авторы: Тодд Брикс; доктор Фрэнк Кенси
Мировая химическая промышленность находится на перепутье. Более века она полагалась на ископаемое топливо — как в качестве сырья, так и в качестве энергии — для производства материалов, лежащих в основе современной жизни. В настоящее время на эту систему приходится примерно пять процентов антропогенных выбросов CO₂, и она опирается на хрупкую сеть крупных централизованных предприятий, которые всё больше отстают от современных реалий.
Биопроизводство когда-то обещало более щадящую, локальную и возобновляемую альтернативу, использующую микробы и ферменты для превращения сахаров в ценные молекулы. Этот подход неоднократно демонстрировал свои ограничения: сахара конкурируют с продовольствием, требуют земли и воды, оставляют остаточные отходы биомассы, не содержащие сахаров, и неизбежно приводят к росту цен, поскольку пригодное для использования сырье потребляется быстрее, чем оно может быть восполнено. Отрасли давно нужен был третий путь — нечто более чистое, компактное и гораздо более доступное.
Этот путь может начаться с молекулы настолько простой, что ее когда-то игнорировали: формиата; регенерированной жидкой формы — или «родственника» — CO₂. Обладая высокой растворимостью, стабильностью и простотой в обращении, он служит как источником углерода, так и донором электронов, что делает его биологически совместимым посредником между электричеством и культивированием микроорганизмов, чего не могут обеспечить газообразные одноуглеродные молекулы, такие как CO₂ или метан. В новой группе микроорганизмов, эволюционировавших для потребления формиата — известных как формиаттрофы — ферменты превращают его в CO₂, одновременно генерируя восстановительные эквиваленты, необходимые для биосинтеза. За последние несколько лет компания b.fab продемонстрировала и масштабировала биосинтетические пути для синтеза различных молекул, используя проверенные в промышленности и легко управляемые микроорганизмы, такие как E.coli. Платформа уже смогла доказать свой потенциал, производя белки отдельных клеток, лактат, несколько аминокислот, специфические жирные кислоты и предшественники терпенов, такие как мевалонат, в недавней публикации [Cowan2025] . Другие группы исследователей получили моноэтиленгликоль (Рамон Гонсалес, Университет Южной Флориды). Двойная роль формиата — носителя углерода и источника энергии — делает его одним из наиболее эффективных строительных блоков для микробного производства. Поскольку формиат является жидкостью, его можно напрямую вводить в стандартные ферментационные системы без необходимости использования биореакторов под давлением или каких-либо мер ATEX для энергетически насыщенного газообразного сырья. Новые методы биопроизводства используют процессы, требующие огромного количества энергии или высокого давления для диспергирования и растворения газообразного сырья (из-за его плохой растворимости) и его подачи к микробным клеткам. Формат органично вписывается в эту схему, предлагая готовый к использованию источник углерода, полученный из CO₂, который работает с существующими биореакторами и стандартными условиями эксплуатации.
Потенциал формиата также зависит от способа его получения. С помощью электролиза CO₂ уловленный углекислый газ может быть преобразован в формиат с использованием воды и возобновляемой электроэнергии в условиях окружающей среды. Химический процесс прост, но масштабы производства — новые. В 2025 году компания OCOchem продемонстрировала электролизер промышленного размера и пилотную установку мощностью 60 тонн в год, способную с высокой эффективностью преобразовывать CO₂ в формиат. В настоящее время более крупная система интегрируется с биопроизводственным комплексом ADM в Декатуре, штат Иллинойс, создавая непрерывный цикл, связывающий ферментацию, улавливание углерода и электролиз CO₂. Следующая фаза проекта предусматривает увеличение объемов производства до 10 000 тонн в год к концу 2026 года, что свидетельствует о том, что то, что когда-то было академическим исследованием, превратилось в действующую цепочку поставок. Эта интеграция представляет собой нечто большее, чем просто технический прорыв. Она знаменует собой появление практического моста между управлением углеродными выбросами и производством — моста, который связывает доступность уловленного CO₂ с существующими мощностями промышленной ферментации. В производстве биоэтанола образуется почти столько же CO₂, сколько этанола по массе, что напоминает о том, что даже возобновляемое сырье генерирует значительные побочные потоки углерода. Вместо того чтобы выбрасывать этот CO₂ в атмосферу, он может стать самостоятельным ресурсом. Как производители биопродукции могут лучше использовать этот CO₂ для производства большего количества или новых биопродуктов? Формульный путь B.fab дает убедительный ответ: CO₂, выделяющийся в процессе ферментации, может быть уловлен, электрохимически преобразован в жидкий формиат и возвращен в микробные системы для создания дополнительных видов топлива, химикатов и материалов. Таким образом, выбросы, которые когда-то считались неизбежными, становятся интегрированным углеродным резервуаром, который постоянно циркулирует в процессе производства. Формат позволяет избежать многих типичных проблем. Он негорюч, водорастворим и экономически выгоден в обращении. Кроме того, он легко интегрируется с проверенными промышленными микроорганизмами — от кишечной палочки до Clostridium necator , — многие из которых могут расти на одном только формиате при наличии эффективных метаболических путей. В результате получается процесс, который воспринимается не как сбой, а скорее как продолжение — замена ископаемого углерода переработанным углеродом в системах, которые отрасль уже умеет использовать.
