“细胞工厂”让生物燃料更经济
2021-04-09
细胞工厂有望为生物燃料打开一条绿色通道。
近日，诺和诺德基金会生物可持续性研究中心与美国耶鲁大学在《自然—通讯》发布的一项研究表明，甘蔗在进行乙醇发酵时，淀粉乳杆菌能产生大量喂养酵母菌的乙醛，发酵产量预计可提高3%。研究人员建议，关注微生物群落的多样性，对益生菌和有害细菌进行取舍，可以提高发酵的总产量和成本。
在中国科学院微生物研究所研究员张延平看来，微生物细胞工厂是生物炼制的核心，利用代谢工程与合成生物学技术创建高效的微生物细胞工厂，已经展现出良好的应用前景和巨大的市场潜力。
不过，她在接受《中国科学报》采访时坦言，“虽然高效利用微生物可以提高生物燃料产量，但由于生产成本高及补贴等优惠政策的变化，很多企业对技术研发持续投入的热情并不高。”
细胞工厂前景凸显
“由于化石能源具有不可再生性及不合理使用会造成环境污染等特性，各国都在积极寻找可替代资源，其中生物质最具潜力。”中国科学院过程工程研究所研究员王岚说，“生物质在地球上储量巨大，可以通过化学、生物等方法转化为燃料，这种生物燃料清洁无污染，在可再生能源中占据重要地位。”
据她介绍，生物燃料主要分为醇类燃料、发电、柴油和成型燃料四大类。醇类燃料中，燃料乙醇是最具代表性的生物质产品。
在《自然—通讯》发表的这项研究中，研究人员仔细研究了甘蔗在进行乙醇发酵时，酵母菌和其他细菌的相互作用，并对微生物群落结构的所有可能组合进行了重构，这涵盖了工业生产中约80%的微生物群落多样性，其中淀粉乳杆菌特别值得关注。
“这种细菌几乎可充当益生菌，阻止有害细菌参与发酵过程。它以一种和酵母几乎共生的方式生长，这对工业生产十分有益。”曾在诺和诺德生物可持续性研究中心攻读博士学位的马萨·利诺说。
近年来，张延平将目光转向了燃料丁醇。“由于燃烧热值和腐蚀性问题，燃料乙醇在汽油中添加量超过15%时，必须添加腐蚀抑制剂或对发动机进行改造。我国现行标准是乙醇汽油中乙醇含量为10%左右。相比而言，丁醇在性能上与汽油更为接近，燃料丁醇可以100%用作车用燃油。”
为了获得高产丁醇细胞工厂，张延平团队以大宗有机溶剂和潜在生物燃料——正丁醇为目标产品，以大肠杆菌为底盘细胞，创建全染色体编辑的丁醇细胞工厂。经过这种策略获得的丁醇高产菌株可以达到产丁醇大肠杆菌最高水平，葡萄糖的得率也达到理论最大值的83%，超越了天然产丁醇梭菌。
“该菌株生产丁醇不需要添加任何抗生素和诱导剂，具有工业化生产应用的潜力，但由于原料成本高，产业化进程仍然相对缓慢。”张延平表示。为此，她们进一步开发了同步高效代谢葡萄糖和木糖生产丁醇合成菌群，为进一步开发二代纤维素丁醇奠定了基础。
改造微生物并非易事
“微生物菌种是制造生物燃料的核心，在漫长的进化过程中，微生物形成了非常精细的调控系统，想要改造它们并非易事。”张延平表示。
她告诉记者，微生物利用秸秆等生物质为原料进行生物转化，需要对原料进行预处理、水解等，转化过程可能会产生很多杂质，影响微生物的生长和代谢；转化得到的混合糖如果不能被同时利用，就会导致浪费，提高成本；如果不能有效代谢，又会产生高营养的废水。
“因此，要想将秸秆等木质纤维素原料转化成所需的目标产品，就需要将微生物的所有功能集成在一起，单靠某一种微生物是很难办到的。”张延平团队为此也提出了一些新的技术理念，如合成微生物组，将分工合作的不同微生物结合在一起，共同完成一项工作。
