基于二氧化碳的生物制造:从基础研究到工业应用的挑战

在过去的几十年里,人们在二氧化碳(CO_(2))捕获和利用方面做出了巨大的努力,但是通过生物技术大规模利用CO_(2)还缺乏市场竞争力,迫切需要新的方案和技术。谭天伟和JensNielsen的团队(刘子鹤等,2020)最近回顾了第三代(3G)生物炼制技术中生物固定CO_(2)方面的进展和挑战,对原材料、碳固定途径和所涉及的关键因素、能源供应和它们将二氧化碳同化为生物质的效率,以及随后基于3G的产品进行了出色的总结和探讨。该文还介绍了3G生物炼制的前景,指出了存在的挑战,并为未来的发展提供了前瞻性的建议。文章也讨论了整合多种碳固定途径和来自化学、生物和过程工程的技术以实现CO_(2)闭环固定和利用的机会和挑战。除了技术方面,文章还强调有必要进一步增加社会、政治和经济激励措施。本评论简要介绍刘子鹤等综述文章的主要内容,并进一步讨论了基于CO_(2)的生物制造从基础研究到工业应用的几个值得关注的问题:①在原子和分子水平上对碳碳键生成的机理进行更深入的基础和定量研究,以显著提高固碳途径的关键酶和代谢模块的效率;②在代谢途径及细胞水平上,对固碳反应与代谢网络的相互作用进行系统的定量研究;③在生物炼制的意义上,将物理、化学和电化学CO_(2)捕获和转化方法与生物过程相结合,同时考虑产品回收的下游处理;④从工业应用的角度来看,基于自养合成的生物制造存在多个技术瓶颈和经济限制,这些问题短期很难解决,混合营养生物合成(使用CO_(2)和混合碳源)是一个实用的解决方案;⑤大多数CO_(2)固定途径及其产品仍处于“概念验证”阶段,需要更多的工程研究来实现从“0到1”到“1到100”的技术需求,从而真正为碳中和做出贡献。