一碳生物制造的可持续经济革命：迈向碳中和的工业化路径与挑战

本文综述了一碳(C1)生物制造在替代化石原料、实现化学工业去碳化中的关键作用。研究人员通过案例研究分析了C1生物制造商业化的经济与技术壁垒，提出提升成本竞争力的路线图，揭示了其作为传统化学生产可持续替代方案的潜力，为碳中和目标提供了可扩展的解决方案。

　　

随着全球对化石资源的依赖导致资源枯竭和环境问题加剧，化学工业亟需向可持续模式转型。一碳(C1)生物制造利用CO₂、CO、CH₄等废弃温室气体作为原料，通过微生物或酶催化生产高值化学品，被视为实现循环碳经济的关键技术。然而，当前C1生物制造面临碳转化率低（<10%）、原料供应不稳定、生产成本高等产业化瓶颈，严重制约其商业化进程。

为突破这些限制，由陕西高校青年创新团队等机构的研究人员Chenyue Zhang、Qiang Fei等联合国际学者，在《Nature Communications》发表研究，系统评估了C1生物制造的经济与环境效益。研究通过技术经济分析(TEA)和生命周期评估(LCA)框架，对比了钢铁厂尾气生物转化与CO₂-甲醇-化学品电生物级联两条3-羟基丙酸(3-HP)生产路径。

关键技术方法包括：1) 构建基于钢铁尾气和CO₂的两种C1原料利用路径；2) 采用nth-plant概念进行工业化规模模拟；3) 整合代谢工程与电催化技术提升碳效率；4) 通过蒙特卡洛法分析参数敏感性。

经济壁垒分析
研究发现，低碳转化率导致生物反应器投资成本占比超92%，且原料成本占运营支出57%以上。以CO生产3-HP为例，若碳转化率从0.21 g/g提升至0.35 g/g，产品最低售价可从6.09美元/kg降至3.66美元/kg。电生物级联路径因利用太阳能制氢，成本较纯生物路径降低39%。

原料供应挑战
C1原料（如垃圾填埋气）日均供应量差异达30倍，地域分布分散。研究提出通过产业协同（如Lanzatech与首钢合作）整合钢铁、垃圾处理等行业的废弃资源，建立稳定供应链。

政策驱动机制
碳税政策显著提升经济性：当碳价从0升至1000美元/吨，产品盈亏平衡价格下降22%。欧盟碳交易体系经验表明，碳价上涨将加速C1技术产业化。

环境效益
相比石化路线，C1路径每吨丙烯酸可减排3.09吨CO₂当量。但直接空气捕集(DAC)单元若依赖天然气，可能抵消部分环境收益，建议改用风光发电等可再生能源。

技术路线图
作者提出四维发展策略：1) 通过合成生物学优化工业菌株（如Komagataella phaffii）；2) 发展"液态阳光"电生物耦合系统；3) 建立跨行业原料联盟；4) 利用TEA降低投资风险。

这项研究为C1生物制造从实验室走向工业化提供了系统性框架，其创新性体现在：首次量化比较不同C1路径的经济环境效益，揭示碳税政策与产业协同的杠杆作用。未来需重点突破C1代谢途径效率（如B₁₂依赖酰基辅酶A变位酶工程），同时开发适应工业环境的耐受菌株。该技术有望重塑化工产业链，推动《巴黎协定》气候目标的实现。