发酵—循环经济的关键技术

瓦赫宁根食品与生物基研究院的研究人员根据科学文献分析了化工生产中发酵技术的现状，进而确定了可持续生产大宗化学品的7项有前途的技术方法，以替代目前石油产品生产。

该研究论文的合著者、瓦赫宁根食品与生物基研究院的项目负责人Daan van Es认为，发酵是将生物质转化为化学品的理想方法。“生物质的转化也可以通过纯化学途径进行，但这并不是唯一选项，因为生物质含有许多碳水化合物，这些碳水化合物是自然界的自然产物，可以由生物体转化。它们是水溶性的和热不稳定的，对大多数现有的化学过程来说，它们含有过多的氧气，而微生物则可以有效地处理它们。”

消化

发酵的原理是利用选定的微生物消化生物质中的糖，从而产生某些化学物质，有时还会产生二氧化碳，例如用葡萄发酵生产葡萄酒。乙醇（酒精）生产是发酵技术发展和应用的最好案例，例如，目前已经在大规模生产生物乙醇（每年8000万吨），它的生产并不是为了人类消费，而是为了生产可持续燃料。发酵也长期用于食品工业和乳酸产品的生产。
然而，目前大规模应用发酵技术生产化学品的化工业刚刚处于突破的边缘。“石化行业每年生产约6亿吨化学品。这是一个巨大的体量。如果我们想用非化石产品来取代它，就需要快速扩大非石化产品的生产规模。因此，在这项研究中，我们探究了哪些使用糖的发酵技术已经在规模化应用，哪些生物被用于发酵生产，并利用它们生产了哪些衍生的化学物质。”

前7项技术

我们选出并归纳了名列前茅的前7项成熟技术，它们可以生产以下大宗化学品：

• 乙醇
• 乳酸
• 琥珀酸
• 1,3-丙二醇
• 衣康酸
• 1,4-丁二醇
• PHA（生物聚合物）

这些分子可以用来生产其他更复杂的化学物质。“例如，我们可以用乙醇制造生物乙烯，而生物乙烯又可以用于生产聚乙烯（PE），虽然聚乙烯仍然是一种回收率很低的塑料。我们的最终目标是制造可回收或至少可生物降解的物质和材料。此外，我们希望能有效利用糖中的碳作为原料，例如，乳酸就可以非常有效的保留90%以上的碳。”

就碳效率而言，乙醇的得分明显较低，每生产一吨乙醇也会释放大约一吨的二氧化碳。Daan van Es指出，“如果我们能捕捉并使用二氧化碳，那这就不是问题。例如，在食品行业，在低氧环境中的软饮料和包装对纯二氧化碳有着巨大的需求。此外，二氧化碳还可以用作化学构建块。例如，我们可以通过气体发酵从二氧化碳和（绿色）氢气中生产乙醇，从而实现零排放。目前这项技术正在全面开发中，因此我们可以将这些过程联系在一起。此外，还有其他可用的转化方法，如可通过电化学转化将二氧化碳转化成甲酸。”

新技术的发展

瓦赫宁根食品与生物基研究院的研究可以作为一种工具，用来决定对广泛使用化学品的生产中的生物技术工艺和原材料进行投资评价。与此同时，一些新技术正在发展过程中。例如，利用基因组编辑、高通量筛选和计算机运算，可以开发新的微生物菌株。将电化学集成到发酵过程中的工作也正在开展。这些技术可以进一步提高化学反应过程的效率，从而提高其经济可行性。本研究论文的合著者Tom Ewing表示，“这样的新技术可以用来提高现有发酵工艺的效率，也可以开发出新的途径来生产其他化学品。因此，在未来几十年，越来越多的新工艺很可能会被添加到未来循环经济的成熟技术的列表清单中。”