综述：从CO2排放到高价值生物化学品的技术增值：生物技术的进展、瓶颈和市场轨迹

《Journal of CO2 Utilization》：From CO? emissions to valorization into high-value biochemicals: Advances, bottlenecks and market trajectories of biotechnologies

本文综述了利用生物技术平台（如微藻培养、厌氧发酵和微生物聚合）将CO2转化为高价值产品（包括替代蛋白、挥发性脂肪酸VFAs和可生物降解的聚羟基脂肪酸酯PHAs）的最新进展。文章通过文献计量分析和技术就绪水平TRL评估，系统梳理了各转化路径的成熟度、关键技术瓶颈、规模化挑战及市场前景，为发展气候中性生物经济提供了重要参考。

　　

1. 引言：变废为宝的CO₂生物转化之路

应对气候变化和全球能源危机的紧迫性，使得采用可持续的资源管理策略（如生物精炼和资源回收系统）变得日益重要。将温室气体排放，特别是丰富的二氧化碳(CO₂)进行增值利用，已成为构建循环、气候中性生物经济的关键支柱。CO₂广泛产生于多种工业过程，其中能源部门是主要贡献者。此外，厌氧消化产沼气过程也会产生富含CO₂的残余气流。这些排放物增加了大气中的CO₂浓度，带来了与气候变化相关的严重后果。因此，迫切需要发展循环经济战略，不仅减少排放，更要将CO₂转化为有价值的资源。

理论上，捕获的CO₂可用于生产任何石油基燃料或化学品，以及其他高价值产品。CO₂的利用途径通常分为：(i)矿化和建筑材料，(ii)催化和电化学转化为燃料及大宗化学品，以及(iii)通过光养或化能微生物进行的生物转化。本文综述的重点是能够利用富含CO₂的残余流（特别是生物源点源）来生产替代蛋白、生物化学品（如VFAs）和生物聚合物（主要是PHAs）的生物转化路线的当前可扩展性和可持续性。

2. 文献计量图谱：揭示CO₂增值的研究前沿

对Scopus数据库进行的文献计量分析，通过关键词共现网络揭示了CO₂增值领域的研究全景。分析涵盖了2019-2025年间发表的15,009篇文献。关键词网络可清晰地划分为八个主要集群，反映了该跨学科领域丰富的研究主题。

这些集群包括：专注于碳捕集、利用与封存(CCUS)技术与催化方法的集群1（红色）；关注微生物生态、生物地球化学循环及气候变化驱动动力学的集群2（绿色）；围绕光合作用生理、碳固定机制及胁迫调控的集群3（蓝色）；聚焦于微藻基生物精炼、废水增值和可再生能源路径的集群4（黄色）；涉及代谢工程、合成生物学及用于生产生物化学品和生物聚合物的微生物细胞工厂的集群5（紫色）；研究二氧化碳移除(CDR)、负排放及矿物碳封存的集群6（浅蓝色）；关注厌氧消化、生物电化学系统及废物能源化的集群7（橙色）；以及围绕高价值微藻产品的集群8（棕色）。这张图谱清晰地展示了CO₂生物增值是一个融合了微生物学、过程工程、材料科学和系统生物学的活力领域。

3. CO₂生物增值领域的现状：技术、市场与环境效益的平衡

CO₂生物转化为高价值生物产品是一个快速发展的领域，众多路径处于不同的开发和商业化阶段。通过技术就绪水平(TRL)、市场潜力、温室气体(GHG)减排和当前生产成本等关键指标，可以对主要生物路径进行直接比较。

总体而言，从CO₂中获取高价值生物化学品和生物聚合物（如VFAs、PHAs）的生物过程近年来受到了越来越多的研究关注。与通常为吸热反应、需要大量能量输入的催化过程相比，生物方法通常更具成本效益。生物技术方法主要涉及微藻和其他光养培养，以及利用微生物将CO₂转化为有价值生物质并同时产生高价值成分的过程。CO₂也可用于生产光合生物（如微藻）的生物质，作为蛋白质的替代来源。这些产品市场价格相对较低，但为可持续的CO₂增值和部署循环生物经济提供了一种有前景的途径。

4. 利用生物源CO₂生产生物质替代蛋白

随着世界人口增长，对蛋白质的需求日益增加，探索替代蛋白质来源对于应对粮食安全和环境可持续性问题至关重要。微藻因其高生长速率和二氧化碳固定能力，成为生产替代蛋白的极有潜力的候选者。微藻可以固定1.3–1.9 kg的CO₂来生产1 kg生物质，其蛋白质年产量远高于大豆等传统蛋白源。大多数被研究微藻的粗蛋白含量超过40%，必需氨基酸含量与鸡蛋、大豆等常规蛋白源相当。

