工业制造和加工作业是全球二氧化碳排放量的很大一部分。 据国际能源机构称,工业部门占全世界二氧化碳直接排放量的近四分之一,电力和热消耗也造成了额外的间接排放量。为了应对气候目标加速,公司转向生物系统重新设计传统的化学和物理过程。生物技术解决方案提供了降低排放量、降低能源密度、用可再生替代品取代基于化石的原料的途径。本条审查了将生物技术应用于工业去碳化的关键战略、好处和挑战。

理解生物技术在工业中的作用

工业生物技术——通常称为白色生物技术——利用细菌、酵母和藻类等生物体及其酶等分子成分,以更可持续的方式生产商品。 生物技术不是依赖高温、高压的化学反应,而是通常在温和的条件下(气候温度、中性pH)运作。 这必然会减少能量消耗和相关的碳足迹。 从生产生物燃料和生物塑料到工业废物流的处理和合成特殊化学品。

生物技术用生物物质或废物取代石油原料,也有助于堵塞碳循环。 比如,工业烟气捕获的碳可以被喂入微藻或被工程化的细菌,将其转化为有价值的产品。 这符合循环经济的原则,支持钢铁、水泥和化学品等硬叶部门的净零排放目标。

主要生物技术战略

生物催化剂

酶是自然的催化剂,能够以显著的特异性和效率加速化学反应。 在工业环境中,不动酶可以取代严酷的化学催化剂,使反应温度降低数十甚至数百摄氏度。 例如,在生物柴油生产中,脂酶被用于将油转化为脂肪酸甲基酯,而纤维素和xylanas则将利古细胞素生物量分解为易发酵的糖,用于生物燃料生产。 在清洁剂制造和纺织加工中,使用酶也可以通过在低温下有效清洁和完成来减少能量使用。 A 在自然生物技术研究 中发现,合成关键化学中间体的酶催化途径与传统方法相比,可以将过程能量降低30-50%。

微生物发酵

发酵已经用了几千年时间来生产食品和饮料,但现代工业发酵杠杆则通过工程利用微生物将废物和可再生生物量转化为高价值产品。 纤维醇、可再生柴油和航空生物燃料等生物燃料由酵母或从农业残留物、林业废物或城市固体废物中消化糖的细菌生产。 诸如LanzaTech等公司将发酵工艺商业化,将碳 ⁇ 丰富的工业用气(例如钢厂)直接转化为乙醇和其他商品化学品。 根据 IEA,工业生物技术可在2050年之前将全球二氧化碳排放量降低到每年2.5千吨,而发酵技术则发挥着中心作用。

生物补救

生物补救利用微生物或植物从工业场所分解或消除污染物,这一策略不仅清理了受污染的土壤和水,而且还防止了甲烷和一氧化二氮等强烈温室气体的排放,例如,某些细菌可以降解石油碳氢化合物、氯化溶剂和农业杀虫剂,在废水处理中,厌氧消化器利用细菌联合体将有机废物转化为沼气(甲烷和二氧化碳的混合物),然后可用于产生热量或电力,所捕获的甲烷取代了化石燃料,这一过程避免了有机废物留在填埋场中分解时产生的排放。

遗传工程

合成生物学和基因编辑工具(如CRISPR)的进步使科学家能够以前所未有的效率定制微生物,以完成具体任务。通过改变代谢途径,研究人员可以引导微生物生产目标分子——如聚合物、营养素或药品——最小副产品,例如基因工程的E.coli和酵母在商业规模上生产多羟基甲酸盐(PHAs)等可生物降解塑料,同样,正在研制出可直接分泌生物土壤或氢的藻类,减少下游加工成本。这些细胞工厂可以优化利用CO2作为原料,将废物产品转化为资源。国家人类基因研究所指出,合成生物学方法对于开发石化衍生产品的可持续替代品至关重要。

生物技术解决方案的益处

在工业过程中采用生物技术,在减少碳足迹之外产生多种可量化的优势:

  • 低能耗:[ 微软反应条件降低蒸汽,电力,冷却需求,导致与常规热化学路线相比,工艺能量使用削减20%-60%.
  • 减少的温室气体排放: 通过用可再生生物量或捕获的二氧化碳替代基于化石的投入,许多产品的净生命周期排放量可下降40-90%,美国环境保护局。
  • 废物估价: 生物工艺将农业、市政和工业废物流转化为可销售货物,减少填埋量和相关的甲烷排放。
  • 强化产品选择性: 酶和工程微生物往往产生较少的不想要的副产品,简化净化步骤,降低废物处理成本.
  • 监管合规性: 生物技术方法通过降低排放强度和使封闭式系统能够达到越来越严格的环境条例,帮助公司达到要求。

此外,将生物技术与数字监测结合起来,可以实时优化发酵参数,最大限度地提高产量,并尽量减少资源使用。

挑战与未来方向

管制和安全考虑

封闭式工业发酵厂使用的转基因生物一般被认为是安全的,但开放环境应用的核准——例如利用工程细菌进行生物补救——需要广泛的风险评估,监管框架因区域而异,为多国行动制造了复杂情况,经济合作和发展组织(经合组织)等机构需要明确、统一的指导方针,以促进安全部署,同时维持公众的信任。

伸缩性和经济可行性

许多有前途的生物技术工艺在工业上仍然具有成本性。 高底质成本、低产品奶油和昂贵的下游回收方法可以使生物产品比基于化石的同类产品更昂贵。 正在进行的对更廉价原料(如百草枯糖、合成气)的研究、持续的发酵系统、以及新的分离技术(如“异地”产品清除)旨在弥合经济差距。 公私伙伴关系和碳定价机制也可以激励采用。

未来创新

接下来的工业生物技术浪潮可能涉及细胞无酶系统,在活细胞之外运行纯化酶,这避免了微生物生长的许多限制(如底物毒性和有限的代谢通量),并能够加速过程发展。 人工智能和机器学习正在应用来预测酶性能,优化代谢途径,以及设计高效的生物反应器。 此外,电生技术 — — 将电化学与生物催化剂结合 — — 提供了将CO2和可再生电循环到燃料和化学中的新途径,有效地将间歇性可再生能源储存在化学债券中。

结论

生物技术为减少工业过程在多个部门的碳足迹提供了有力的工具。 从酶催化物和微生物发酵到生物补救和合成生物学,这些方法能够使清洁生产、资源效率和废物最小化。 尽管成本、可扩展性和监管方面的挑战依然存在,但持续投资于研究、强有力的政策支持和跨行业合作能够释放生物解决方案的全部潜力。 随着全球对可持续产品需求的增加,工业生物技术是向低碳经济转型的基石。