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TK生物基材料獲悉，細菌可以將牛奶或小麥中的糖代謝成奇妙的形式，如酵母面包、酸菜、啤酒和奶酪。現代工業發酵使用類似的技術：它在微生物體內培養生化物質，用于藥物、蛋白質、營養保健品和個人護理化學品。

發酵技術已經使我們能夠用有機原料替代石化原料，生產多種產品。然而，新原料可能會進一步增強其可持續性信譽。

目前，發酵工業以食品垃圾、廢紙、農業垃圾或植物作物為微生物飼料。微生物將這些有機原料分解成糖，并將糖分解成目標化學品和碳。另一種形式的發酵逆轉了這一過程：微生物不是從糖開始，然后以高價值化學品結束，而是吃掉二氧化碳或其他氣體，然后將它們轉化為糖和高價值化學品。這稱為氣體發酵或自養發酵。

多年來，科學家們已經知道碳和其他氣體可以為微生物發酵提供具有成本效益的豐富原料，但商業化才剛剛開始。

二氧化碳作為新一代發酵原料，因其明顯的氣候緩解用途而備受關注，但其他合適的氣體包括甲烷、甲酸鹽、甲醇、乙酸鹽和乙醇——其中一些是具有生態毒性的低價值工業副產品。為高價值制造業減少對環境有害的氣體可能有助于實現氣候緩解目標，而使用天然氣而不是生物質可以減少使用資源密集型作物生產化學原材料的需求。

目前，氣體發酵技術的進展在學術界和工業界大致平分秋色。商業化才剛剛開始，兩個領域的研究人員仍在尋找使功能性食氣微生物多樣化并使其有效生產化學品的方法。

當今發酵中的原料問題

氣體發酵解決了現有工業發酵途徑的問題。發酵生物制造已經為消費化學品提供了一種更可持續的制造途徑，但某些問題仍然存在。

由于發酵生物制造避免使用石化原料或生態有毒的合成化合物，因此它已成為綠色化學工業的一種方式，并通過利用可再生原料和活生物體作為生產消費化合物的機制來減少對石油的依賴。

然而，削弱當今發酵工業可持續性的一個因素是其有機原料的來源和性質。

當今工業中常見的培養原料是現代發酵中最有環境問題的方面。大多數行業利用甘蔗、甜菜、玉米和高粱作為其加工過程中的糖源。

這些都是人類食物，需要大量土地，這意味著它們可以減少可用于種植人類食物作物的面積，并通過使用農業肥料增加最終產品的碳強度。 還有更多可持續的選擇。一些生物精煉廠使用農場的廢棄副產品作為微生物原料。這些資源是有限的、可變的，收集它們可能存在后勤和成本障礙。

Lanzatech 將氣體發酵從生物燃料擴展到工業化學品

Lanzatech是最大的氣體發酵公司，主要利用一氧化碳生產乙醇航空燃料。該公司將自己定位為一家碳回收技術公司，利用細菌將廢氣轉化為燃料。

這家總部位于伊利諾伊州的公司成立于 2005 年，并于 2022 年宣布計劃通過與 AMCI Acquisition Corp 的交易上市，該交易將為該公司解鎖 2.75 億美元，并將其估值提高至 22 億美元。該公司主要從鋼廠廢氣中提取一氧化碳氣體原料，其業務分布在新西蘭、中國和臺灣的主要鋼廠。2018 年，維珍航空的航班首次將鋼鐵排放的噴氣燃料用于商業用途。

目前，只有少數化工產品可以通過氣體發酵方法高效獲得。能夠消耗氣體的微生物在吸收碳來制造除生物燃料之外的任何化學品方面并不是特別快或有效。 其他高價值化學品，例如用于個人護理的化學品，目前尚未通過氣體發酵進行大量商業生產。 然而，Lanzatech 現在正在將業務擴展到航空業之外。2022 年 2 月，該公司宣布進行了一項試點演示，將廢碳生產為丙酮或異丙醇，這是織物、材料和化妝品等多個行業數千種產品的基本前體。

這些新的氣體發酵產品是通過重新連接乙醇燃料生產中使用的微生物C. autoethanogenum來生產丙酮和異丙醇而實現的。該演示發表在《自然生物技術》上，得出的結論是，Lanztech 的氣體凝膠化丙酮和異丙醇的生命周期排放量為負，這意味著整個發酵過程從大氣中吸收的碳多于釋放的碳。該研究還表示，該方法可以“輕松適應各種商品化學品”。

Lanzatech 的原料是一氧化碳，而不是二氧化碳。然而，該公司生產丙酮和異丙醇的新工藝可能會消耗二氧化碳，首席執行官 Jennifer Holmgren 表示，氫氣也被提供給微生物消耗。 該公司目前正在擴大面向消費者的化學品行業的合作伙伴。其氣體發酵工藝是瑞士運動品牌 Cloudprime 鞋背后的技術，該鞋含有由碳排放制成的泡沫。 該公司之前的合作伙伴關系也將為消費工業化學品市場打開大門，例如自 2020 年以來該公司與歐萊雅建立的供應乙醇基聚乙烯的供應合作伙伴關系。

今天的其他氣體發酵參與者

Lanzatech 是世界上最大的氣體發酵公司，年產量為 90, 000 噸，但規模較小的企業現在正在瞄準該技術。

諾丁漢大學合成生物學研究中心（SBRC）是氣體發酵研究中心，催生了兩家氣體發酵生物制造初創公司：Deep Branch 和 PhaseBio。Deep Branch 由三名前 SBRC 博士生創立，利用廢棄二氧化碳氣體生產可持續動物飼料，籌集了超過 800 萬歐元用于建造 FishKind 單細胞蛋白試點工廠。 與氣體發酵巨頭 Lanzatech 不同，這家初創公司使用二氧化碳而不是一氧化碳，以及氫氣和氧氣。微生物以這些氣體和電解質為食，干燥后加工成單細胞蛋白質。

PhaseBio 成立于 2020 年，致力于將工業廢物二氧化碳轉化為化學品和燃料。與 Deep Branch 一樣，他們的原料是二氧化碳和氫氣，而不是 Lanzatech 使用的一氧化碳。 與 Lanzatech 一樣，PhaseBio 的方法是在污染工業現場建立發酵技術，收集廢物并將其轉化為高價值商品。

商業化挑戰

在實現更廣泛的商業化之前，還存在一些挑戰。結垢方式中最大的問題是如何讓食碳微生物和酵母更快地消耗和處理氣體。基因編輯現在正在幫助提高產乙酸微生物的生產力。

與所有工業發酵一樣，實際挑戰是巨大的：制造商必須考慮原料成本與最終生化產品的市場價值，以及如何通過單一工藝制造不良產品。

反應器設計對于可行性很重要。優化傳質，即氣體進入液體的運動，是提高氣體發酵生產率的最大限制因素之一。為了降低總體成本，實現傳質的手段必須是節能的。