重新发明的生物燃料：Synbio&；清洁能源转型

下一代净零世界燃料 作者 合成生物学（SynBio）有潜力使生物燃料成为航空、航运和重工业等难以减排领域的可规模化、高性价比的脱碳解决方案。工程化生物体和转化工艺的进步将有望解锁新的原料、提高产量并降低排放。随着监管的演变和创新加速，能源领导者有机会塑造一个全新、具有竞争力的生物基燃料经济。 路易斯·德尔·巴里奥·卡斯特罗弗朗西卡·托马斯弗朗西斯科·冈萨雷斯伊纳西奥·德·维森特-图托 迈向可持续能源的未来 电气化是实现脱碳目标的核心。 向可持续未来转型需要解决方案，以显著减少温室气体（GHG）排放，并最大限度地减少对化石燃料的依赖。联合国（UN）报告称，目前全球超过80%的能源消耗来自化石燃料，这约占全球温室气体排放量的75%。为在2050年实现净零排放目标，国际能源署（IEA）估计，石油衍生产品的需求必须减少70%以上，以符合气候目标。 电力化也带来了诸多技术难题。必须扩建和改造电网，并使需求更加灵活，以避免代价高昂的失衡、削减和瓶颈。这些限制为替代燃料打开了大门。生物燃料尤其作为一种务实的补充获得了关注——它非常适合于电气化难以实现的领域，同时仍与全球气候目标大体保持一致。 为此，在全球层面，依据《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）通过的《巴黎协定》等协议，为近200个国家设定了具有约束力的气候目标。欧盟已建立监管框架，例如《欧洲绿色协议》，以强制要求大幅减排。 生物燃料作为可持续替代方案 生物燃料因其潜在的温室气体减排能力高达90%（具体取决于原料和生产方法）而极具吸引力。它们也是可再生的，并且在许多情况下是循环利用的——通常源自原本会被浪费的废弃物流，从而促进更高效、更少浪费的经济。然而，并非所有生物燃料都一样。早期一代的生物燃料严重依赖玉米、甘蔗和植物油等陆生作物（如图1所示，按运输方式划分的燃料箱相对电池重量），这些作物与粮食生产竞争，并引发了关于土地使用和可持续性的复杂问题。电气化是实现脱碳化的关键，但它并非万能药。在钢铁、水泥和化工等行业，由于工艺需要超过500°C的温度，电气解决方案在规模上仍然技术上不可行。重型运输也面临类似的挑战（见图1）：电池在能量密度和续航里程方面仍有不足，不适合为长途卡车、货船或飞机提供动力。在这些领域，替代技术将是必不可少的。 意味着 根据《可再生能源指令》（RED III）的欧洲法规通过设定运输领域食物作物衍生生物燃料在能源结构中的比例为7%（见图2），并计划在2030年将其降至1%来限制这些局限性。这些限制凸显了转向替代原料和更可持续技术的必要性。 作为回应，第二代生物燃料应运而生，它们利用农业废弃物和木质纤维素等非食用生物质，从而减少了与粮食生产的竞争。 代生物燃料包括微藻等光合生物，与传统陆地作物相比具有显著优势。它们能在咸极端环境中生长，从而消除了对农业资源的竞争。然而，第三代生物燃料仍面临生本高、能源消耗密集以及商业化规模有限等问题。 生物燃料的演变导致了四个不同的世代，每个世代都以原料和生产方法的进步为标志（见图3）。第一代生物燃料基于可食用的生物质，为该行业奠定了基础，但也与粮食生产造成了资源竞争。 第四代生物燃料技术由合成生物学驱动，承诺通过基因改造优化生物体来克服这些障碍。这种方法最大限度地提高了生物燃料所必需的脂质和糖类的产量，并充当一座技术桥梁，在开发扩大第三代规模解决方案的同时提升第二代效率。此外，合成生物学可以加速微藻的商业化潜力，释放其全部潜力。 生物燃料，在技术创新和可持续发展的支持下，共同构成了能源转型拼图中的关键一环。