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TK生物基材料獲悉，細(xì)菌可以將牛奶或小麥中的糖代謝成奇妙的形式，如酵母面包、酸菜、啤酒和奶酪?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵使用類似的技術(shù)：它在微生物體內(nèi)培養(yǎng)生化物質(zhì)，用于藥物、蛋白質(zhì)、營養(yǎng)保健品和個(gè)人護(hù)理化學(xué)品。

發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)使我們能夠用有機(jī)原料替代石化原料，生產(chǎn)多種產(chǎn)品。然而，新原料可能會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)其可持續(xù)性信譽(yù)。

目前，發(fā)酵工業(yè)以食品垃圾、廢紙、農(nóng)業(yè)垃圾或植物作物為微生物飼料。微生物將這些有機(jī)原料分解成糖，并將糖分解成目標(biāo)化學(xué)品和碳。另一種形式的發(fā)酵逆轉(zhuǎn)了這一過程：微生物不是從糖開始，然后以高價(jià)值化學(xué)品結(jié)束，而是吃掉二氧化碳或其他氣體，然后將它們轉(zhuǎn)化為糖和高價(jià)值化學(xué)品。這稱為氣體發(fā)酵或自養(yǎng)發(fā)酵。

多年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道碳和其他氣體可以為微生物發(fā)酵提供具有成本效益的豐富原料，但商業(yè)化才剛剛開始。

二氧化碳作為新一代發(fā)酵原料，因其明顯的氣候緩解用途而備受關(guān)注，但其他合適的氣體包括甲烷、甲酸鹽、甲醇、乙酸鹽和乙醇——其中一些是具有生態(tài)毒性的低價(jià)值工業(yè)副產(chǎn)品。為高價(jià)值制造業(yè)減少對(duì)環(huán)境有害的氣體可能有助于實(shí)現(xiàn)氣候緩解目標(biāo)，而使用天然氣而不是生物質(zhì)可以減少使用資源密集型作物生產(chǎn)化學(xué)原材料的需求。

目前，氣體發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)展在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大致平分秋色。商業(yè)化才剛剛開始，兩個(gè)領(lǐng)域的研究人員仍在尋找使功能性食氣微生物多樣化并使其有效生產(chǎn)化學(xué)品的方法。

當(dāng)今發(fā)酵中的原料問題

氣體發(fā)酵解決了現(xiàn)有工業(yè)發(fā)酵途徑的問題。發(fā)酵生物制造已經(jīng)為消費(fèi)化學(xué)品提供了一種更可持續(xù)的制造途徑，但某些問題仍然存在。

由于發(fā)酵生物制造避免使用石化原料或生態(tài)有毒的合成化合物，因此它已成為綠色化學(xué)工業(yè)的一種方式，并通過利用可再生原料和活生物體作為生產(chǎn)消費(fèi)化合物的機(jī)制來減少對(duì)石油的依賴。

然而，削弱當(dāng)今發(fā)酵工業(yè)可持續(xù)性的一個(gè)因素是其有機(jī)原料的來源和性質(zhì)。

當(dāng)今工業(yè)中常見的培養(yǎng)原料是現(xiàn)代發(fā)酵中最有環(huán)境問題的方面。大多數(shù)行業(yè)利用甘蔗、甜菜、玉米和高粱作為其加工過程中的糖源。

這些都是人類食物，需要大量土地，這意味著它們可以減少可用于種植人類食物作物的面積，并通過使用農(nóng)業(yè)肥料增加最終產(chǎn)品的碳強(qiáng)度。 還有更多可持續(xù)的選擇。一些生物精煉廠使用農(nóng)場的廢棄副產(chǎn)品作為微生物原料。這些資源是有限的、可變的，收集它們可能存在后勤和成本障礙。

Lanzatech 將氣體發(fā)酵從生物燃料擴(kuò)展到工業(yè)化學(xué)品

Lanzatech是最大的氣體發(fā)酵公司，主要利用一氧化碳生產(chǎn)乙醇航空燃料。該公司將自己定位為一家碳回收技術(shù)公司，利用細(xì)菌將廢氣轉(zhuǎn)化為燃料。

這家總部位于伊利諾伊州的公司成立于 2005 年，并于 2022 年宣布計(jì)劃通過與 AMCI Acquisition Corp 的交易上市，該交易將為該公司解鎖 2.75 億美元，并將其估值提高至 22 億美元。該公司主要從鋼廠廢氣中提取一氧化碳?xì)怏w原料，其業(yè)務(wù)分布在新西蘭、中國和臺(tái)灣的主要鋼廠。2018 年，維珍航空的航班首次將鋼鐵排放的噴氣燃料用于商業(yè)用途。

