碳负排放生物制造的兴起：微生物能否助力应对气候变化？

几十年来，减少碳排放首先意味着一件事：少排放。这一点至今仍然成立，也依然重要。但过去几年里，另一个问题在生物技术圈中日益受到关注：如果 CO₂ 根本不是废物，而是一种原料呢？

从原理上讲，这并不是一个新想法，但它已不再局限于学术论文。世界各地的实验室和初创企业正在改造能够利用 CO₂、CO、甲烷及其他一碳分子的微生物，将其转化为化学品、燃料、塑料、食品配料和药物。一些制造商不再完全依赖化石原料生产每一种产品，而是开始借助生物学来循环利用已经处于流通中的碳。

碳捕获只是第一步

过去十年间，工业界和各国政府已向碳捕获投入了数十亿资金，其主要目标只有一个：阻止 CO₂ 进入大气。这固然很有价值，但留下了一个显而易见的问题：碳被捕获之后该如何处理？

将其封存于地下确实可以减少排放，但不会产生任何价值。而将其转化为可用之物，则会大大改变这笔账，这正是生物学开始崭露头角的地方^1,2。

有些微生物天然以 CO₂ 或氢气为食，另一些则能很好地利用 CO。借助合成生物学，研究人员正在改造这些生物，用于生产可生物降解塑料、航空燃料前体和特种化学品等产品，将排放物视为原料而非废气。该领域的最新综述指出，在菌株工程、可再生电力和更优反应器设计的共同推动下，合成 CO₂ 生物转化正稳步取得进展。这些因素共同推动碳中和制造、乃至在某些情况下的碳负排放制造日益走向现实。

从烟囱到供应链

这一方法的吸引力在于，它无需从零开始重建工业基础设施。许多设施已经在产生高浓度的 CO₂ 气流。与其将这些气体排空，不如将其通入发酵系统，由微生物将其转化为新产品。

这正是通常所说的循环碳经济背后的基本理念：以更接近“捕获—转化—制造—再利用”的模式，取代“开采—制造—排放”的旧有线性路径。

其意义远不止于气候政策。以石油衍生化学品为基础的行业正面临在不降低产量的前提下减少排放的切实压力，而生物制造为同时实现这两个目标提供了途径。这并不是说生物学将取代石油化工，但它确实是第二个平台——能够以更可持续的方式生产某些分子，并在合适的领域逐步减少对化石资源的依赖。

生物学不仅让现有化学工艺更绿色，还开辟了全新路线

人们普遍认为，生物技术主要是为我们已经知道如何合成的化学品提供更环保的生产方式。但在实践中，它往往发挥着不同的作用：开辟传统化学难以涉足的制造路线。

微生物可以在温和条件下（无需高温、高压）组装复杂分子，而同等的化学合成则可能能耗极高或难以实现。随着合成生物学日趋成熟，细胞正被编程以执行日益复杂的代谢任务，这也是制药、化妆品和食品配料企业大力投资微生物生产的重要原因。

除了 CO₂ 本身，人们对其他原料的兴趣也在不断增长，例如由捕获的排放物衍生而来的甲醇、甲酸盐、乙酸盐及其他一碳中间体。这些原料使制造商得以摆脱对农业糖类的依赖，避开长期困扰前几代生物燃料的“粮食与燃料之争”^1,3。

难点通常不在于改造微生物

新改造的菌株总是备受新闻关注，人们很容易认为，只要遗传改造成功，剩下的就只是走个过场。实际上，真正的工作往往才刚刚开始。

一个在 250 mL 摇瓶中表现出色的菌株，一旦转入生物反应器，其表现可能截然不同。气体传质发生变化，混合模式发生变化，供氧情况改变，出现营养物浓度梯度，而那些在台式规模下看似微不足道的环境差异，可能会大幅影响生产率。

对于利用碳的微生物而言尤其如此，因为所涉及的许多气体溶解度都很低。要可靠地为细胞提供足量的气体，就必须密切关注搅拌、传质以及整体反应器环境。对于这些平台而言，生物工艺优化并不是下游的事后补充，而是与菌株工程本身同等核心的环节。

积少成多，收效迅速

商业化生物制造很少取决于某一项突破，更多时候是众多小成果的积累：更好的混合方式、更平稳的补料曲线、更充分的气体传质、更稳定的温度和 pH 控制。单独来看，这些改进都不起眼，但叠加起来，就能显著改变生产率和成本。

这也是平行生物工艺开发变得如此有用的部分原因。逐一测试条件速度缓慢，而且仅凭少数几次运行很难对放大决策建立信心。并排运行多个条件，可以让研究人员更快地覆盖更多参数空间，并获得更丰富的数据集作为依据。

超越碳中和

“碳中和”已成为人们熟悉的目标。然而，碳负排放制造则更进一步：其目标不仅是停止增加排放，而是主动从大气中移除碳，并将其固定到有用的产品中。

是否每一种应用都能真正实现这一目标，目前仍是一个悬而未决的问题。产品寿命、所涉及的能源、运输以及废弃处置都会影响实际的碳核算，而且每种工艺的计算结果都不尽相同。尽管如此，越来越多的人认同，生物制造在构建更加循环的碳经济中可以发挥切实作用——理想情况下，既能减少对原生化石碳的依赖，又能将捕获的排放物转化为有价值的产品^4,5。

生物工艺开发的定位

要将一个有前景的菌株从实验台推进到具有商业可行性的工艺，仅有优良的遗传特性是不够的。每一种新生物都需要经过培养、表征、优化和放大，这意味着需要了解搅拌、溶解氧、营养物供给、温度和气体传质之间如何相互作用——而且最好在投入中试规模运行之前就弄清楚。

平行生物工艺平台非常适合这一阶段。BioXplorer 等平台使研究人员能够同时评估多种气体传质策略、搅拌参数和补料曲线。所有这些结合在一起，既加快了优化速度，又能生成更高质量的放大数据。能够同时探索多种培养策略，有助于获取所需的工艺数据，推动面向气候应用的菌株从一项有趣的研究结果走向真正可以投入生产的产品。

展望未来

气候变化正推动各行各业重新思考生产方式，而生物技术提供了一种真正与众不同的选择：将环境负担转化为生产投入。它无法单独解决气候变化问题，也不应被宣传成能够做到这一点。但随着合成生物学、可再生能源和生物工艺开发不断融合，利用捕获的碳生产有价值的产品，正逐渐从一种研究上的新奇事物，变成一条切实可行的生产路径。

下一代可持续制造或许不会始于炼油厂。将捕获的碳转化为有价值的产品，不仅取决于更好的生物学，也取决于更好的生物工艺。随着研究人员将有前景的菌株推向工业化生产，快速优化和稳妥放大的能力，可能与微生物本身同样重要。

想了解平行生物工艺开发如何为这类工作提供支持？探索 BioXplorer 系列，了解研究人员如何在各类工业生物技术应用中加速发酵和工艺优化。