“細(xì)胞工廠”讓生物燃料更經(jīng)濟(jì)
2021-04-09
細(xì)胞工廠有望為生物燃料打開一條綠色通道。
近日，諾和諾德基金會生物可持續(xù)性研究中心與美國耶魯大學(xué)在《自然—通訊》發(fā)布的一項研究表明，甘蔗在進(jìn)行乙醇發(fā)酵時，淀粉乳桿菌能產(chǎn)生大量喂養(yǎng)酵母菌的乙醛，發(fā)酵產(chǎn)量預(yù)計可提高3%。研究人員建議，關(guān)注微生物群落的多樣性，對益生菌和有害細(xì)菌進(jìn)行取舍，可以提高發(fā)酵的總產(chǎn)量和成本。
在中國科學(xué)院微生物研究所研究員張延平看來，微生物細(xì)胞工廠是生物煉制的核心，利用代謝工程與合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)建高效的微生物細(xì)胞工廠，已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。
不過，她在接受《中國科學(xué)報》采訪時坦言，“雖然高效利用微生物可以提高生物燃料產(chǎn)量，但由于生產(chǎn)成本高及補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策的變化，很多企業(yè)對技術(shù)研發(fā)持續(xù)投入的熱情并不高。”
細(xì)胞工廠前景凸顯
“由于化石能源具有不可再生性及不合理使用會造成環(huán)境污染等特性，各國都在積極尋找可替代資源，其中生物質(zhì)最具潛力。”中國科學(xué)院過程工程研究所研究員王嵐說，“生物質(zhì)在地球上儲量巨大，可以通過化學(xué)、生物等方法轉(zhuǎn)化為燃料，這種生物燃料清潔無污染，在可再生能源中占據(jù)重要地位。”
據(jù)她介紹，生物燃料主要分為醇類燃料、發(fā)電、柴油和成型燃料四大類。醇類燃料中，燃料乙醇是最具代表性的生物質(zhì)產(chǎn)品。
在《自然—通訊》發(fā)表的這項研究中，研究人員仔細(xì)研究了甘蔗在進(jìn)行乙醇發(fā)酵時，酵母菌和其他細(xì)菌的相互作用，并對微生物群落結(jié)構(gòu)的所有可能組合進(jìn)行了重構(gòu)，這涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)中約80%的微生物群落多樣性，其中淀粉乳桿菌特別值得關(guān)注。
“這種細(xì)菌幾乎可充當(dāng)益生菌，阻止有害細(xì)菌參與發(fā)酵過程。它以一種和酵母幾乎共生的方式生長，這對工業(yè)生產(chǎn)十分有益。”曾在諾和諾德生物可持續(xù)性研究中心攻讀博士學(xué)位的馬薩·利諾說。
近年來，張延平將目光轉(zhuǎn)向了燃料丁醇。“由于燃燒熱值和腐蝕性問題，燃料乙醇在汽油中添加量超過15%時，必須添加腐蝕抑制劑或?qū)Πl(fā)動機(jī)進(jìn)行改造。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是乙醇汽油中乙醇含量為10%左右。相比而言，丁醇在性能上與汽油更為接近，燃料丁醇可以100%用作車用燃油。”
為了獲得高產(chǎn)丁醇細(xì)胞工廠，張延平團(tuán)隊以大宗有機(jī)溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標(biāo)產(chǎn)品，以大腸桿菌為底盤細(xì)胞，創(chuàng)建全染色體編輯的丁醇細(xì)胞工廠。經(jīng)過這種策略獲得的丁醇高產(chǎn)菌株可以達(dá)到產(chǎn)丁醇大腸桿菌最高水平，葡萄糖的得率也達(dá)到理論最大值的83%，超越了天然產(chǎn)丁醇梭菌。
“該菌株生產(chǎn)丁醇不需要添加任何抗生素和誘導(dǎo)劑，具有工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的潛力，但由于原料成本高，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍然相對緩慢。”張延平表示。為此，她們進(jìn)一步開發(fā)了同步高效代謝葡萄糖和木糖生產(chǎn)丁醇合成菌群，為進(jìn)一步開發(fā)二代纖維素丁醇奠定了基礎(chǔ)。
改造微生物并非易事
“微生物菌種是制造生物燃料的核心，在漫長的進(jìn)化過程中，微生物形成了非常精細(xì)的調(diào)控系統(tǒng)，想要改造它們并非易事。”張延平表示。
她告訴記者，微生物利用秸稈等生物質(zhì)為原料進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，需要對原料進(jìn)行預(yù)處理、水解等，轉(zhuǎn)化過程可能會產(chǎn)生很多雜質(zhì)，影響微生物的生長和代謝；轉(zhuǎn)化得到的混合糖如果不能被同時利用，就會導(dǎo)致浪費(fèi)，提高成本；如果不能有效代謝，又會產(chǎn)生高營養(yǎng)的廢水。
“因此，要想將秸稈等木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化成所需的目標(biāo)產(chǎn)品，就需要將微生物的所有功能集成在一起，單靠某一種微生物是很難辦到的。”張延平團(tuán)隊為此也提出了一些新的技術(shù)理念，如合成微生物組，將分工合作的不同微生物結(jié)合在一起，共同完成一項工作。
作為生物質(zhì)煉制工程北京市重點(diǎn)實驗室副主任，王嵐表示，首先，確定合適的酶靶點(diǎn)和代謝途徑進(jìn)行修飾或替換并不容易，某些基因的插入或刪除可能會影響菌株其他基因的表達(dá)。其次，與自然進(jìn)化的菌株相比，理性改造后的菌株可能還需要應(yīng)對菌株退化等問題。