它们脱碳化挑战性领域的能力，以及与电气化的互补性，使其成为实现可持续能源未来的重要工具。 迄今为止，大多数进展都集中在改进大自然本身已经具备的能力上。 新生物驱动创新 合成生物学代表了生命科学领域的一项革命性方法，它能够设计和构建新型生物系统，同时也能对现有系统进行重编程以执行特定功能。通过结合工程学和生物学原理，它成为应对各行业挑战的关键工具。 基因编辑——利用CRISPR-Cas9、TALENs（转录激活因子样效应核酸酶）和ZFNs（锌指核酸酶）等工具，实现对生物体基因的精确修饰，从而增强或创造新的功能。 合成生物学应用范围广泛，从微调自然到创造全新的生命形式。总的来说，它包括： - 增强——使自然过程更有效（例如，改进细菌分解废物或植物吸收营养的方式） 代谢工程与CRISPR-Cas9技术的结合，特别是，被认为是其中最有效的方法之一——最大化生产力并减少所需的时间以实现进步。 增强——赋予生物体它们自然不具备的能力，例如可以生产生物燃料的酵母或可以检测毒素的细菌 生物燃料领域的早期采用潜力 函数创建——添加全新的函数，例如编程单元以充当生产稀有化学品或药物的微型工厂 利用其他行业取得的进展，可以加速SynBio在生物燃料领域的早期应用。医疗生物技术和制药等行业通过先进的微生物设计和生物过程技术，为SynBio铺平了道路。类似地，化工和农业行业为生物基化合物的可持续和规模化生产提供了成功的范例。燃料本身受SynBio的影响最小。然而，它们可以利用这些领域的发展来加速SynBio的采用（见图4）。 - 生命系统创造——从零开始构建生命，并设计用于特定目的的完全合成生物（例如，清理漏油或捕捉碳） 尽管可能性广阔，迄今为止大多数进展都集中在改进自然界已有的功能上。这些更实用的创新正帮助为可扩展的实际应用奠定基础。 例如，制药业中酶设计的进步已被证明对于优化代谢途径至关重要，而这一能力可直接应用于生物燃料生产。同样，农业中培育耐逆性和优化作物能够启发对生物燃料所用原料的改进。如前所述，通过借鉴这些进步，合成生物学可以加速生物燃料的推广，并在关键领域促进可持续性。 关键技术 & 工具 这些创新得益于一套强大的方法，这些方法能够对生物系统进行精确的修改和设计。核心技术包括： 代谢工程——设计和优化代谢途径，以最大化特定化合物（如脂质和糖）的生产。 图4.当且如何时，合成生物学将影响一个行业 观点 这些行动包括制定资助计划以促进该领域的研发与创新，培育能够推动SynBio产业应用的创业和教育生态系统。例如，由欧盟资助的“扩展合成生物学创业生态系统”（SYNBEE）项目。该倡议汇集了欧洲的学术、科研和商业机构，旨在提升SynBio领域年轻专业人士的创业技能，促进该新兴领域的创业活动和企业发展。 新兴监管环境 在欧洲，生物燃料的合成生物学监管仍然有限，主要由现有的转基因生物（GMO）规则管辖。缺乏专门的框架反映了该技术的早期阶段及其在燃料生产中尚处萌芽阶段的作用。相比之下，美国采取了更灵活、以产品为基础的方法，监管职责由环境保护署（EPA）、美国农业部（USDA）和食品药品监督管理局（FDA）等机构根据具体应用划分。同时，新加坡和英国等国家正通过制定更灵活、有利于创新的监管模式，将自己定位为合成生物学的中心。随着该领域的成熟，全球监管策略的差异可能会塑造投资流向和技术领导地位。 尽管针对合成生物学应用于生物燃料的特定监管框架仍存在缺失，欧盟委员会正为这些技术的创新友好和负责任发展奠定基础。这些行动体现了欧洲在向更清洁、更可持续能源转型过程中，引领合成生物学应用的承诺。 