综述：从生物质生物合成航空燃料(SAFs)

《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：Biological production of synthetic aviation fuels (SAFs) from biomass

　　

从生物途径生产的合成航空燃料(SAFs)正成为航空部门脱碳的一种实用方式。本综述总结了从可再生碳生产喷气燃料范围分子的进展，并将其与航空涡轮燃料标准规范(ASTM D1655)定义的Jet A和Jet A-1性能窗口进行基准比较。研究人员将候选物分为三个家族：脂肪酸衍生流、醇基前体和异戊二烯衍生烃，并将其性能和升级化学映射到含有合成烃的航空涡轮燃料标准规范(ASTM D7566)认证框架中。研究人员调查了多种微生物宿主在可再生原料上的应用，并强调了在途径和底盘工程以及生物过程强化方面的进展，这些进展提高了滴度、生产率和碳效率。总之，这些进展描绘了一条通往认证、可扩展和成本竞争的SAF供应的实用路线。

**Introduction**
商业航空已设定到2050年实现净零碳排放的长期目标，合成航空燃料(SAF)被广泛预期将承担近期减排的主要部分。数种转化路线已根据ASTM D7566获得认证用于混合，包括来自脂质的加氢处理酯和脂肪酸-合成石蜡煤油(HEFA-SPK)、生物醇的醇制喷气燃料(ATJ)升级以及来自加氢处理发酵糖的合成异链烷烃(SIP)，例如法尼烷(farnesane)。Amyris和TotalEnergies的酵母来源法尼烷成为2014年首个被批准与Jet A混合达10%的生物生产烃类SAF。同样，Gevo的异丁醇基ATJ途径于2016年获批，乙醇制喷气燃料于2018年加入。这些里程碑证明了微生物SAF的技术可行性，但部署仍受成本和规模限制。

**Target SAF compounds**
在此，研究人员将三种SAF家族（脂肪酸衍生燃料、醇基SAF前体和异戊二烯衍生烃）与ASTM D1655定义的Jet A/Jet A-1规范窗口进行基准比较。关键要求包括闪点至少38°C，Jet A最大冰点-40°C，Jet A-1最大冰点-47°C，以及-20°C运动粘度不大于8.0 mm²/s。成分和燃烧也受限制，芳烃≤25 vol%，萘≤3 vol%，烟点≥25 mm，净燃烧热(NHOC)≥42.8 MJ/kg。认证SAF需符合ASTM D7566，并与常规喷气燃料混合。

**Fatty acid-derived fuels**
脂肪酸衍生SAF是由脂质（如油、脂肪和游离脂肪酸）生产的烃类喷气燃料混合组分。与第一代生物柴油不同，这些燃料不含氧原子。脂肪酸通过加氢处理完全脱氧，然后异构化和轻度加氢裂化，转化为直接使用的烃分子。产品以烷烃为主，碳链长度大致为C8-C16，也可能包括环烷烃和受控芳烃。最成熟的类型是加氢处理酯和脂肪酸-合成石蜡煤油(HEFA-SPK)，获准与常规喷气燃料混合达50 vol%。另一种脂质途径是催化热水解喷气燃料(CHJ)，获准混合达50 vol%。第三种路线是加氢处理烃-HEFA-SPK(HC-HEFA-SPK)，获准混合达10 vol%。

**HEFA-SPK**
HEFA-SPK通过甘油三酯或游离脂肪酸的加氢脱氧、加氢异构化和轻度加氢裂化生产，产出的喷气燃料范围产品以异链烷烃为主。典型性质在15°C密度为730-770 kg/m³，充分异构化后冰点极低（-51°C），质量能量含量约44 MJ/kg。实际飞行测量显示，100% HEFA-SPK相比Jet A-1可减少35%非挥发性颗粒物和56%凝结尾迹冰晶。

