TK生物基材料获悉，细菌可以将牛奶或小麦中的糖代谢成奇妙的形式，如酵母面包、酸菜、啤酒和奶酪。现代工业发酵使用类似的技术：它在微生物体内培养生化物质，用于药物、蛋白质、营养保健品和个人护理化学品。

发酵技术已经使我们能够用有机原料替代石化原料，生产多种产品。然而，新原料可能会进一步增强其可持续性信誉。

目前，发酵工业以食品垃圾、废纸、农业垃圾或植物作物为微生物饲料。微生物将这些有机原料分解成糖，并将糖分解成目标化学品和碳。另一种形式的发酵逆转了这一过程：微生物不是从糖开始，然后以高价值化学品结束，而是吃掉二氧化碳或其他气体，然后将它们转化为糖和高价值化学品。这称为气体发酵或自养发酵。

多年来，科学家们已经知道碳和其他气体可以为微生物发酵提供具有成本效益的丰富原料，但商业化才刚刚开始。

二氧化碳作为新一代发酵原料，因其明显的气候缓解用途而备受关注，但其他合适的气体包括甲烷、甲酸盐、甲醇、乙酸盐和乙醇——其中一些是具有生态毒性的低价值工业副产品。为高价值制造业减少对环境有害的气体可能有助于实现气候缓解目标，而使用天然气而不是生物质可以减少使用资源密集型作物生产化学原材料的需求。

目前，气体发酵技术的进展在学术界和工业界大致平分秋色。商业化才刚刚开始，两个领域的研究人员仍在寻找使功能性食气微生物多样化并使其有效生产化学品的方法。

当今发酵中的原料问题

气体发酵解决了现有工业发酵途径的问题。发酵生物制造已经为消费化学品提供了一种更可持续的制造途径，但某些问题仍然存在。

由于发酵生物制造避免使用石化原料或生态有毒的合成化合物，因此它已成为绿色化学工业的一种方式，并通过利用可再生原料和活生物体作为生产消费化合物的机制来减少对石油的依赖。

然而，削弱当今发酵工业可持续性的一个因素是其有机原料的来源和性质。

当今工业中常见的培养原料是现代发酵中最有环境问题的方面。大多数行业利用甘蔗、甜菜、玉米和高粱作为其加工过程中的糖源。

这些都是人类食物，需要大量土地，这意味着它们可以减少可用于种植人类食物作物的面积，并通过使用农业肥料增加最终产品的碳强度。 还有更多可持续的选择。一些生物精炼厂使用农场的废弃副产品作为微生物原料。这些资源是有限的、可变的，收集它们可能存在后勤和成本障碍。

Lanzatech 将气体发酵从生物燃料扩展到工业化学品

Lanzatech是最大的气体发酵公司，主要利用一氧化碳生产乙醇航空燃料。该公司将自己定位为一家碳回收技术公司，利用细菌将废气转化为燃料。

这家总部位于伊利诺伊州的公司成立于 2005 年，并于 2022 年宣布计划通过与 AMCI Acquisition Corp 的交易上市，该交易将为该公司解锁 2.75 亿美元，并将其估值提高至 22 亿美元。该公司主要从钢厂废气中提取一氧化碳气体原料，其业务分布在新西兰、中国和台湾的主要钢厂。2018 年，维珍航空的航班首次将钢铁排放的喷气燃料用于商业用途。

目前，只有少数化工产品可以通过气体发酵方法高效获得。能够消耗气体的微生物在吸收碳来制造除生物燃料之外的任何化学品方面并不是特别快或有效。 其他高价值化学品，例如用于个人护理的化学品，目前尚未通过气体发酵进行大量商业生产。 然而，Lanzatech 现在正在将业务扩展到航空业之外。2022 年 2 月，该公司宣布进行了一项试点演示，将废碳生产为丙酮或异丙醇，这是织物、材料和化妆品等多个行业数千种产品的基本前体。

这些新的气体发酵产品是通过重新连接乙醇燃料生产中使用的微生物C. autoethanogenum来生产丙酮和异丙醇而实现的。该演示发表在《自然生物技术》上，得出的结论是，Lanztech 的气体凝胶化丙酮和异丙醇的生命周期排放量为负，这意味着整个发酵过程从大气中吸收的碳多于释放的碳。该研究还表示，该方法可以“轻松适应各种商品化学品”。

Lanzatech 的原料是一氧化碳，而不是二氧化碳。然而，该公司生产丙酮和异丙醇的新工艺可能会消耗二氧化碳，首席执行官 Jennifer Holmgren 表示，氢气也被提供给微生物消耗。 该公司目前正在扩大面向消费者的化学品行业的合作伙伴。其气体发酵工艺是瑞士运动品牌 Cloudprime 鞋背后的技术，该鞋含有由碳排放制成的泡沫。 该公司之前的合作伙伴关系也将为消费工业化学品市场打开大门，例如自 2020 年以来该公司与欧莱雅建立的供应乙醇基聚乙烯的供应合作伙伴关系。

今天的其他气体发酵参与者

Lanzatech 是世界上最大的气体发酵公司，年产量为 90, 000 吨，但规模较小的企业现在正在瞄准该技术。

诺丁汉大学合成生物学研究中心（SBRC）是气体发酵研究中心，催生了两家气体发酵生物制造初创公司：Deep Branch 和 PhaseBio。Deep Branch 由三名前 SBRC 博士生创立，利用废弃二氧化碳气体生产可持续动物饲料，筹集了超过 800 万欧元用于建造 FishKind 单细胞蛋白试点工厂。 与气体发酵巨头 Lanzatech 不同，这家初创公司使用二氧化碳而不是一氧化碳，以及氢气和氧气。微生物以这些气体和电解质为食，干燥后加工成单细胞蛋白质。

PhaseBio 成立于 2020 年，致力于将工业废物二氧化碳转化为化学品和燃料。与 Deep Branch 一样，他们的原料是二氧化碳和氢气，而不是 Lanzatech 使用的一氧化碳。 与 Lanzatech 一样，PhaseBio 的方法是在污染工业现场建立发酵技术，收集废物并将其转化为高价值商品。

商业化挑战

在实现更广泛的商业化之前，还存在一些挑战。结垢方式中最大的问题是如何让食碳微生物和酵母更快地消耗和处理气体。基因编辑现在正在帮助提高产乙酸微生物的生产力。

与所有工业发酵一样，实际挑战是巨大的：制造商必须考虑原料成本与最终生化产品的市场价值，以及如何通过单一工艺制造不良产品。

反应器设计对于可行性很重要。优化传质，即气体进入液体的运动，是提高气体发酵生产率的最大限制因素之一。为了降低总体成本，实现传质的手段必须是节能的。