认识到这项技术未来的相关性，欧盟正采取措施将欧洲定位为合成生物学领域的领导者。 如图6所示，它可以通过提高油产量、提升糖分供应、减少木质素以及优化酶来解锁多种原料的改进，涵盖微藻、植物油、细菌、木质纤维素生物质、植物糖、油酵母和大藻等，从而强化整个生物燃料价值链。这些进步正在提升生物燃料的可持续性、效率和经济竞争力，使其成为能源转型中的关键工具。 新生物转化生物燃料价值链 对合成生物学日益增长的兴趣体现在2020年以来Scopus中索引科学出版物数量的上升（见图5）。这一趋势突显了该技术在生物燃料原料等关键领域的重要性，其中微藻处于领先地位。 SynBio正通过其创新解决方案，革新生物燃料领域，包括改进图5所示的关键现有原料的科研论文数量、开发新的原料来源、生物质以及优化技术工艺。 这种巨大的潜力已经转化为具体的进展，特别是在传统原料领域，基因工程已带来了可衡量的收益。以微藻如莱因哈特衣藻、三角褐指藻、斜生栅藻和海洋微藻为例，Scopus报告显示，基因工程努力提高了脂质产量——这对生物柴油至关重要——使油脂产量提高了10%-50%。类似地，像油棕、亚麻籽和大豆这样的油料作物也受益于基因过表达和沉默技术，Scopus表明其油分含量和生产力提高了5%-30%。 赛诺生物正以创新的解决方案革新生物燃料领域。 除原料外，合成生物学还在改进生物质转化为燃料的方式。通过使用如酿酒酵母、移动假单胞菌、羧酸分解梭菌和纤维素分解梭菌等工程菌株的发酵工艺进步，正提高将糖和有机残渣转化为生物乙醇和生物丁醇等燃料的转化率——使生物精炼的概念更接近商业现实。 同时，人们也在致力于开发全新的原料。例如，已对油酵母（如解脂酵母）进行改造，使其能更高效地将糖转化为脂质，并增强其对环境胁迫的耐受性。在细菌领域，如恶臭假单胞菌、芽孢杆菌属和蓝藻属等物种正被重新编程以提升脂质和糖的产量——这使微生物成为下一代生物燃料的潜在平台。 这些进步优化了现有原材料，并为新一代更高效、更可持续、经济性更强的生物燃料奠定了基础。通过结合原材料改进、新来源创造和工艺优化，SynBio正将自己定位为塑造生物燃料未来的驱动力。 结论 可持续燃料的战略催化剂 Synbio助力那些电气化难以覆盖领域的实用脱碳。 合成生物学已不再仅仅是一个研究课题，而是公司用来使生物燃料规模化、具备竞争力的工具箱。通过改进原料和转化过程，合成生物学为那些电气化难以覆盖的领域提供了实用的脱碳方案。当前的机会在于将科学进步转化为商业优势，而这一切始于公司今天可以采取的几个具体行动。 与合成生物学初创公司、生物技术公司和研究中心建立战略合作伙伴关系，以便尽早获取创新成果并共同开发解决方案。 启动以微藻和工程微生物等高潜力原料为重点的试点项目，以验证产量和成本改进。 在新兴合成生物学生态系统中占据有利位置，以吸引资金、人才和监管关注。 跟踪不断演变的监管规定，特别是RED III和国家框架，以预见市场准备情况和合规机会。 评估对难以实现电气化的行业（航空、海运、重型运输）的投资组合敞口，并模拟生物燃料替代的潜力。 将合成生物学路径整合到长期净零战略中，以实现低碳燃料组合的多元化。 自1886年以来，Arthur D.Little始终站在创新的前沿。我们是被公认的领导者，致力于将战略、创新与转型连接起来，服务于技术密集和融合的行业。我们帮助客户穿越变化的商业生态系统，发掘新的增长机遇。我们赋能客户构建创新能力，并推动其组织转型。 我们的顾问兼具丰富的行业实践经验，以及对关键趋势和动态的卓越洞察力。ADL 遍布全球主要商业中心。我们自豪地服务于大部分财富 1000 强公司，此外还有其他领先企业和公共部门组织。