**CHJ**
催化热水解喷气燃料(CHJ)在热压缩水中将脂质转化为生物原油，随后加氢处理和异构化，产生包括烷烃、异链烷烃、环烷烃和少量芳烃的宽烃分布。该途径获准与常规喷气燃料混合达50 vol%，商业商标为ReadiJet?。

**HC-HEFA-SPK**
HC-HEFA-SPK通过共处理常规脂质原料与特定藻类衍生烃（如Botryococcus braunii的三萜类化合物），然后加氢处理、脱氧、加氢异构化和分馏，获得喷气燃料范围馏分。该路线于2020年作为ASTM D7566 Annex A7加入，混合限量为10 vol%。

**Alcohol-based SAF precursors**
醇是另一类重要的SAF前体。常见低分子量醇如乙醇和丁醇可通过发酵从生物质大规模生产，但它们本身不适合作为直接使用的喷气燃料。因此，当前方法通过醇制喷气燃料(ATJ)过程将醇催化升级为烃。典型的ATJ途径包括醇脱水生成烯烃，烯烃低聚成更长链分子，然后加氢和分馏，得到类似常规喷气燃料的合成石蜡煤油。

**ETJ pathway**
乙醇是最广泛生产的生物醇，可通过酵母发酵糖或淀粉作物获得。乙醇不能直接用于涡轮发动机，需通过ATJ步骤转化为喷气燃料范围烃。乙醇脱水生成乙烯，低聚成C4-C10烯烃，进一步反应形成C8-C16烃。该路线于2018年获得ASTM D7566 Annex A5认证，作为ATJ-SPK，获准与常规Jet A混合达50%。

**Butanol as SAF feedstock**
丁醇是另一种生物醇，具有比乙醇更高的能量密度和更低的吸水性。异丁醇(2-甲基-1-丙醇)可通过代谢工程从糖生产。首个ASTM认证的ATJ途径(Annex A5)即基于异丁醇，2016年获准混合达30%。与乙醇相比，丁醇升级为喷气燃料范围烃更直接，脱水生成异丁烯后只需有限低聚即可达到C8-C12煤油范围产品。此外，2023年批准的ASTM D7566 Annex A8 (ATJ-SKA)允许使用混合C2-C5醇生产喷气燃料的链烷烃和芳烃部分。

**Isoprenoid-derived hydrocarbons**
异戊二烯类化合物提供模块化途径生成直接使用的SAF混合组分：单萜烯(C10)、倍半萜烯(C15)和更大异戊二烯类化合物可通过生物方法从C5前体生产，然后通过加氢、异构化、环化和低聚轻度升级，以调整符合Jet-A/A-1的相关性质。

**Monoterpenoids**
单萜烯(C10)是可行的直接使用SAF混合组分，适度升级可调节挥发性、低温流动性和能量密度。关键示例是柠檬烯(limonene)。加氢后的柠檬烯生成对薄荷烷(p-menthane)，具有低粘度和低烟尘前体特性。对伞花烃(p-cymene)提供密度杠杆，1,8-桉叶素(1,8-cineole)作为前体毒性较低。芳樟醇(linalool)可升级为异构化加氢芳樟醇(IHL)或高密度组分RJ-4。双环单萜烯如桧烯(sabinene)和3-蒈烯(3-carene)加氢后保留环丙烷环，提供额外密度和体积能量。

**Sesquiterpenoids**
倍半萜烯(C15)涵盖无环至四环骨架。法尼烯(farnesene)是研究充分的示例，可在酿酒酵母(S. cerevisiae)中工业规模生产，加氢得法尼烷(farnesane)，具有高质量NHOC和低冰点。2014年，ASTM批准了加氢处理发酵糖-合成异链烷烃(HFS-SIP)途径(Annex A3)，混合限量为10 vol%。其他倍半萜烯如红没药烯(bisabolene)、β-石竹烯(β-caryophyllene)和多环倍半萜烯（如α-雪松烯(α-cedrene)）可通过加氢、异构化等升级为高密度、高体积能量组分。

