生物反应器革命 | H.E.L 集团

21 世纪的挑战

21 世纪初的现实与科幻乌托邦的预言相去甚远：气候变化紧急状况、废弃物管理危机、日益加剧的全球健康问题，以及大流行病……

为此，联合国于 2020 年制定了 17 项可持续发展目标。该文件旨在突出亟需改善的领域，并在良好健康与福祉、清洁饮水和卫生设施、经济适用的清洁能源以及气候行动等方面提出改进方向。

尽管生物反应器历来被用于食品发酵等工艺，近年来又被用于生产药物或生物燃料，但它在应对上述部分关键问题方面同样潜力巨大。生物反应器处于科学与工程的交汇点，能够为其中一些挑战提供颇具价值的解决方案。此外，其独特的适应性带来了契机，可推动行业发生重大变革，为可持续实践铺平道路，助力构建更具韧性的世界。

每个问题都有对应的生物反应器

可持续发展与粮食生产

全球人口已接近 80 亿，粮食安全和粮食供应日益受到关注。当前的农业和养殖方式可能引发环境与伦理问题。单一种植可能导致土壤贫瘠并加剧荒漠化进程。水稻种植需要大量用水，并产生温室气体（尤其是甲烷）。集约化养殖场的肉类生产同样会产生大量甲烷，并占用大量土地；此外，这类养殖方式中动物的福利也引发了伦理担忧。当前利用生物反应器开展的研究主要集中在实验室培养肉以及细胞农业。生物反应器有助于减少农业用地，使这些动物免受痛苦，并避免产生与反刍动物消化系统及淹水土地相关的气体。

减缓气候变化

全球变暖与温室气体（主要是 CO₂、CH₄ 和 N₂O）的累积有关。使用生物反应器可以影响这些气体的整体累积。例如，藻类和蓝细菌等光合生物可在光生物反应器中培养，帮助捕获大气中的 CO₂，并将其固定为有机物或生物产品（如生物塑料）。大气中累积的甲烷有 20% 来源于畜牧业。不依赖反刍动物生产肉类，可以减少这种气体的产生。

生物燃料生产

生物燃料可视为可再生能源，是化石燃料的替代品，能够减少排入大气的温室气体。生物燃料生产可分为两类：一类是利用具有发酵能力的微生物，例如利用酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)生产乙醇，或利用丙酮丁醇梭菌 (Clostridium acetobutylicum)生产丁醇；另一类是利用光合生物，尤其是小球藻属 (Chlorella) 或栅藻属 (Scenedesmus)的成员。藻类因其极高的脂质含量而被培养，这些脂质随后可被提取并转化为生物柴油。因此，生物反应器可用于培养生产生物燃料的微生物，助力绿色经济发展。

废弃物管理

生物反应器为微生物的生长和活动提供受控环境，这些微生物能够分解废弃物，同时生产高价值产品。利用厌氧工艺可以分解有机物并产生沼气——其主要成分为甲烷，可用作生物燃料。由于甲烷在受控条件下产生，这种气体不会逸散到大气中成为温室气体。此外，厌氧消化过程的产物（又称沼渣/消化液）富含养分，可用作肥料，替代工业资源。

清洁水生产

在当前全球变暖的形势下，荒漠化进程加速，干旱日益频繁，获取清洁水变得越来越困难。然而，生物反应器可以帮助改善这一状况。生物工艺在废水处理中已被常规应用。好氧工艺有助于去除水中的有机化合物，最终产物为 CO₂（矿化）。膜生物反应器等专门设计可同时实现营养物和污染物的去除（与微生物活动相关）以及澄清，因为微生物会被截留在膜上。此外，能够处理氮和磷的微生物群落可将这些元素从出水中去除，从而防止下游水体因营养物过剩而发生藻华（富营养化）。从水中去除的氮和磷可用作肥料。

生物反应器：创新的容器，希望的容器

凭借灵活的设计和多样化的应用，生物反应器已被证明是解决联合国所确定并重点关注的部分问题的理想选择。这些不断适应和改进的生物工程工具，在未来能源绿色化、粮食可持续生产的进程中扮演着关键角色。借助生物学的力量，这些反应容器有望变废为宝、化废为财，应对人类面临的一些最大威胁，

凭借灵活的设计和多样化的应用，生物反应器已被证明是解决联合国所确定并重点关注的部分问题的理想选择。这些不断适应和改进的生物工程工具，在未来能源绿色化、粮食可持续生产的进程中扮演着关键角色。借助生物学的力量，这些反应容器有望变废为宝、化废为财，应对气候变化和粮食安全等人类面临的一些最大威胁。我们面临的挑战复杂而艰巨，但生物反应器与我们的创新能力能够带来改变，助力构建一个可持续、公平且富有韧性的世界。