在接下来的几个月里，世界首个商业规模的乙醇制航空燃料工厂将开始生产其首批航空燃料。该工厂位于佐治亚州索珀顿，将继续生产由兰萨科技及其衍生公司兰萨 jet 开发的燃料。这项努力代表了他们近 20 年来将工业废气转化为乙醇，然后再转化为航空燃料的努力中的一个重要里程碑。兰萨科技的目标是使用气体发酵，其中微生物代谢工业废气作为原料，并将其转化为乙醇和其他有用的化合物。目前，该公司专注于航空的衍生公司兰萨 jet 使用从石化工业采用的催化步骤生产乙醇制航空燃料，但他们的最终目标是将大部分催化工作交给微生物，通过气体发酵完成。
发酵气体的生物体可以使用工业二氧化碳排放物作为原料。这种气体发酵的开发程度远不如传统发酵，在传统发酵中，微生物以糖或其他生物质（包括农作物）为食。但是，基于生物质或气体的方法都适用于基因改造选定的微生物菌株，然后在大型罐中培养它们进行发酵。
基于二氧化碳的技术可能还有很长的路要走，但是利用这种技术和其他废气排放物作为原料的机会使其成为一项值得追求的技术。“一个没有气体发酵的生物经济是一个不完整的生物经济，”SynBioBeta 的国际推广主管 Fiona Mischel 说，SynBioBeta 是一个生物工程师的行业组织和网络。“碳是一种惊人的资源。我们的整个世界都建立在它之上。但是现在，它以错误的形式出现在错误的地点——它是大气中的碳——我们需要通过生物技术来利用它，”她说。
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兰萨科技是全球多家探索使用气体发酵生产特种化学品、燃料前体和蛋白质的公司之一。例如，Visolis 正在开发不同的生物体，这些生物体可以利用气体、生物质或城市固体废物生产羟甲基戊酸作为中间工业化学品，经过进一步的化学催化后，可以将其加工成火箭燃料、航空燃料、合成橡胶和特种化学品。
在气体发酵中，一氧化碳、二氧化碳或气化生物质被泵入发酵罐。一些生物体可能需要其他气体，例如氢气，氢气可以作为能源。这些气体与含有微生物的液体混合，微生物可以是基因工程改造的，它将代谢这些气体并产生选择的分子。
有些产品需要两阶段发酵，其中中间化学品（如乙酸）通过一轮气体发酵产生。然后，乙酸成为传统发酵的原料，在传统发酵中，产生更复杂的分子。
科学家们专注于气体发酵的微生物包括厌氧产乙酸菌，如梭菌属，它们天然使用涉及乙酰辅酶 A 的化学途径来合成乙酸盐，以及氧化氢爆鸣菌，如食氢菌，它可以产生用于生物塑料和油的复杂分子。
但是，气体发酵微生物的开发进展缓慢，部分原因是这些微生物的表征远不如传统发酵的工作主力（如酵母和大肠杆菌）那样充分，比利时根特 Bio Base Europe 的业务运营主管 Hendrik Waegeman 说，Bio Base Europe 是一个为开发生物基产品的公司提供试验工厂和加速器。“工程改造大肠杆菌或酵母只需几秒钟，但对于产乙酸菌，获得改善功能的简单突变需要数年时间，”他说。
由于产乙酸菌是严格厌氧的，因此在实验室中处理它们可能很棘手。“即使是一小点氧气也会杀死它们，如果您想进行工程操作，这不是很方便，”Waegeman 说。他估计，全球范围内尝试工程改造梭菌属物种进行气体发酵的团队不到 30 个。
气体发酵可能带来一些昂贵或高能耗的技术挑战。微生物要发挥作用，需要能源，例如泵入其发酵罐的氢气。但是传统的制氢方法是碳密集型的，因此一些团队正在通过电解将水分解为氧气和氢气来在现场制造可再生氢气——这是一项昂贵的努力。将气体与生活在水中的微生物充分混合也被证明是昂贵的，并且需要复杂的工程设计。
更增加了挑战的是，微生物的开发和工程改造一直很费力。兰萨科技花费多年时间来表征和开发产乙醇梭菌，用于其气体发酵系统。这种厌氧细菌可以吸收一氧化碳，并将其代谢产生乙酸盐。兰萨科技使用一种称为定向进化的技术，引导该生物体的代谢将一氧化碳转化为乙醇。
兰萨科技现在在六个商业规模的气体发酵工厂中使用该物种。其中五个工厂——中国的四个和比利时的一个——位于钢铁厂或铁合金生产厂；它们将这些工厂产生的废一氧化碳转化为乙醇。第六个工厂位于印度帕尼帕特，从炼油厂提取二氧化碳并将其转化为乙醇。
兰萨科技从这些工厂生产的大部分乙醇都用于原本会使用原始化石碳的产品，兰萨科技政府项目副总裁 John Holladay 说。这些产品包括纺织品、鞋底、包装、清洁产品、表面活性剂和洗涤剂。但是兰萨科技也希望将其生产的乙醇转化为航空燃料。“我们专注于难以脱碳的行业，而航空业非常难以脱碳，”Holladay 说。
