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文章来源:生辉SynBio    作者:沈奇杨

 

俗语有云,“酒是粮食精”,一语道出了生物发酵的本质。

以各类粮食作物为原料,在微生物作用下转化酒(乙醇)的生物发酵法也一直沿用到现在,而乙醇在化学工业、医疗卫生、食品工业、农业生产等领域都有广泛的用途。

以粮食为原料生产乙醇的一个弊端是侵占了人们食用的粮食资源,所以以非粮食作物或纤维素为原料生产乙醇是一个很好的替代方法,而更进一步,科学家们也在尝试“无中生有”,将工业尾气中的一氧化碳、二氧化碳等C1气体转化为酒精或者其它工业原料。

本次,生辉SynBio邀请到了中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称“青岛能源所”)的李福利研究员,请他与我们分享他在生物质和富碳气体的生物燃料以及高值化衍生品的转化研究。

李福利1998年毕业于兰州大学生物技术专业,随后到山东大学攻读微生物学博士学位,毕业后留在山东大学任讲师一职,2005年晋升为副教授,同年赴德国马普陆地微生物研究所进行厌氧微生物的博士后研究。

2008年,他加入青岛能源所建立实验室,围绕生物质降解和以富碳气体为原料的合成生物学应用开展研究,研究方向有嗜热微生物的多糖降解酶催化机制以及生产生物燃料的高效细胞工厂构建,为生物能源的开发提供上游工艺和技术支持。

图丨李福利课题组研究方向(来源:李福利实验室主页)

多项研究成果正在产业化

 

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,是仅次于煤炭、石油、天然气之后的第四大能源,除了粮食作物外,常用的生物质有秸秆、树木等木质纤维素(简称纤维素)、农林畜牧业生产过程中的废弃物等物质。

李福利团队用了十余年时间,研究以褐藻为原料进行燃料乙醇、寡糖的生产,最终完成了酶解制备海藻寡糖工业化应用。

降解纤维素的重要一环是纤维素酶,2018年,李福利研究组与山东大学微生物技术研究院教授王禄山及青岛能源所蛋白质设计研究组研究员姚礼山合作,提出了一种持续性纤维素内切酶“走钢丝”模型,相比传统酶,这种酶与底物的亲和力更强,水解效率更高。

“传统的褐藻降解工艺路线耗时长,工艺流程复杂,成本较高。”李福利表示,“我们利用合成生物技术,以酵母为底盘,实现了多糖裂解酶的高效表达,该酶的热稳定性好,能够与其他酶相匹配,实现对海藻的高效、快速地降解。”

这项工作在今年还获得了山东省自然科学二等奖。

图丨C1化合物的生物转化和生物精炼(来源:Front Microbiol. 2021; 12: 778962)

除了以利用生物质,富碳气体(钢厂、煤化工、炼厂工业废气富含CO、CO2)的生物转化也是业内研究的重点,谭天伟院士曾提出了第三代生物炼制的概念,旨在利用微生物细胞工厂将可再生能源和二氧化碳转化为燃料和化学品。

“此前的发酵行业很少利用气体为原料来进行发酵,所以我认为这是一个变革性的技术”,李福利表示,“从菌种的优化,原料的吸收、利用和转化,到气体发酵装备的制造,都是全新的问题,因此气体发酵的创新性要求更高,风险也更大。

近期,业内一个成功的案例是,北京首钢朗泽新能源科技有限公司在全球首次实现了钢厂尾气发酵制乙醇商业化,近期与中国农业科学院饲料研究所合作,发酵菌体灭活产乙醇梭菌蛋白获得饲料和饲料添加剂新产品证书,并已形成万吨级工业产能。

李福利也在开展相关研究,他告诉生辉SynBio,在德国马普陆地微生物研究所研究期间,他与合作导师首次发现厌氧微生物基于黄素的电子歧化反应,是继光合磷酸化、电子传递磷酸化之外的第三种能量代谢方式。

这一过程的重要性与好氧生物的线粒体有氧呼吸的电子传递链以及植物叶绿体的光合磷酸化类似。这一发现也推动了领域内对厌氧微生物的研究,通过调整厌氧微生物的能量代谢流,可提高其生产乙醇的效率和产量。”

李福利还透露,目前其课题组改造的微生物生产乙醇的产量已处于国际先进水平,正在寻找合作企业进行中试。

此外,其团队利用酵母细胞底盘生产的长链脂肪酸(神经酸)产量也达到了较高水平,已经完成了技术转让,正在合作企业进行中试,相关专利申请了PCT,并进入了欧洲、美国和日本。

