“細胞工廠”讓生物燃料更經濟

細胞工廠有望為生物燃料打開一條綠色通道。

日前，某生物研究中心與美國耶魯大學聯合發布的一項研究表明，甘蔗在進行乙醇發酵時，淀粉乳桿菌能產生大量喂養酵母菌的乙醛，發酵產量預計可提高3%。研究人員建議，關注微生物群落的多樣性，對益生菌和有害細菌進行取舍，可以提高發酵的總產量和成本。

在中國科學院微生物研究所研究員張延平看來，微生物細胞工廠是生物煉制的核心，利用代謝工程與合成生物學技術創建高效的微生物細胞工廠，已經展現出良好的應用前景和巨大的市場潛力。

不過，她坦言，“雖然高效利用微生物可以提高生物燃料產量，但由于生產成本高及補貼等優惠政策的變化，很多企業對技術研發持續投入的熱情并不高。”

細胞工廠前景凸顯

“由于化石能源具有不可再生性及不合理使用會造成環境污染等特性，各國都在積極尋找可替代資源，其中生物質最具潛力。”中國科學院過程工程研究所研究員王嵐說，“生物質在地球上儲量巨大，可以通過化學、生物等方法轉化為燃料，這種生物燃料清潔無污染，在可再生能源中占據重要地位。”

據她介紹，生物燃料主要分為醇類燃料、發電、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產品。

在上文發表的這項研究中，研究人員仔細研究了甘蔗在進行乙醇發酵時，酵母菌和其他細菌的相互作用，并對微生物群落結構的所有可能組合進行了重構，這涵蓋了工業生產中約80%的微生物群落多樣性，其中淀粉乳桿菌特別值得關注。

“這種細菌幾乎可充當益生菌，阻止有害細菌參與發酵過程。它以一種和酵母幾乎共生的方式生長，這對工業生產十分有益。”曾在該生物研究中心攻讀博士學位的馬薩·利諾說。

近年來，張延平將目光轉向了燃料丁醇。“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對發動機進行改造。我國現行標準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。”

為了獲得高產丁醇細胞工廠，張延平團隊以大宗有機溶劑和潛在生物燃料——正丁醇為目標產品，以大腸桿菌為底盤細胞，創建全染色體編輯的丁醇細胞工廠。經過這種策略獲得的丁醇高產菌株可以達到產丁醇大腸桿菌最高水平，葡萄糖的得率也達到理論最大值的83%，超越了天然產丁醇梭菌。

“該菌株生產丁醇不需要添加任何抗生素和誘導劑，具有工業化生產應用的潛力，但由于原料成本高，產業化進程仍然相對緩慢。”張延平表示。為此，她們進一步開發了同步高效代謝葡萄糖和木糖生產丁醇合成菌群，為進一步開發二代纖維素丁醇奠定了基礎。

改造微生物并非易事

“微生物菌種是制造生物燃料的核心，在漫長的進化過程中，微生物形成了非常精細的調控系統，想要改造它們并非易事。”張延平表示。

她表示，微生物利用秸稈等生物質為原料進行生物轉化，需要對原料進行預處理、水解等，轉化過程可能會產生很多雜質，影響微生物的生長和代謝;轉化得到的混合糖如果不能被同時利用，就會導致浪費，提高成本;如果不能有效代謝，又會產生高營養的廢水。

“因此，要想將秸稈等木質纖維素原料轉化成所需的目標產品，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。”張延平團隊為此也提出了一些新的技術理念，如合成微生物組，將分工合作的不同微生物結合在一起，共同完成一項工作。

王嵐表示，首先，確定合適的酶靶點和代謝途徑進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。其次，與自然進化的菌株相比，理性改造后的菌株可能還需要應對菌株退化等問題。

但王嵐指出，生物燃料的商業化不可避免地需要人造微生物，其性狀現已優于野生型和某些工程菌株，能夠改善某些生物燃料的生產經濟性。將遺傳和代謝工程與合成生物學和系統生物學相結合，是建立生產生物燃料的細胞工廠的關鍵。

張延平表示，在生物燃料生產過程中對微生物進行改造，引入外源基因是必不可少的，但微生物在形成最終產品前會被分離，不會進入產品，因此產品純度高且安全。“在菌株改造和生物燃料生產過程中，還要注意盡量減少使用抗生素等可能對環境產生不利影響的物質。”

經濟性仍是挑戰

多年來，王嵐團隊不斷嘗試將技術與市場接軌，她發現，在整個過程中，企業最關心的就是成本和利潤。“我國在利用生物質轉化醇類燃料領域已達到世界先進水平，擁有具有自主知識產權的生物轉化乙醇及高附加值副產品技術，目前存在的主要問題是工程性和經濟性。”

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，隨著玉米供需結構的改變，未來以糧食為原料的燃料乙醇產業發展存在不確定性，因此，我國燃料乙醇產業正逐步從淀粉和糖類乙醇，向2代纖維素燃料乙醇轉換。“一方面原料來源更廣，另一方面也維護了糧食安全”。

但她同時指出，我國2代纖維素燃料乙醇轉換技術與國外相比還存在一定差距，面臨原料收集難、生產成本高、受國際石油價格波動影響大等問題。

為進一步降低生產成本，王嵐在研究中發現，在生物燃料生產過程中融合化學催化和生物轉化，可以縮短反應周期，提高效率。例如采用廉價的化學氧化劑復配于纖維素酶中進行協同降解，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，進而提高產物的質量和產量。”王嵐補充道。

激發內生動力

為推動生物燃料市場化，國家出臺了一系列利好措施。《完善生物質發電項目建設運行的實施方案》明確指出，在現有中央補貼資金的基礎上，自2021年起，新納入補貼范圍的項目補貼資金由中央和地方共同承擔。

在王嵐看來，國家補貼不是推動生物燃料發展的長久之計，還應從根本上調動企業、科研人員、農戶等主體的內生動力，根據不同地區的生物質特點設計適合的實施方案，降低其生產成本，從國家推動轉為自發推動。

為此，她建議進一步降低生物燃料的市場準入門檻，讓更多市場主體參與競爭。此外，政策制定還應適當放寬，過細的政策可能會限制企業的發展和技術的更新。

張延平指出，生物燃料是一項涉及諸多不同研發方向的系統工程，而在此領域中，我國研究主體相對分散，技術集成存在一定難度，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”的研發精神，另一方面要整合現有資源，組建技術研發平臺，集中力量攻克生物燃料技術難題。此外，在合作中還應明確各方權責，加強知識產權保護。

對于生物燃料的發展，王嵐建議，要將工程概念引入工藝及設備開發，除了產量外，還應考慮能耗、水耗、投資成本、操作成本、安全性等指標，綜合評價工藝;其次要對整個系統進行設計，實現全局最優化。此外，生物燃料行業一定要注重增加產品附加值、延伸產業鏈，以增加企業利潤，未來生物質能梯級綜合利用將是主要發展方向。