导言:发酵规模的碳足迹

发酵是现代工业的基石,它能够生产从啤酒和酸奶到生物燃料、药品和生物化学等所有东西。 然而,在全球范围,使发酵具有多种用途的代谢过程也每年产生温室气体——主要是二氧化碳(]CO2]],在厌氧条件下,甲烷(CH4]。 工业发酵估计贡献了1亿至2亿公吨CO2,这一数字随着生物生态学的扩展而增长。 发展低碳发酵过程不仅仅是一种环境愿望;实现净零目标、遵守严格规定、保持碳可耗尽的世界竞争力,这一技术挑战的提纲将探讨。

了解发酵中的温室气体排放

发酵排放可分为两类: 直接和 间接] 微生物的代谢活动产生直接排放——例如,酵母将糖转化为乙醇释放CO2]作为斯多一计量副产品. 在乙醇发酵中,每吨乙醇的产量大约为 CO2]. . . . . . . . 用于生产沼气的Anaerobic消化器产生甲烷,一种甚至更强烈的温室气体. 间接排放来自供热、冷、混合和消毒的能源以及原料(例如玉米养殖、运输)的上游供应链。

例如,典型的啤酒酿造厂每升排放20-100克CO],而生物乙醇厂每升排放1-3公斤CO2],在制药业,以发酵为基础的抗生素或酶工艺甚至会更需要能源,其排放量在很大程度上取决于该设施是否使用化石衍生的电力或蒸汽。 了解这一基线至关重要:没有明确的排放清单,就不可能有针对性地减少。

低碳发酵关键战略

脱碳发酵需要多管齐下的方法,既解决直接生物排放问题,又解决支持这一进程的能源问题。 下面是最有希望的战略,每条战略都得到新兴技术和现实世界试验的支持。

1. 可再生能源一体化

电网用太阳能、风能或水力发电取代电网可以将间接排放降低50-80 % 。 许多发酵设施都是热量密集型的(比如121°C的消毒),因此从天然气锅炉向电热泵或生物质火蒸汽发电机过渡同样重要。 采用太阳能热力的酿造机等公司报告热能成本下降了30-40%。 对于大型生物乙醇工厂,随着可再生电价的下降,与风力场合用或使用地热热热正在变得经济上可行。

2. 微生物草原工程

遗传和代谢工程可以直接减少CO]单位产品释放的酵母菌株,研究人员已经开发出将碳从CO2] 转移到理想产品,如乳酸或素酸,另一种方法涉及工程微生物表达碳浓缩机制,有效地回收CO2],它们产生并融入生物量或共产物中。合成生物学平台,如CRISPR基因编辑,允许迅速进行菌株设计,目前一些工业菌株的每个批净碳排放量实现20-40%的减少。

3. 碳捕获、利用和储存(CCUS)

由于发酵本身会产生CO2]](通常>95%纯度]的集中流,捕获这种气体比捕获发电厂的稀释排放要容易得多. CO[]CO2]]可以转化为有价值的产品:碳化饮料、干冰、通过氢化甚至碳酸钙等建筑材料。LanzaTech等公司具有商业化的气体发酵工艺,消耗工业废气(包括CO2])生产乙醇。虽然CCUS增加了资本成本,但来自CO2]]销售或碳信用可在35年内抵消这些废气。

4. 可持续饲料

原料选择对发酵的生命周期排放产生极大影响。 玉米、甘蔗和大豆需要肥料、灌溉和土地使用,这些肥料、灌溉和土地使用产生大量的上游[]CO]和一氧化二氮排放。 转向基于废物的原料,如农业残留物、食品加工废物或城市有机废物,可以将摇篮到门的排放降低60-80%。 此外,玉米炉或木屑等乳化原料与粮食作物竞争并不激烈,既解决了环境和道德问题,先进的预处理技术(如蒸汽爆炸、酶水解)现在也变得具有规模的成本效益。

5. 进程强化和混合系统

过程强化涉及重新设计发酵,以便在细胞密度较高时,以较低的能量投入进行更快的操作,例如膜生物反应器不断去除抑制产物,从而提高生产率,减少批量时间. 电发酵——电极供应或提取电子来引导微生物代谢——可以减少氧化剂的需求,并切除[CO2]产量,最高可达50%. 另一个新兴概念是混合发酵催化过程:生物步骤产生中间体(如乙醇),然后催化升级为喷气燃料或化学物质,与完全生物转化相比,能量强度总体降低。

低碳发酵的惠益

采用低碳发酵工艺所产生的效益远远超出遵守气候目标:

  • 降低运营成本: 提高能源效率和降低可再生能源发电量,降低电费和燃料费。
  • 来自碳市场的收益: 核实的减排量可以作为碳入计量出售,或用于提高环境与安全评价评级,吸引绿色投资者.
  • 提升品牌价值:[消费者和工业客户越来越喜欢经过核实的低碳足迹的产品.
  • 监管复原力: 随着碳税和排放上限的收紧,早期采用者避免了资产被困的风险或代价高昂的处罚.
  • 循环经济集成: 利用废物流作为原料并捕获[CO2再利用,关闭材料循环,降低废物管理成本.

例如,一个中型酿造公司,它转换为太阳能热能,并安装一个CO2]回收系统,可以将其碳足迹减少30-50%,并在四年内通过避免的天然气采购来弥补其投资。

挑战和研究前沿

尽管有希望,但扩大低碳发酵面临重大障碍。 技术限制仍然存在:工程微生物的增长率往往下降,或需要选择性压力来维持其改变的代谢。CCUS设备或高压生物反应器的资本成本对主导食品和饮料部门的中小企业来说可能令人望而却步。 废物生物量的储备供应链往往支离破碎,季节性强,为持续运行创造了后勤的复杂性。

监管框架也落后于创新。 比如,许多辖区还没有认识到发酵与CCUS相结合在官方排放核算中的碳负作用潜力,限制了财政激励。 此外,碳捕获[的能源惩罚(10—20%的额外能源使用)必须被廉价可再生能源抵消,以避免仅仅转移排放。

展望未来,研究侧重于以下几个领域:

结论:呼吁采取协作行动

发展低碳发酵过程在技术上是可行的,而且越来越经济,但进步需要工业、学术界和决策者的承诺。 现在投资于可再生能源一体化、先进压力工程和碳捕获的公司不仅将减少其环境影响,而且还将在去碳化经济中获得竞争优势。 试点项目 — — 如IEA生物能源[生物精炼案例研究 — — 证明综合方法能够实现50—70%的减排。 下一个十年将决定发酵这一古老工艺能否被重新塑造为可持续、低碳工业未来的支柱。