“我向你保证，未来的某一天你会穿着我们用回收碳制成的瑜伽裤。”2018 年，LanzaTech 的首席执行官 Jennifer Holmgren 博士在接受外媒采访时如此许诺，如今，其愿望即将成为现实。
日前，基于气体发酵技术的碳回收商 LanzaTech Inc. 宣布将与运动服装公司 Lululemon（NASDAQ：LULU）开展合作，制造出世界上第一种使用回收碳排放纺织的纱线和织物，以避免将更多的废气排放到大气中。
LanzaTech 利用合成生物学技术改造了一种来自于兔肠道的梭菌，可将废碳源发酵产生乙醇。乙醇后续将继续用于聚酯合成工艺，这一工作由 LanzaTech 与合作伙伴 India Glycols Limited (IGL) 和台湾纺织生产商远东新世纪 (以下简称 FENC，TWSE: 1402) 共同完成。
这家常年跻身于 “50 家生物经济热门公司” 榜单的企业收获了来自多个国家投资机构的青睐。经过 7 轮融资活动，LanzaTech 已经募集了超过 2.8 亿美元的资金，其背后投资者包括了 Khosla Ventures、K1W1、启明创投、马来西亚国家石油公司、诺和控股、普锐特冶金、中国国际金融有限公司（CICC）、Suncor、中国国际投资公司（CITIC）和中石化资本等。
今年四月，LanzaTech 刚刚获得了全球最大的综合能源和化工企业之一的中国石化集团的产业投资部门 —— 中石化资本的投资，该合作的重点是促进废碳直接生产化学品。
基于微生物的碳回收技术
聚酯纤维是服装业中使用最广泛的化学合成纤维之一，在过去，其制造原料通常来自于各类石油基分子。现在，FENC 将使用以 LanzaTech 技术生产的乙醇制成 FENC®TOPGREEN®Bio3-PET 纤维，这种来自于工业废气的新型聚酯不仅具有与原生聚酯相同的外观，而且还具有相同的性能和功能。
其中，获取自 LanzaTech 的原料乙醇将各种工业或家庭废物来源的混合废气实现了循环再利用。基于 LanzaTech 的特殊微生物发酵工艺，将其中的碳回收制成乙醇或其他化学原料。这个过程就像传统的发酵一样，只是除了糖和酵母之外，还有效使用了废气中的碳。
据 Jennifer Holmgren 介绍，碳回收的利用能够使像 Lululemon 这样的公司逐步摆脱化石资源，为其产品带来循环性，从而实现改善气候变化的目标。这类利用碳回收技术转化出的消费品被称为 “碳智能（CarbonSmart）” 产品。
成立于 2005 年的 LanzaTech 由 Sean Simpson 博士和已故的 Richard Forster 博士共同创立。最开始，他们偶然发现了一篇学术论文，该论文研究称可以利用细菌消耗一氧化碳并产生乙醇，他们由此想到了可以利用生物学技术大规模地消耗废气排放。
在研究气体发酵过程中，Simpson 和 Forster 发现了一种来自于兔肠道的细菌，即自产乙醇梭菌（Clostridium autoethanogenum）。在这之后，他们花了两年时间来改造并培育细菌，使其能够在没有昂贵化学品和维生素的情况下承受肮脏废气，并且产生大量的乙醇。
在 2017 年发布于 Metabolic Engineering 杂志的论文中，Simpson 等人详细描述了该类菌种的碳合成途径，其中包括两条主要路线：即还原性乙酰辅酶 A 通路（红色箭头），直接通过两步使用双功能醛 / 醇脱氢酶 (AdhE)、CoA 依赖性乙醛脱氢酶 (Ald) 和乙醇脱氢酶 (Adh)，将乙酰辅酶 A、乙醛连续还原为乙醇，其他一些产乙醇细菌包括大肠杆菌等均使用该路径；另一条为假设的间接途径（绿色箭头），通过使用乙醛铁氧还蛋白氧化还原酶 (AOR)，在经过 Adh 合成乙醇之前先将乙酸还原为乙醛。
图丨 Clostridium autoethanogenum 中的碳固定路径（来源：Metabolic Engineering）
作为一种常用的化能自养微生物，梭菌已成为第三代固碳生物炼制的良好宿主之一。除了乙醇之外，利用梭菌合成的常见产物还有乙烯、丁醇、丁酸、2 - 氧代丁酸酯和 2，3 - 丁二醇等。基于细菌的气体发酵技术形成了 LanzaTech 的核心技术，在今年四月份，该公司已经获得了基于该领域的第 1000 项专利。
与中国企业达成多项合作
2011 年，LanzaTech 香港有限公司与中国首钢集团组成了合资企业北京首钢朗泽新能源科技有限公司。