**Other isoprenoids**
异戊二烯(isoprene)可通过[4+4]环加成和加氢生成1,4-二甲基环辛烷(DMCO)，具有喷气燃料兼容性质。松香衍生二萜类化合物（如枞酸(abietic acid)）可通过加氢处理生成低冰点环烷烃。三萜类化合物/藻类油脂被认可为HC-HEFA-SPK。

**Microbial production of SAF candidates from diverse biomass**
**Fatty acid-derived fuels**
脂肪酸起源于微生物中的脂肪酸合酶(FAS)循环。乙酰辅酶A被羧化，链延伸生成C14~C18酰基载体蛋白(ACP)，硫酯酶释放游离脂肪酸(FFAs)。产油酵母通过Kennedy途径将酰基辅酶A导向三酰甘油(TAGs)。反向β-氧化(rBOX)提供ATP高效、模块化的延伸途径。这些生物路线产生三种中间体池：FFAs、TAGs和直接烃。FFAs和TAGs经加氢脱氧、异构化和轻度加氢裂化生产HEFA-SPK或CHJ。在E. coli中，CRISPRi引导底盘在甘油上产生35.1 g/L FFAs。在Pseudomonas putida中，RB-TnSeq引导敲除获得670.9 mg/L FFAs。在甲醇上，Pichia pastoris通过全局乙酰辅酶A供应重编程达23.4 g/L FFAs。Ogataea polymorpha通过适应性实验室进化(ALE)和途径工程达15.9 g/L。产油酵母如Yarrowia lipolytica在葡萄糖上通过推拉工程达99 g/L TAGs。在粗甘油上，Y. lipolytica两阶段过程达13.6 g/L。挥发性脂肪酸(VFAs)支持Y. lipolytica在乙酸盐上达10.11 g/L。直接微生物烃生产通过酰基-ACP还原酶(AAR)和醛脱甲酰基加氧酶(ADO)途径、细胞色素P450脂肪酸脱羧酶OleT、非血红素二铁脱羧酶UndA/UndB以及蓝光脂肪酸光脱羧酶(CvFAP)实现。在E. coli中，AAR/ADO途径在甘油补料分批中达1.31 g/L正烷烃。Y. lipolytica中CvFAP在葡萄糖上达1.47 g/L烷烃/烯烃，在麦秆水解液上达242 mg/L。

**Alcohol-based SAF precursors**
微生物醇产生于核心生化路线：经典发酵脱羧和丙酮酸还原为乙醇、Ehrlich途径形成高级杂醇，以及工程化2-酮酸途径生产支链C4~C5醇。这些醇通过ATJ升级为符合Annex的组分。在酿酒酵母中，工业极高重力(VHG)发酵达17.1% (v/v)乙醇。木糖利用工程使XI底盘在稻草水解液上达18-21 g/L。在Clostridium thermocellum中，整合生物加工(CBP)直接转化纤维素达26.7 g/L乙醇。产乙酸菌气体发酵通过Wood-Ljungdahl途径固定CO/CO₂和H₂生产乙醇，Clostridium autoethanogenum支撑商业部署。在E. coli中，异丁醇生产通过缬氨酸途径重编程，初始达22 g/L，原位汽提后超50 g/L。在甘蔗渣水解液上，Enterobacter aerogenes达23 g/L。Gevo公司的集成发酵技术(GIFT)报告有效90 g/L异丁醇。