目前，只有少數(shù)化工產(chǎn)品可以通過氣體發(fā)酵方法高效獲得。能夠消耗氣體的微生物在吸收碳來制造除生物燃料之外的任何化學(xué)品方面并不是特別快或有效。 其他高價(jià)值化學(xué)品，例如用于個(gè)人護(hù)理的化學(xué)品，目前尚未通過氣體發(fā)酵進(jìn)行大量商業(yè)生產(chǎn)。 然而，Lanzatech 現(xiàn)在正在將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到航空業(yè)之外。2022 年 2 月，該公司宣布進(jìn)行了一項(xiàng)試點(diǎn)演示，將廢碳生產(chǎn)為丙酮或異丙醇，這是織物、材料和化妝品等多個(gè)行業(yè)數(shù)千種產(chǎn)品的基本前體。

這些新的氣體發(fā)酵產(chǎn)品是通過重新連接乙醇燃料生產(chǎn)中使用的微生物C. autoethanogenum來生產(chǎn)丙酮和異丙醇而實(shí)現(xiàn)的。該演示發(fā)表在《自然生物技術(shù)》上，得出的結(jié)論是，Lanztech 的氣體凝膠化丙酮和異丙醇的生命周期排放量為負(fù)，這意味著整個(gè)發(fā)酵過程從大氣中吸收的碳多于釋放的碳。該研究還表示，該方法可以“輕松適應(yīng)各種商品化學(xué)品”。

Lanzatech 的原料是一氧化碳，而不是二氧化碳。然而，該公司生產(chǎn)丙酮和異丙醇的新工藝可能會(huì)消耗二氧化碳，首席執(zhí)行官 Jennifer Holmgren 表示，氫氣也被提供給微生物消耗。 該公司目前正在擴(kuò)大面向消費(fèi)者的化學(xué)品行業(yè)的合作伙伴。其氣體發(fā)酵工藝是瑞士運(yùn)動(dòng)品牌 Cloudprime 鞋背后的技術(shù)，該鞋含有由碳排放制成的泡沫。 該公司之前的合作伙伴關(guān)系也將為消費(fèi)工業(yè)化學(xué)品市場打開大門，例如自 2020 年以來該公司與歐萊雅建立的供應(yīng)乙醇基聚乙烯的供應(yīng)合作伙伴關(guān)系。

今天的其他氣體發(fā)酵參與者

Lanzatech 是世界上最大的氣體發(fā)酵公司，年產(chǎn)量為 90, 000 噸，但規(guī)模較小的企業(yè)現(xiàn)在正在瞄準(zhǔn)該技術(shù)。

諾丁漢大學(xué)合成生物學(xué)研究中心（SBRC）是氣體發(fā)酵研究中心，催生了兩家氣體發(fā)酵生物制造初創(chuàng)公司：Deep Branch 和 PhaseBio。Deep Branch 由三名前 SBRC 博士生創(chuàng)立，利用廢棄二氧化碳?xì)怏w生產(chǎn)可持續(xù)動(dòng)物飼料，籌集了超過 800 萬歐元用于建造 FishKind 單細(xì)胞蛋白試點(diǎn)工廠。 與氣體發(fā)酵巨頭 Lanzatech 不同，這家初創(chuàng)公司使用二氧化碳而不是一氧化碳，以及氫氣和氧氣。微生物以這些氣體和電解質(zhì)為食，干燥后加工成單細(xì)胞蛋白質(zhì)。

PhaseBio 成立于 2020 年，致力于將工業(yè)廢物二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料。與 Deep Branch 一樣，他們的原料是二氧化碳和氫氣，而不是 Lanzatech 使用的一氧化碳。 與 Lanzatech 一樣，PhaseBio 的方法是在污染工業(yè)現(xiàn)場建立發(fā)酵技術(shù)，收集廢物并將其轉(zhuǎn)化為高價(jià)值商品。

商業(yè)化挑戰(zhàn)

在實(shí)現(xiàn)更廣泛的商業(yè)化之前，還存在一些挑戰(zhàn)。結(jié)垢方式中最大的問題是如何讓食碳微生物和酵母更快地消耗和處理氣體。基因編輯現(xiàn)在正在幫助提高產(chǎn)乙酸微生物的生產(chǎn)力。

與所有工業(yè)發(fā)酵一樣，實(shí)際挑戰(zhàn)是巨大的：制造商必須考慮原料成本與最終生化產(chǎn)品的市場價(jià)值，以及如何通過單一工藝制造不良產(chǎn)品。

反應(yīng)器設(shè)計(jì)對(duì)于可行性很重要。優(yōu)化傳質(zhì)，即氣體進(jìn)入液體的運(yùn)動(dòng)，是提高氣體發(fā)酵生產(chǎn)率的最大限制因素之一。為了降低總體成本，實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)的手段必須是節(jié)能的。