CREST | 延世大学Lee团队：变废为宝——通过生物途径转变原料、废物和残渣为生物基产品

导读

韩国延世大学Dong-Woo Lee团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“利用原料、废物和残渣作为可再生资源的生物基产品的生物路径的研究现状和未来前景（Current status and future prospects of biological routes to bio-based products using raw materials, wastes, and residues as renewable resources; 2022, 52(14): 2453-2509）”的综述。

全球对自然资源需求的日益增长将可能最终超过其承受能力，尤其是在食品、清洁水、能源、动物饲料、服装和住房材料等方面。当前石化商业产品的大量生产对全球自然资源储备和自然环境保护构成了严重威胁。近几十年来，社会做出了巨大的努力来增加不可利用的生物质作为石化替代原料的可用性，并减少环境污染，以实现可持续的生物经济。目前有多个新兴的生物部门致力于生产生物基产品，以利用生物质原料的生物工艺替代石化等价物。事实上，包括新陈代谢工程和基于基因组系统生物学方法在内的先进微生物发酵技术已经使利用工程平台细胞设计和开发新的生物基精炼技术成为可能。该综述工作主要关注了微生物发酵辅助生物工艺领域的最新进展，讨论了从生物质原料生产生物基产品的生物途径的现状，以及它们对可持续生物经济和减缓环境恶化的未来贡献。此外，该工作还讨论了生物基产品的应用和仍然存在的技术障碍，并评估了可能的生质能提炼技术。图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

研究表明包括生物废物在内的各种有机残留物已被用作生物精炼工艺的原料，以生产低碳产品、功能性化合物和生物燃料。来自农业、林业和工业潜在的生物质原料主要由纤维素、淀粉、糖、半纤维素、木质素、油和蛋白质等组成（图2）。生物质大体可分为木质纤维素生物质、林业生物质、农业生物质和废弃生物质。其中，木质纤维素生物质是许多生物基产品和生物燃料的丰富原料。这些纤维状、不可食用的植物材料可以转化为各种化学品、先进的生物燃料化合物和其他功能分子（图2），且不与人类食物或专用能源作物产生竞争。

图 2 生物质原料和生物基原材料到成品的潜在生产链

木质纤维素生物质可气化产生生物合成天然气（BioSNG），其可作为能源驱动型生物精炼厂的平台来生产电力、热能、费托柴油、H2、CO2和其他化学品（图3）。沼气和CH4主要由湿生物质的厌氧消化产生，优化CH4产量和来自沼渣流的额外营养价值可以进一步提高沼气生产的价值。此外，许多生物基燃料和平台化学品（如醇和有机酸）可以从淀粉和糖作物中生产出来，作为C5/C6糖平台的原料。C6糖平台在生物发酵和化学转化以生产各种化学构件方面变得极具竞争力（图3）。目前的糖/淀粉生物精炼厂将逐渐过渡到使用源自半纤维素的混合C5/C6平台来生产生物燃料和发酵产品。除了生物基燃料和构件之外，高附加值的食品和饲料化合物、表面活性剂和润滑剂都可以通过不同生物精炼装置的组合以植物油、藻油和有机溶液为平台来生产。并且，来自生物质原料转化的化学品可用作各种高附加值产品的基础化学品和工业化学品（图3）。

图 3 生物质原料生物转化为生物基产品的流程图

食品工业和有机聚合物合成都对乳酸有大量需求。传统的乳酸工业生产是通过微生物发酵玉米、小麦和甘蔗中的糖，以及从煤或原油衍生的乙醛化学合成来实现的。目前，超过90%的乳酸生产是通过微生物发酵进行的，因此使用廉价的生物质作为原材料有助于发展低成本的乳酸生产方法。微生物可被操控以增加生物基产品产量的四种靶向途径包括类异戊二烯途径、发酵途径、2-酮酸途径和脂肪酸途径，分别由紫色、橙色、蓝色和绿色表示（图4）。最新研究已尝试在微生物（如副干酪乳杆菌和芽孢杆菌）发酵中使用包括淀粉、木质纤维素、乳清和糖蜜在内的原材料来生产乳酸。乳酸生产滴度可高达99和185g/L。尤其是在破坏D-乳酸脱氢酶基因后，副干酪乳杆菌表现出对抑制剂的高耐受性，并实现了以高生产率生产光学纯乳酸，展示了使用农工业废料和木质纤维素生物质作为基底大规模生产乳酸的前景。

图4 用于生产先进生物燃料和增值产品的代谢途径工程

总结与展望

该工作概述了使用原料、废物和残渣作为可再生资源的生物基产品的生物途径的最新进展。充分利用生物质原料仍存在一定的技术和经济难题，如原材料预处理、生物过程可持续性、产量及纯度的提升。创新工艺的开发及其加工残留物的增值可以增强其供应链和价值链。就生物基化学品而言，降低对石油的依赖和原料多样化可促进可持续性发展并产生创新性产品。生物能源的未来很可能面向能源生产和高附加值化学品的生产，以实现具有成本效益的生物能源生产。

使用生物催化剂辅助的生物精炼技术的最新进展可大力促进未来生物经济的繁荣。然而，生物经济形态受到许多外部因素的影响，例如地理位置、产品细分的规模和类型、人口、收入、消费者、能源消耗、自然资源的可用性、成本以及可用的技术。为了实现繁荣的生物经济，需要有针对性的科学研究和跨领域的全球合作，以及安全可靠的生物质利用和气候保护。总之，科学的技术方法连同适当的政策实施，可以促进生物经济的未来设计和发展，同时保护生物多样性和生态环境。

作者简介

第一作者简介：

Ji-Young Lee，韩国延世大学生物科技学院理学在读博士生，已发表SCI收录论文2篇。

通讯作者简介：

Dong-Woo Lee，韩国延世大学生物科技学院副教授，博士生导师。2004年于延世大学生物科技学院获得博士学位，2010年于宾夕法尼亚大学完成博士后研究工作。2010年至2012年在韩国生物科学与技术研究所出任资深研究科学家，之后在2012年至2018年于庆北国立大学出任助理教授。主要从事极端微生物、生物催化剂、肽组学等方面的研究工作，发表SCI收录论文100余篇，引用达3900余次，h指数为31。

|供稿：马宾

|编排：曾镜羽

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