**Isoprenoid-derived hydrocarbons**
微生物异戊二烯类化合物生物合成始于异戊烯基二磷酸(IPP)和二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)的生成，通过甲羟戊酸(MVA)途径或甲基赤藓醇磷酸(MEP)途径。链延伸异戊烯基转移酶生成香叶基二磷酸(GPP, C10)和法尼基二磷酸(FPP, C15)，萜烯合酶转化为单萜烯和倍半萜烯。在E. coli中，柠檬烯在甘油上通过两相补料分批达7.3 g/L。芳樟醇在Pantoea ananatis中达10.9 g/L。法尼烯在酿酒酵母中通过中心碳代谢重编程达130 g/L（200,000 L发酵罐）。在E. coli中，β-法尼烯在甘油上达8.74 g/L，在粗甘油上达10.31 g/L。在Y. lipolytica中，α-法尼烯在葡萄糖上达25.5 g/L，在油酸上达35.2 g/L，在废食用油上达31.9 g/L。在P. pastoris中，甲醇过程达3.28 g/L。红没药烯在酿酒酵母中通过温度转换和代谢组学指导达18.6 g/L。在Rhodotorula toruloides中，玉米秸秆水解液上红没药烯达20.8 g/L。其他异戊二烯类化合物：异戊二烯在Synechocystis中证明，工业披露60 g/L气态过程。异戊烯醇(isoprenol)在E. coli中通过IPP旁路MVA途径达10.8 g/L。异戊烯基乙酸酯(IPA)通过IPP旁路和醇酰基转移酶优化达28 g/L。

**Future outlook**
**Strain engineering**
工程化途径施加氧化还原和ATP负担，产品毒性抑制通量和生长。动态控制分离生长和生产阶段可减轻代谢负担。选择稳健底盘，如溶剂耐受的P. putida，通过基因组规模代谢模型(GSMM)指导，实现异戊烯醇10倍滴度提升。真核生物中区室化（如酵母过氧化物酶体靶向）反复提升倍半萜烯产量。AI指导的菌株设计结合机器学习算法和GSMM，用于优先化编辑。原位产品回收（如两相萃取）将柠檬烯最低抑制浓度提高700倍。

**Scale-up**
大型反应器引入氧、pH和底物梯度，导致异质生理。计算流体动力学(CFD)指导的规模缩小框架可在实验室规模复制大型反应器异质性。从批式转向连续或细胞循环模式可提高时空产率。对于抑制性或稀释产品，覆盖萃取、汽提、渗透蒸发和树脂/膜捕获可降低毒性。高固体（高重力）发酵使用浓缩生物质浆液提高产品浓度。

**Feedstock constraints**
SAF生产应多样化碳输入，超越单一生物质类别。木质纤维素水解液成分可变，携带抑制剂如糠醛和羟甲基糠醛(HMF)。可持续脂质供应限制HEFA产量。因此，多样化碳源是实用的，如废衍生挥发性脂肪酸、回收碳路线（CO或CO₂/H₂）生产醇和含氧化合物，通过认证ATJ和费托(FT)升级。

**Economics**
生物基SAF目前比化石喷气燃料昂贵2-8倍。过程强化（高固体、连续操作、集成回收）可降低最低售价。AI/ML指导设计、模块化途径交换和动态通量控制缩短DBTL循环。与炼油厂共定位或共处理可降低资本支出。

**Certification and deployment**
航空认证路径在ASTM框架内严格定义：D4054管理评估，D7566定义批准合成路线，D1655管理最终混合燃料。截至2025年3月，11种生产途径获批准，混合限量通常10%-50%。ATJ-SPK覆盖乙醇和异丁醇混合达50%，法尼烷SIP先例为异戊二烯类化合物提供路径。商业经验集中在少数路线：Neste报告150万吨/年SAF能力，LanzaJet自由松树工厂设计900万加仑/年SAF，Amyris在Brotas规模达5000万升/年法尼烯，Gevo演示异丁醇制喷气燃料。

**Conclusions**
生物路线到可持续航空燃料已从概念走向可信。在脂肪酸、醇和异戊二烯平台，途径设计（如CRISPR编辑、动态控制、区室化）和系统级菌株优化已实现关键喷气前体克/升级滴度，并实现炼油厂兼容升级至ASTM D7566组分。原料范围已扩展至木质纤维素水解液、粗甘油、废脂质、VFAs、甲醇和CO/CO₂。未来优先事项是提高滴度、速率和产率，增强底盘对产品毒性和水解液抑制剂的耐受性，通过原位移除和连续操作简化回收，并共同设计微生物合成与催化升级，以高效满足喷气燃料规范。