2018 年，LanzaTech 与首钢集团京唐钢铁厂合作，在中国河北省曹妃甸建立了世界上第一座商业废气乙醇工厂，利用梭菌将其钢厂废气应用于商业化合成乙醇（年产能 4.6 万吨）及蛋白饲料（年产能 5000 吨）。至 2019 年，该工厂首年运营便生产了超过 3 万吨乙醇，这相当于从大气中保留了超过 120,000 公吨的二氧化碳。
图丨首钢集团京唐钢铁厂将其工业废气制成乙醇（来源：LanzaTech）
今年 5 月，由北京首钢朗泽新能源科技有限公司旗下合资公司出资，在宁夏石嘴山市平罗县建立的全球首套利用铁合金工业尾气制燃料乙醇项目已经正式投产。该设备预计年产燃料乙醇 4.5 万吨、蛋白粉 5000 吨，实现产值 3.3 亿元人民币，每年可减少二氧化碳排放 18 万吨。
除纺织业之外， LanzaTech 的合作伙伴还涉及到航空业、家庭护理等多个领域公司，其下游产品也已经包含了航空燃料、日化包装、香水、洗衣粉和家用清洁剂等。
图丨 LanzaTech 部分合作伙伴（来源：LanzaTech）
早在 2011 年，LanzaTech 就与不久前上天的维珍集团创始人 Richard Branson 爵士达成了合作，向其供应由碳废气制成的喷气式飞机燃料。在 2018 年，使用 LanzaTech 乙醇生产的燃料已经被维珍航空用于商业航班。
图丨 2011 年 LanzaTech 和维珍航空宣布合作，LanzaTech 首席执行官 Jennifer Holmgren 与 Richard Branson 和时任维珍航空首席执行官 Steve Ridgway 在伦敦巴特西发电站前（来源：Virgin Atlantic）
今年四月份，由 LanzaTech 与 India Glycols 和联合利华合作制造的新型奥妙洗衣胶囊已经进入中国市场，这种洗衣胶囊的 “奥妙” 之处在于使用了由工业回收碳制成的表面活性剂以取代传统取材于化石燃料的配制手段。据悉，联合利华在 2020 年的消费者调查数据显示，87% 的中国消费者认为气候变化与 Covid-19 一样严重，是所有接受调查的国家中最高的。
第三代固碳生物炼制
LanzaTech 还致力于通过细菌将污染物转化为燃料和化学品，利用大气中的 CO2 和可再生能源，例如光 、废水中的无机化合物 、光伏电池和风能等可持续资源产生的电能来进行生物生产，这一技术也可叫做第三代生物炼制技术。
第一代生物炼制，主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料； 第二代生物炼制，原料主要为非粮食生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等；第三代生物炼制，直接以 CO2 为原料进行微生物利用，生产燃料与化学品。
图丨浅绿色部分（左）为第一代生物炼制；蓝色部分（中）为第二代生物炼制；绿色部分（右）为第三代生物炼制（来源：合成生物学）
与第一代和第二代生物炼制相比，第三代固碳生物炼制不仅对粮食和水的供应安全威胁要小得多，还可直接实现温室气体二氧化碳的消耗。目前已有几家公司实现了基于二氧化碳的商业化生物制造。除了 LanzaTech 之外，Algenol 也在利用微藻将二氧化碳转化为生物燃料。
目前的第三代固碳生物炼制的发展仍然远远落后于传统的生物工艺，利用合成生物学改造和拓展微生物代谢网络，甚至合成全新的人工生物系统，正在成为第三代固碳生物炼制的核心技术。
第三代固碳生物炼制以二氧化碳作为化工原料拥有两大优势：一是作为原料，成本低廉且来源丰富；二是对环境友好，可吸收消耗温室气体。相对于从化石资源获得产品，虽然第三代固碳生物炼制的成本目前还比较高，但是由于其可以消耗二氧化碳，目前政府可为其提供一定的减排补贴，第三代生物炼制部分产品已实现商业化。
参考资料：
  • https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717617300319#f0005
  • https://www.lanzatech.com/2021/07/13/lanzatech-and-lululemon-partner-to-create-the-first-fabric-using-recycled-carbon-emissions/
  • https://www.lanzatech.com/2018/06/08/worlds-first-commercial-waste-gas-ethanol-plant-starts/
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