作为生物质炼制工程北京市重点实验室副主任，王岚表示，首先，确定合适的酶靶点和代谢途径进行修饰或替换并不容易，某些基因的插入或删除可能会影响菌株其他基因的表达。其次，与自然进化的菌株相比，理性改造后的菌株可能还需要应对菌株退化等问题。
但王岚指出，生物燃料的商业化不可避免地需要人造微生物，其性状现已优于野生型和某些工程菌株，能够改善某些生物燃料的生产经济性。将遗传和代谢工程与合成生物学和系统生物学相结合，是建立生产生物燃料的细胞工厂的关键。
张延平表示，在生物燃料生产过程中对微生物进行改造，引入外源基因是必不可少的，但微生物在形成最终产品前会被分离，不会进入产品，因此产品纯度高且安全。“在菌株改造和生物燃料生产过程中还要注意尽量减少使用抗生素等可能对环境产生不利影响的物质。”
经济性仍是挑战
多年来，王岚团队不断尝试将技术与市场接轨，她发现，在整个过程中，企业最关心的就是成本和利润。“我国在利用生物质转化醇类燃料领域已达到世界先进水平，拥有具有自主知识产权的生物转化乙醇及高附加值副产品技术，目前存在的主要问题是工程性和经济性。”
张延平表示，目前我国燃料乙醇主要原料仍是玉米和甘蔗等，随着玉米供需结构的改变，未来以粮食为原料的燃料乙醇产业发展存在不确定性，因此，我国燃料乙醇产业正逐步从淀粉和糖类乙醇，向2代纤维素燃料乙醇转换。“一方面原料来源更广，另一方面也维护了粮食安全”。
但她同时指出，我国2代纤维素燃料乙醇转换技术与国外相比还存在一定差距，面临原料收集难、生产成本高、受国际石油价格波动影响大等问题。
为进一步降低生产成本，王岚在研究中发现，在生物燃料生产过程中融合化学催化和生物转化，可以缩短反应周期，提高效率。例如采用廉价的化学氧化剂复配于纤维素酶中进行协同降解，有望同时降低底物氧化的用酶成本。
“随着基因工程和代谢工程的发展，通过人工筛选、诱变、驯化和改造，增加微生物的功能、提高代谢能力，进而提高产物的质量和产量。”王岚补充道。
激发内生动力
为推动生物燃料市场化，国家出台了一系列利好措施。《完善生物质发电项目建设运行的实施方案》就明确指出，在现有中央补贴资金的基础上，自2021年起，新纳入补贴范围的项目补贴资金由中央和地方共同承担。
在王岚看来，国家补贴不是推动生物燃料发展的长久之计，还应从根本上调动企业、科研人员、农户等主体的内生动力，根据不同地区的生物质特点设计适合的实施方案，降低其生产成本，从国家推动转为自发推动。
为此，她建议进一步降低生物燃料的市场准入门槛，让更多市场主体参与竞争。此外，政策制定还应适当放宽，过细的政策可能会限制企业的发展和技术的更新。
张延平指出，生物燃料是一项涉及诸多不同研发方向的系统工程，而在此领域中，我国研究主体相对分散，技术集成存在一定难度，大多以科研项目为牵引。
对此，她建议，一方面科研人员要有“十年磨一剑”的研发精神，另一方面要整合现有资源，组建技术研发平台，集中力量攻克生物燃料技术难题。此外，在合作中还应明晰各方权责，加强知识产权保护。
对于生物燃料的发展，王岚建议，要将工程概念引入工艺及设备开发，除了产量外，还应考虑能耗、水耗、投资成本、操作成本、安全性等指标，综合评价工艺；其次要对整个系统进行设计，实现全局最优化。此外，生物燃料行业一定要注重增加产品附加值、延伸产业链，以增加企业利润，未来生物质能梯级综合利用将是主要发展方向。
