将合成气转化为可持续化学品：微生物能否取代化石原料？

合成气的历史已逾百年。它主要由一氧化碳和氢气组成，通常还混有一些 CO₂ 和其他气体，长期以来一直被用作生产燃料、氢气、甲醇及其他大宗化学品的原料。

不过，近来它受到关注却另有原因：如果不仅是化学，生物学也能将这些废气转化为有价值的产品，会怎样？

随着各行业寻求减少对化石碳的依赖，合成气发酵已成为传统催化转化之外一种颇具吸引力的替代方案。工程化微生物无需依赖高温、高压和金属催化剂，即可直接利用含碳气体，并将其转化为乙醇、乙酸盐、丁醇及其他平台化学品³。

其核心理念简单得几乎令人难以置信：为微生物提供合适的气体，让其代谢来完成化学反应。而挑战——正如生物技术领域常见的那样——在于使这一过程足够高效、稳健，从而在工业规模上具有实际意义。

合成气并非单一物质

在讨论“可持续合成气”之前，有必要先弄清气体究竟从何而来，因为这决定了整个过程是否真正可持续。

合成气可通过煤、天然气、生物质、城市垃圾或其他富碳物料的气化制得。含碳混合气体也可来自工业工艺尾气流。因此，“合成气”本身并不能说明其气候足迹；其潜力取决于碳的来源。

研究人员正在探讨，与其从地下开采新的化石碳来制造化学品，能否转而利用已经在循环中的碳（例如工业排放或废弃物衍生气体中的碳）作为原料。这是迈向循环碳经济这一更大趋势的一部分：不再是“化石碳 → 化学品 → 废弃物 → 排放”，而是“废弃碳 → 合成气 → 微生物转化 → 有用产品”。

对于那些完全摒弃碳基原料并不现实的行业而言，这一转变可能意义重大。

微生物以意想不到的方式进行化学反应

其中较有意思的一类是产乙酸细菌。这类生物已进化到能够依靠极其简单的气体生存，利用代谢途径将 CO、CO₂ 和 H₂ 转化为乙酰辅酶 A 及其他有用的中间体⁵。

研究人员既可以直接利用这些途径，也可以对其进行改造，促使生物体生成其通常不会自行产生的产物。这正是合成生物学大显身手之处：科学家无需从零开始设计生产工艺，而是可以借助现有的生物系统，将其代谢导向所需产物——醇类、有机酸、燃料、化学中间体。

这种通用方法称为气体发酵。它在许多方面与普通发酵相似，只是原料不是糖溶液，而是以气体形式进入的碳。仅这一点差异，就改变了许多工艺开发方面的挑战。

气体确实是一种难以处理的原料

任何从事过发酵工作的人都知道，生物体与其环境的相互作用有多么关键。对于合成气而言，由于原料是气态的，这种相互作用变得困难得多。

CO 和 H₂ 在水中的溶解度相对较低。要让足够的气体从顶空或鼓泡气泡进入液相，并最终到达细胞，是一项真正的工程挑战。仅仅增大气体流量是不够的：传质、气泡大小、搅拌、压力、反应器几何结构、微生物生理以及气体组成相互作用，共同决定了微生物实际能利用多少气体⁴。

随着发酵的进行，生物体本身也会改变局面。针对某一 CO:CO₂:H₂ 比例优化的工艺，一旦该比例发生漂移，其表现可能大不相同；当气体来自真实的工业或废弃物气流，而非一瓶实验室级气体时，这一点尤为重要。

放大问题很早就会出现

气体发酵很好地说明了为何放大不能留到项目末期才考虑。在小型反应器中表现良好的培养物，在更大的反应器中未必表现相同。

随着反应器体积增大，混合和气体传递都会发生变化。细胞所处的溶解气体浓度可能不同，温度和 pH 梯度变得更加明显，而气体流量与生产率之间的关系也可能以仅凭台式规模数据难以预测的方式发生变化。