При сравнении формиата с глюкозой в качестве источника углерода и энергии картина зависит от организма и метаболического пути. Формат наиболее эффективен для молекул C1–C2 (например, гликолатов, ацетатов, глицина), когда приоритет отдается эффективности использования углерода для достижения более 90% удержания углерода. Для молекул C3 (лактат, аланин, глицерин, 3-гидроксипропанол) совместное использование глюкозы и формиата дает более оптимальные результаты, уравновешивая выход (глюкоза) с восстановительной способностью (формиат). Для биомолекул C4+ (сукцинат, изобутанол, лизин), для которых уже существуют метаболические пути, приближающиеся к теоретическому выходу, глюкоза остается предпочтительным выбором.
При ценах на возобновляемую электроэнергию, близких к двум центам за киловатт-час (примерно на 33–50 процентов ниже, чем сейчас), производство электроформиата может обходиться примерно в 200 долларов за тонну — примерно вдвое дешевле глюкозы. На рынках с углеродными кредитами или стимулами к использованию низкоуглеродного топлива экономические показатели становятся еще более привлекательными. Один электролизер мощностью в один мегаватт может производить около 20 тонн формиата в день, не требуя земли или удобрений и не выделяя чистых CO₂.
Наиболее элегантной особенностью системы является ее цикличность. Каждая молекула CO₂, выделяющаяся в процессе ферментации, может быть уловлена и возвращена в электролизер, где она преобразуется обратно в формиат. Среди углеродсодержащих методов производства только формиат представляет собой реалистичный способ замыкания этого цикла в промышленных масштабах. Он предлагает убедительную модель того, как химия, наконец, может научиться жить в рамках своего собственного углеродного бюджета — превращая отходы в сырье, а выбросы — в возможности.
В компаниях ADM и OCOchem формируется не просто новый процесс, а более устойчивая промышленная логика, которая ценит близость, безопасность и модульность так же высоко, как и производительность. Эти системы не зависят от многомиллиардных мегазаводов; они позволяют размещать более мелкие, распределенные предприятия там, где уже существуют возобновляемые источники энергии и CO₂.
Переход кажется взвешенным и прагматичным, основанным на уроках, извлеченных из десятилетий чрезмерно централизованного производства. Революционный потенциал формиата заключается в его естественной интеграции в существующую инфраструктуру и биологические процессы. Он превращает декарбонизацию из абстрактной цели в рабочий цикл — между электронами и ферментами, отходами и ценностью, глобальными амбициями и местным производством — более универсальную форму промышленного симбиоза. Таким образом, он предлагает простое, но мощное решение для следующей промышленной эры: превращение CO₂ из обузы в жизненно важную часть цепочки поставок.
Ссылки:
Коуэн и др. 2025: Быстрый рост и высокотитровое биопроизводство из возобновляемого формиата с помощью металлозависимой формиатдегидрогеназы в Escherichia coli, https://doi.org/10.1038/s41467-025-61001-y
Тодд Брикс — генеральный директор OCOchem. Доктор Франк Кенси — управляющий директор b.fab GmbH.