溝通能夠建立信任。人員組成健全的大團隊（會計師、工程師、科學家和銷售人員）是成功的必要條件，但并非人人都能心有靈犀。我們需要找到一種平衡，團結整個團隊，讓每個人處于和諧的工作氛圍中，并將專業化的工作分配給各個子團隊以提高效率。語言和文化障礙可能是國際合作會碰到的一個問題，任命能跨文化背景工作的人員是關鍵一步。

　　跨學科交流也很關鍵。例如，在建造示范工廠之前，我們在設計、機械和電氣工程師的參與下，將管道和儀表圖中的每樣東西都排練了至少20遍。在整個過程中我們不斷與他們交流。當因雨季造成項目進展中斷時，他們得以幫助我們迅速回到正軌，例如提高了儀器防水性。

　　下一步的發展

　　更艱巨的工作還在后頭——提高生產力、融資，以及建立穩健的供應鏈。我們需要使產品和收入來源多樣化，并聘請全職人才。對我們來說，這是學術界之外的第二份工作。如果我們知道前路如此，可能會通過全職工作更快地實現商業規模。

　　如果能再有同樣的機會，我們會更早地成立孵化公司，更頻繁地與工業界接觸，在行業會議或展覽上獲得更多反饋，并更早地將我們的技術投入商業環境。我們可能會在不同的國家分別申請ZL，而不是通過緩慢的國際流程。

　　我們呼吁知識產權保護部門加快ZL審查程序，與其他司法部門更有效地溝通，并且避免重復的ZL檢索和查詢。

　　政府和機構支持對商業化過程非常重要。創新中心或園區需要得到長期支持。資金配套和培訓應該更加系統化和廣泛。研究人員應隨時能得到知識產權保護和商業化方面的培訓，來自具有商業經驗的導師和本身參與商業化的企業家。董事課程以及管理和商業方面的培訓也會有所幫助。

　　最后，我們鼓勵有創業精神的實驗室研究人員以耐心、毅力和積極主動的心態迎接這一旅程。

　　參考文獻：

　　1. Li, G., May, E. F., Webley, P. A., Huang, S. H. & Chan, K. I. Method for gas separation. US Patent US20170348670A1 (2015).

　　2. Rufford, T. E. et al. J. Pet. Sci. Eng. 94–95, 123–154 (2012).

　　3. Peters, A. W., Howarth, A. J. & Farha, O. K. Nature 551, 433–434 (2017).

　　4. May, E. F. et al. Sep. Purif. Technol. 177, 161–175 (2017).

　　5. Hu, G. et al. Chem. Eng. J. 427, 130810 (2022).

　　6. Hu, G., Manning, M., Li, G., Xiao, Y. & Webley, P. A. A method for increasing concentration of easily adsorbed gas by pressure swing adsorption. China patent CN110354637B (2021； in Chinese).

　　利益沖突：

　　Guoping Hu、Eric F. May、Kevin Gang Li為蓋氏科技（Gas Capture Technologies, Pty., Ltd）的股東及董事。

　　原文以We commercialized a methane capture technology in ten years — here’s how為標題發表在2022年4月12日《自然》的評論版塊上