但王嵐指出，生物燃料的商業(yè)化不可避免地需要人造微生物，其性狀現(xiàn)已優(yōu)于野生型和某些工程菌株，能夠改善某些生物燃料的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。將遺傳和代謝工程與合成生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)相結(jié)合，是建立生產(chǎn)生物燃料的細(xì)胞工廠的關(guān)鍵。
張延平表示，在生物燃料生產(chǎn)過程中對微生物進(jìn)行改造，引入外源基因是必不可少的，但微生物在形成最終產(chǎn)品前會被分離，不會進(jìn)入產(chǎn)品，因此產(chǎn)品純度高且安全。“在菌株改造和生物燃料生產(chǎn)過程中還要注意盡量減少使用抗生素等可能對環(huán)境產(chǎn)生不利影響的物質(zhì)。”
經(jīng)濟(jì)性仍是挑戰(zhàn)
多年來，王嵐團(tuán)隊不斷嘗試將技術(shù)與市場接軌，她發(fā)現(xiàn)，在整個過程中，企業(yè)最關(guān)心的就是成本和利潤。“我國在利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化醇類燃料領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平，擁有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物轉(zhuǎn)化乙醇及高附加值副產(chǎn)品技術(shù)，目前存在的主要問題是工程性和經(jīng)濟(jì)性。”
張延平表示，目前我國燃料乙醇主要原料仍是玉米和甘蔗等，隨著玉米供需結(jié)構(gòu)的改變，未來以糧食為原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在不確定性，因此，我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)正逐步從淀粉和糖類乙醇，向2代纖維素燃料乙醇轉(zhuǎn)換。“一方面原料來源更廣，另一方面也維護(hù)了糧食安全”。
但她同時指出，我國2代纖維素燃料乙醇轉(zhuǎn)換技術(shù)與國外相比還存在一定差距，面臨原料收集難、生產(chǎn)成本高、受國際石油價格波動影響大等問題。
為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，王嵐在研究中發(fā)現(xiàn)，在生物燃料生產(chǎn)過程中融合化學(xué)催化和生物轉(zhuǎn)化，可以縮短反應(yīng)周期，提高效率。例如采用廉價的化學(xué)氧化劑復(fù)配于纖維素酶中進(jìn)行協(xié)同降解，有望同時降低底物氧化的用酶成本。
“隨著基因工程和代謝工程的發(fā)展，通過人工篩選、誘變、馴化和改造，增加微生物的功能、提高代謝能力，進(jìn)而提高產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量。”王嵐補(bǔ)充道。
激發(fā)內(nèi)生動力
為推動生物燃料市場化，國家出臺了一系列利好措施?！锻晟粕镔|(zhì)發(fā)電項目建設(shè)運(yùn)行的實施方案》就明確指出，在現(xiàn)有中央補(bǔ)貼資金的基礎(chǔ)上，自2021年起，新納入補(bǔ)貼范圍的項目補(bǔ)貼資金由中央和地方共同承擔(dān)。
在王嵐看來，國家補(bǔ)貼不是推動生物燃料發(fā)展的長久之計，還應(yīng)從根本上調(diào)動企業(yè)、科研人員、農(nóng)戶等主體的內(nèi)生動力，根據(jù)不同地區(qū)的生物質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計適合的實施方案，降低其生產(chǎn)成本，從國家推動轉(zhuǎn)為自發(fā)推動。
為此，她建議進(jìn)一步降低生物燃料的市場準(zhǔn)入門檻，讓更多市場主體參與競爭。此外，政策制定還應(yīng)適當(dāng)放寬，過細(xì)的政策可能會限制企業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的更新。
張延平指出，生物燃料是一項涉及諸多不同研發(fā)方向的系統(tǒng)工程，而在此領(lǐng)域中，我國研究主體相對分散，技術(shù)集成存在一定難度，大多以科研項目為牽引。
對此，她建議，一方面科研人員要有“十年磨一劍”的研發(fā)精神，另一方面要整合現(xiàn)有資源，組建技術(shù)研發(fā)平臺，集中力量攻克生物燃料技術(shù)難題。此外，在合作中還應(yīng)明晰各方權(quán)責(zé)，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。
對于生物燃料的發(fā)展，王嵐建議，要將工程概念引入工藝及設(shè)備開發(fā)，除了產(chǎn)量外，還應(yīng)考慮能耗、水耗、投資成本、操作成本、安全性等指標(biāo)，綜合評價工藝；其次要對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)全局最優(yōu)化。此外，生物燃料行業(yè)一定要注重增加產(chǎn)品附加值、延伸產(chǎn)業(yè)鏈，以增加企業(yè)利潤，未來生物質(zhì)能梯級綜合利用將是主要發(fā)展方向。