根据国际能源署的数据，航空业约占全球能源相关二氧化碳排放量的 2%，并且事实证明，降低这一数字非常困难。电池和氢动力飞机都被提议作为解决方案，但这两种方案都存在重大的技术限制，并且需要重新设计飞机和改造机场的昂贵努力。
由于这些原因，国际航空运输协会等行业组织已推动将可持续航空燃料作为最可行的选择。联合国机构国际民用航空组织将可持续航空燃料定义为符合可持续性标准的可再生或废弃物衍生的航空燃料。
航空公司似乎对这个想法持开放态度。达美航空、法国航空、国际航空集团和寰宇一家联盟都同意到 2030 年实现 10% 的可持续航空燃料的目标。11 月，维珍航空和湾流宇航分别使用 100% 的可持续航空燃料进行了跨大西洋试飞。
各国政府正在强制和激励使用可持续航空燃料。欧洲于 10 月最终通过了 ReFuelEU 航空法规计划，该计划要求燃料供应商将越来越多的可持续航空燃料与传统航空燃料混合，从 2025 年最低 2% 的混合比例开始，到 2050 年上升到 70%。美国为可再生燃料提供税收优惠，并且自 2005 年以来一直维持一项可再生燃料标准计划，该计划要求一定量的可再生运输燃料取代石油基燃料。
目前市场上大多数可持续航空燃料都是由食用油、植物油、食用动物脂肪和工业油脂制成的——一种称为氢化处理酯和脂肪酸的产品。但是这些脂肪和油的供应有限且分散。因此，行业组织敦促可持续燃料开发商更广泛地关注多样化的原料，包括生物质和城市垃圾。
将此类原料转化为航空燃料可能需要结合不同的技术。一种选择是将传统发酵（将农作物或其他生物质转化为异丁醇或乙醇等醇类）与一系列称为醇制航空燃料的化学反应相结合，以将醇类转化为航空燃料。另一种途径是将生物质气化为合成气，合成气是氢气和一氧化碳的混合物，然后在成熟的费托化学过程中将其转化为航空燃料。
但是，这些途径需要大量的生物质，并且会带来土地利用问题，特别是当农作物是起始原料时。这导致一些团体转向废气，如二氧化碳或一氧化碳作为原料。气体发酵是将气体转化的较新途径；热化学和电化学过程更为成熟。
也可以使用酶来捕获碳。丹麦巴格斯韦德的 Novonesis（前身为诺维信）及其位于米兰的合作伙伴 Saipem 正在开发碳酸酐酶，该酶可以捕获二氧化碳并将其转化为碳酸氢盐。编码该酶的基因来自嗜热深海生物。诺维信将这些基因转移到专有的宿主生物体中，该生物体可以大规模生产该酶。
Saipem 建造了一个每天捕获 30 吨二氧化碳的示范工厂。Novozymes 碳捕获和储存主管 Klaus Skaalum Lassen 说，酶促碳捕获比传统的基于溶剂的捕获方法更有效，因为它需要更少的能源来运行，并且减少了烟道气的净化。
比利时莫尔 VITO 的生物技术项目经理 Heleen De Wever 说，与气体转化的化学方法相比，微生物气体发酵具有多个优势。例如，她说，微生物更擅长处理某些杂质和气体成分的波动。而且，微生物可以生产比化学催化方法更复杂的分子，并且生产对于目标分子的特异性更高。
“如果您想制造更简单的一碳化学品，如甲酸或甲醇，则无需进行气体发酵。对于这种情况，有很好的化学催化剂，”De Wever 说。“但是，如果您想制造具有五个或更多碳原子的更复杂分子，甚至像聚酯这样的聚合物，那正是生物技术能够胜任的，”她说。
兰萨科技正在继续推进航空燃料脱碳，主要是通过与兰萨 jet 的合作，兰萨 jet 使用化学催化剂将乙醇转化为航空燃料。兰萨 jet 在佐治亚州新建的乙醇制航空燃料工厂将成为世界上最大的醇制航空燃料工厂，年产能为 1000 万加仑可持续航空燃料。该公司估计，仅该工厂的产量就将占美国可持续航空燃料产量的三分之二。
但问题是：兰萨 jet 的工厂并非从兰萨科技的气体发酵工艺中采购乙醇。目前，兰萨 jet 的乙醇来自巴西甘蔗。这是因为从钢铁或铁合金工厂的废气中提取的乙醇没有资格获得美国可再生燃料标准计划下的激励。“政策滞后于创新，”Holladay 说。因此，兰萨 jet 正在从符合条件来源购买乙醇。
在等待政策变化的同时，兰萨科技正在开展一系列项目，从非金属合金工业场所采购不同种类的原料。这些原料包括合成气（来自沼气重整或林业或农业残留物气化）和城市固体废物，该公司将使用气体发酵将其转化为乙醇，然后使用兰萨 jet 的催化醇制航空燃料工艺将其转化为航空燃料。希望这些原料将使该公司的可持续航空燃料有资格获得激励，但这些项目仍处于早期阶段。
这就是一家站在新技术前沿的生物技术公司所面临的挑战。
本文经许可转载，并于 2024 年 2 月 15 日首次发表。