因此，在放大之前充分理解工艺就显得尤为必要，而这正是小规模平行生物工艺的价值所在。研究人员无需一次只改变一个变量，而是可以并行运行气体组成、搅拌、温度、pH 和营养供给的多种组合。目标不仅是找到产量最高的条件，更是要理解该条件为何有效，以及在工艺放大后能否依然成立。

为何这对难以脱碳的行业可能意义重大

其吸引力远不止生物技术本身。钢铁冶炼、炼油、废弃物管理和化工制造都会产生大量含碳气体，其中相当一部分确实难以彻底消除。捕集和封存是一种选择²，将其用作原料则是另一种选择。

LanzaTech 已经展示了这一方案在实践中的样貌：在真实规模下将富碳工业气体转化为乙醇，这是将生物转化直接接入工业排放的一个实际案例¹。这本身并不会使排放源实现碳中和；真正的环境影响仍取决于气体的来源、工艺消耗的能量、所得产品的使用寿命，以及这些碳在其他情况下的去向。但它确实开启了一种不同的思路：原本会被当作废弃物处理的碳，可以转而成为原材料。

从燃料走向化学品

气体发酵早期的关注点大多集中在燃料上，尤其是乙醇。然而，更大的机遇可能远不止于此。

一旦微生物能够高效利用合成气，同一基础平台往往就可以转向生产其他产品，例如用于塑料、溶剂、涂料及各类工业材料的化学中间体³。从可持续发展的角度来看，这才是真正令人感兴趣之处。其目的并非一定要用生物来源的化学品取代所有化石来源的化学品，而是为目前依赖化石碳的分子提供一条额外的市场路径——与传统石油化工不同，这条路径通常可以在相当温和的温度和压力下运行。

下一步需要的是更好的工艺数据

合成气发酵背后的生物学确实引人入胜，但这项技术能走多远，同样取决于工艺工程。研究人员仍需弄清哪些菌株在何种气体组成下表现最佳、操作条件如何影响生产率，以及如何在长周期运行中保持性能稳定。

回答这些问题需要数据，而获取数据通常需要大量实验。平行生物工艺开发使研究人员能够在实验室可控的规模下探索这些变量，同时捕捉真正重要的工艺行为。对于此类技术而言，这可以缩短从一条有趣的微生物代谢途径到最终可能实现工业规模运行之间的距离。

以不同的方式看待工业碳

合成气发酵最有意思的部分或许根本不在技术本身，而在于其背后的思维转变。工业碳大多遵循一条路径：开采、转化、排放。生物气体转化则提供了另一条路径：再利用。

原料波动性、气体传递限制、工艺经济性、下游处理成本、放大风险以及相应基础设施的可用性，仍然都是现实挑战。但生物技术正日益为研究人员提供一种途径，去利用那些过去因浓度过低、波动过大或过于难用而被弃之不顾的碳源。

可持续化学品的未来，或许不那么取决于彻底消除碳，而更多地取决于让碳保持循环。有时，最可持续的原料并非我们种植出来的，而是我们已经用过一次的。

生物工艺开发的定位

将合成气转化为化学品，远不只是找到一种恰好能“吃”气体的微生物那么简单。研究人员需要理解气体组成、传质、搅拌、补料、pH、温度和微生物生理在整个过程中如何相互作用。

早期平行生物工艺开发非常适合这一工作，因为它使研究人员能够高效考察这些变量、比较不同的操作策略，并积累所需数据，推动有前景的气体发酵体系迈向更大规模的研究。BioXplorer 系列提供了一种灵活的方式，可在投入更大反应器之前探索这些生物工艺条件；而耐压型 BioXplorer 400P 专为依赖气体的发酵而设计，适用于需要提高气体溶解度的场合。

想了解平行生物工艺开发如何支持气体发酵研究？探索 BioXplorer 系列，了解研究人员如何在放大前表征气体补料菌株并优化条件。