在接下來的幾個月裡，世界首個商業規模的乙醇制航空燃料工廠將開始生產其首批航空燃料。該工廠位於佐治亞州索珀頓，將繼續生產由蘭薩科技及其衍生公司蘭薩 jet 開發的燃料。這項努力代表了他們近 20 年來將工業廢氣轉化為乙醇，然後再轉化為航空燃料的努力中的一個重要里程碑。蘭薩科技的目標是使用氣體發酵，其中微生物代謝工業廢氣作為原料，並將其轉化為乙醇和其他有用的化合物。目前，該公司專注於航空的衍生公司蘭薩 jet 使用從石化工業採用的催化步驟生產乙醇制航空燃料，但他們的最終目標是將大部分催化工作交給微生物，透過氣體發酵完成。
發酵氣體的生物體可以使用工業二氧化碳排放物作為原料。這種氣體發酵的開發程度遠不如傳統發酵，在傳統發酵中，微生物以糖或其他生物質（包括農作物）為食。但是，基於生物質或氣體的方法都適用於基因改造選定的微生物菌株，然後在大型罐中培養它們進行發酵。
基於二氧化碳的技術可能還有很長的路要走，但是利用這種技術和其他廢氣排放物作為原料的機會使其成為一項值得追求的技術。“一個沒有氣體發酵的生物經濟是一個不完整的生物經濟，”SynBioBeta 的國際推廣主管 Fiona Mischel 說，SynBioBeta 是一個生物工程師的行業組織和網路。“碳是一種驚人的資源。我們的整個世界都建立在它之上。但是現在，它以錯誤的形式出現在錯誤的地點——它是大氣中的碳——我們需要透過生物技術來利用它，”她說。
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蘭薩科技是全球多家探索使用氣體發酵生產特種化學品、燃料前體和蛋白質的公司之一。例如，Visolis 正在開發不同的生物體，這些生物體可以利用氣體、生物質或城市固體廢物生產羥甲基戊酸作為中間工業化學品，經過進一步的化學催化後，可以將其加工成火箭燃料、航空燃料、合成橡膠和特種化學品。
在氣體發酵中，一氧化碳、二氧化碳或氣化生物質被泵入發酵罐。一些生物體可能需要其他氣體，例如氫氣，氫氣可以作為能源。這些氣體與含有微生物的液體混合，微生物可以是基因工程改造的，它將代謝這些氣體併產生選擇的分子。
有些產品需要兩階段發酵，其中中間化學品（如乙酸）透過一輪氣體發酵產生。然後，乙酸成為傳統發酵的原料，在傳統發酵中，產生更復雜的分子。
科學家們專注於氣體發酵的微生物包括厭氧產乙酸菌，如梭菌屬，它們天然使用涉及乙醯輔酶 A 的化學途徑來合成乙酸鹽，以及氧化氫爆鳴菌，如食氫菌，它可以產生用於生物塑膠和油的複雜分子。
但是，氣體發酵微生物的開發進展緩慢，部分原因是這些微生物的表徵遠不如傳統發酵的工作主力（如酵母和大腸桿菌）那樣充分，比利時根特 Bio Base Europe 的業務運營主管 Hendrik Waegeman 說，Bio Base Europe 是一個為開發生物基產品的公司提供試驗工廠和加速器。“工程改造大腸桿菌或酵母只需幾秒鐘，但對於產乙酸菌，獲得改善功能的簡單突變需要數年時間，”他說。
由於產乙酸菌是嚴格厭氧的，因此在實驗室中處理它們可能很棘手。“即使是一小點氧氣也會殺死它們，如果您想進行工程操作，這不是很方便，”Waegeman 說。他估計，全球範圍內嘗試工程改造梭菌屬物種進行氣體發酵的團隊不到 30 個。
氣體發酵可能帶來一些昂貴或高能耗的技術挑戰。微生物要發揮作用，需要能源，例如泵入其發酵罐的氫氣。但是傳統的制氫方法是碳密集型的，因此一些團隊正在透過電解將水分解為氧氣和氫氣來在現場製造可再生氫氣——這是一項昂貴的努力。將氣體與生活在水中的微生物充分混合也被證明是昂貴的，並且需要複雜的工程設計。
更增加了挑戰的是，微生物的開發和工程改造一直很費力。蘭薩科技花費多年時間來表徵和開發產乙醇梭菌，用於其氣體發酵系統。這種厭氧細菌可以吸收一氧化碳，並將其代謝產生乙酸鹽。蘭薩科技使用一種稱為定向進化的技術，引導該生物體的代謝將一氧化碳轉化為乙醇。
蘭薩科技現在在六個商業規模的氣體發酵工廠中使用該物種。其中五個工廠——中國的四個和比利時的一個——位於鋼鐵廠或鐵合金生產廠；它們將這些工廠產生的廢一氧化碳轉化為乙醇。第六個工廠位於印度帕尼帕特，從煉油廠提取二氧化碳並將其轉化為乙醇。
蘭薩科技從這些工廠生產的大部分乙醇都用於原本會使用原始化石碳的產品，蘭薩科技政府專案副總裁 John Holladay 說。這些產品包括紡織品、鞋底、包裝、清潔產品、表面活性劑和洗滌劑。但是蘭薩科技也希望將其生產的乙醇轉化為航空燃料。“我們專注於難以脫碳的行業，而航空業非常難以脫碳，”Holladay 說。