生物燃料的再兴起

在上述“一氧化碳合成蛋白质”的新闻中,其微生物发酵的另一个产物是乙醇,其中一个重要应用便是燃料乙醇,即将乙醇按一定比例(我国是10%)添加到燃料中,用于交通行业。

早在20世纪70年代,各国就已经提出了生物燃料的概念,受制于技术限制,当时的原料多为粮食作物,而后来人们意识到使用粮食作物也存在诸多弊端,例如生物能源在生产过程与运输过程中消费掉的水资源、电能、石油等也是巨量的。

在未开发新的原料之前,生物燃料行业进展缓慢,2010年前后,因为种种原因,石油价格暴跌,更是使得生物燃料的研发雪上加霜。

李福利介绍到,生物燃料的发展受市场的制约,主要与石油的价格有关,所以石油价格低迷期间,生物燃料的发展缓慢,企业和资本投资的意愿不明显。

图丨生物乙醇的利用(来源:changemakers)

而转机的到来是人们对于地球气候变化的重视,2020年9月,习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”

碳交易成为了影响生物燃料的另一个市场因素。”李福利说。

目前我国燃料乙醇缺口巨大,2019年,中国石油规划总院统计数据显示,当前全国燃料乙醇生产能力为289万吨/年,目前国内汽油用量约为1.3亿吨,按照10%的添加比例计算,燃料乙醇的需求量为1300万吨,缺口达1000万吨。

除了直接用于生物燃料,以生物乙醇为原料生产的化工产品也可以降低人们对石油工业的依赖,减少碳排放。

相比几十年前,生物发酵技术已经可以利用非粮食作物以及气体进行发酵,加之政策的利好以及行业需求的缺口,无疑生物乙醇将迎来新一波的研究热潮。

生物能源的全链条布局

李福利的研究中涉及到了酵母、梭菌和微藻等底盘生物,他告诉生辉SynBio,“梭菌固定二氧化碳利用的是氢气氧化产生的化学能,微藻是利用的光能,前者的优点是可规模化生产燃料乙醇以及蛋白质,后者的优点是利用光能作为驱动力,自然环保,而且藻类在自然界分布广泛,可以大规模固定二氧化碳,生产脂肪酸、蛋白质等产品,但有一个问题是人工养殖的藻类需要的占地面积较大。”

“除了上述两种方法,青岛能源所也有课题组在研究电能驱动的二氧化碳固定。”

不光是围绕着二氧化碳的固定和生物转化,青岛能源所在生物能源整个上下游链条都有全面的布局,面向国家“双碳”战略目标对“先进生物质能源转化与利用”的重大科技需求,确立了“耐盐碱植物高效固碳与整合生物糖化”、“多能驱动生物固碳资源开发与整合炼制”和“生物质能源化综合利用关键技术与示范”等重大科技攻关任务。

在各方面的支持下,青岛能源所也取得了许多进展。

李福利介绍到,“近期我们建了一个20万吨的生物柴油示范厂,由多个团队参与,将动植物油脂、地沟油转化为二代生物柴油,目前生物柴油的市场也比较紧缺,欧美在发展绿色航煤,所以大部分生物柴油将用于出口。”

“青岛能源所在生物天然气的研究中获得了中科院‘洁净能源’A类先导、‘弘光专项’等项目支持,突破了核心技术瓶颈,与青岛华通成立了合资公司(青岛中科华通能源工程有限公司),与企业建成了规模化的生物沼气产业化装备,并取得了可观的经济效益。”

“此外,山东省也十分重视在“双碳”背景下的生物能源等新能源的发展,给予了各方面的支持。”

李福利认为实现“双碳”目标需要多举措并行,除了生物能源,其他新能源例如太阳能,也是重点研究方向。“生物能源的占比目前还较低,大约在1-2%,希望未来能够提升到10%-20%(国际机构能源转型委员会(ETC)发布的《中国2050:一个全面实现现代化国家的零碳图景》报告预测,2050年我国生物能源在一次能源供应占比将达到18%,成为3大主力能源之一。)的水平。”

“以生物质或富碳气体为原料的生物发酵技术有很好的应用前景,国家也在推动“双碳”技术的布局,大力发展“双碳”行业。”李福利表示,“科技驱动技术的发展,市场则会检验和打磨新的技术,使其符合经济的发展和社会的需求。

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