根據國際能源署的資料，航空業約佔全球能源相關二氧化碳排放量的 2%，並且事實證明，降低這一數字非常困難。電池和氫動力飛機都被提議作為解決方案，但這兩種方案都存在重大的技術限制，並且需要重新設計飛機和改造機場的昂貴努力。
由於這些原因，國際航空運輸協會等行業組織已推動將可持續航空燃料作為最可行的選擇。聯合國機構國際民用航空組織將可持續航空燃料定義為符合可持續性標準的可再生或廢棄物衍生的航空燃料。
航空公司似乎對這個想法持開放態度。達美航空、法國航空、國際航空集團和寰宇一家聯盟都同意到 2030 年實現 10% 的可持續航空燃料的目標。11 月，維珍航空和灣流宇航分別使用 100% 的可持續航空燃料進行了跨大西洋試飛。
各國政府正在強制和激勵使用可持續航空燃料。歐洲於 10 月最終通過了 ReFuelEU 航空法規計劃，該計劃要求燃料供應商將越來越多的可持續航空燃料與傳統航空燃料混合，從 2025 年最低 2% 的混合比例開始，到 2050 年上升到 70%。美國為可再生燃料提供稅收優惠，並且自 2005 年以來一直維持一項可再生燃料標準計劃，該計劃要求一定量的可再生運輸燃料取代石油基燃料。
目前市場上大多數可持續航空燃料都是由食用油、植物油、食用動物脂肪和工業油脂製成的——一種稱為氫化處理酯和脂肪酸的產品。但是這些脂肪和油的供應有限且分散。因此，行業組織敦促可持續燃料開發商更廣泛地關注多樣化的原料，包括生物質和城市垃圾。
將此類原料轉化為航空燃料可能需要結合不同的技術。一種選擇是將傳統發酵（將農作物或其他生物質轉化為異丁醇或乙醇等醇類）與一系列稱為醇制航空燃料的化學反應相結合，以將醇類轉化為航空燃料。另一種途徑是將生物質氣化為合成氣，合成氣是氫氣和一氧化碳的混合物，然後在成熟的費託化學過程中將其轉化為航空燃料。
但是，這些途徑需要大量的生物質，並且會帶來土地利用問題，特別是當農作物是起始原料時。這導致一些團體轉向廢氣，如二氧化碳或一氧化碳作為原料。氣體發酵是將氣體轉化的較新途徑；熱化學和電化學過程更為成熟。
也可以使用酶來捕獲碳。丹麥巴格斯韋德的 Novonesis（前身為諾維信）及其位於米蘭的合作伙伴 Saipem 正在開發碳酸酐酶，該酶可以捕獲二氧化碳並將其轉化為碳酸氫鹽。編碼該酶的基因來自嗜熱深海生物。諾維信將這些基因轉移到專有的宿主生物體中，該生物體可以大規模生產該酶。
Saipem 建造了一個每天捕獲 30 噸二氧化碳的示範工廠。Novozymes 碳捕獲和儲存主管 Klaus Skaalum Lassen 說，酶促碳捕獲比傳統的基於溶劑的捕獲方法更有效，因為它需要更少的能源來執行，並且減少了煙道氣的淨化。
比利時莫爾 VITO 的生物技術專案經理 Heleen De Wever 說，與氣體轉化的化學方法相比，微生物氣體發酵具有多個優勢。例如，她說，微生物更擅長處理某些雜質和氣體成分的波動。而且，微生物可以生產比化學催化方法更復雜的分子，並且生產對於目標分子的特異性更高。
“如果您想製造更簡單的一碳化學品，如甲酸或甲醇，則無需進行氣體發酵。對於這種情況，有很好的化學催化劑，”De Wever 說。“但是，如果您想製造具有五個或更多碳原子的更復雜分子，甚至像聚酯這樣的聚合物，那正是生物技術能夠勝任的，”她說。
蘭薩科技正在繼續推進航空燃料脫碳，主要是透過與蘭薩 jet 的合作，蘭薩 jet 使用化學催化劑將乙醇轉化為航空燃料。蘭薩 jet 在佐治亞州新建的乙醇制航空燃料工廠將成為世界上最大的醇制航空燃料工廠，年產能為 1000 萬加侖可持續航空燃料。該公司估計，僅該工廠的產量就將佔美國可持續航空燃料產量的三分之二。
但問題是：蘭薩 jet 的工廠並非從蘭薩科技的氣體發酵工藝中採購乙醇。目前，蘭薩 jet 的乙醇來自巴西甘蔗。這是因為從鋼鐵或鐵合金工廠的廢氣中提取的乙醇沒有資格獲得美國可再生燃料標準計劃下的激勵。“政策滯後於創新，”Holladay 說。因此，蘭薩 jet 正在從符合條件來源購買乙醇。
在等待政策變化的同時，蘭薩科技正在開展一系列專案，從非金屬合金工業場所採購不同種類的原料。這些原料包括合成氣（來自沼氣重整或林業或農業殘留物氣化）和城市固體廢物，該公司將使用氣體發酵將其轉化為乙醇，然後使用蘭薩 jet 的催化醇制航空燃料工藝將其轉化為航空燃料。希望這些原料將使該公司的可持續航空燃料有資格獲得激勵，但這些專案仍處於早期階段。
這就是一家站在新技術前沿的生物技術公司所面臨的挑戰。
本文經許可轉載，並於 2024 年 2 月 15 日首次發表。