微藻已具备工业应用（TRL 6–8），拥有开放和封闭式反应器。然而，生产成本仍然较高，因此微藻培养过程需要针对高价值产品（如色素、有机酸、蛋白质、酶、生物活性化合物等），而非燃料等低成本商品，以瞄准能够支付整个过程成本的高市场价格。利用废水或消化液同时生产微藻生物质是一种低成本选择，可显著降低经济和环境成本，并将该过程纳入循环经济原则。不过，这需要克服相关的立法障碍，特别是当生物质用于人类应用或动物饲养时。

4.1. 实现全面应用的路线图

微藻可用于制造用于人类和动物消费的高蛋白替代成分，利用来自工业工厂的废气、沼气流（生物源CO₂)或直接来自大气的CO₂。使用烟道气进行微藻培养可将培养成本降低19–39%。不同的藻类物种对CO₂、硫氧化物(SO_x)和氮氧化物(NO_x)等物质表现出不同的耐受性。

多项研究证实了利用微藻减少CO₂的可能性，尽管需要更多努力将该技术推广到大规模。近期关于培养光合微生物的报告表明，使用模拟或真实烟道气（人为CO₂）或沼气（生物源CO₂）是可行的。所使用的CO₂百分比范围从3%–6%到40%（体积分数）不等。但60%的报告实验是在实验室规模开发的，表明技术实施水平有限。在涉及使用真实废气的微藻培养系统中，观察到最高的CO₂去除率。然而，将微藻培养系统扩大到户外条件和/或使用实验废气预计会显著影响生物质生产，很可能降低其性能。

4.2. 微藻培养系统的可持续性评估

生命周期评价(LCA)研究是评估微藻生产替代蛋白的碳足迹和提高环境可持续性的基本工具。当前关于微藻替代蛋白生产和使用的研究由于该主题的新颖性而有限。总体而言，共识强调节能对于实现环境可持续性的重要性。将微藻培养与废水处理和残余CO₂流相结合，可以提高成本效益。然而，使用被视为废物的残余CO₂流和培养介质目前存在立法问题，因此也必须努力克服当前的立法障碍，并将这种替代蛋白质来源纳入可持续和与安全相关的认证计划，以对市场产生影响。

4.3. 从微藻生产替代蛋白的前景

当前许多涉及培养光合生物生产蛋白质的实验主要在实验室规模进行，使用了不统一的培养方法，并且通常采用模拟气体混合物，这增加了产生不准确数据的风险。尽管如此，利用真实废气中的CO₂进行培养显示出有希望的结果，与使用合成CO₂相比，展示了更高的生产力值。用于蛋白质生产的微藻培养技术的最新创新仍处于早期开发阶段，需要进一步研究。替代蛋白质生产对全球变暖的影响仍不确定，一些评估显示积极影响，而另一些则表明与传统蛋白质来源相比缺乏竞争力。

短期努力应侧重于优化光生物反应器设计，识别对人为或生物源富CO₂流具有更好耐受性的藻株，目标是将藻类培养系统与废水处理和残余CO₂流相结合以提高成本效益。此外，推进具有成本效益的细胞破碎方法和选择性提取技术对于降低总体生产成本和实现工业规模化至关重要。

5. 从CO₂合成挥发性脂肪酸(VFAs)和其他有机酸

5.1. 有机酸从CO₂合成的描述与概述

研究用于生产挥发性脂肪酸(VFAs)和其他有机酸化学品的替代碳源，作为一种有前景的策略受到了关注，旨在通过替代原料的发酵来降低生物基化合物的生产成本，同时减少对石油基化学品的依赖，并聚焦于循环经济。VFAs是通过生物CO₂增值技术产生的有机酸，具有多样化的应用范围，包括用作饲料添加剂、溶剂以及各种其他产品的前体。从CO₂生产VFAs和其他有机物可以通过多种生物过程实现，其中厌氧消化和精密发酵是研究最广泛的方法。这些过程是更广泛努力的一部分，旨在从依赖石油基化合物转向使用替代碳源和更可持续的系统及产品。这条价值链具有多个优势，包括利用可再生且丰富的碳源、相较于传统化学过程具有潜在的成本节约，以及创造具有多种应用的宝贵生物产品。然而，它也面临一些挑战，例如需要优化生物过程、与传统化学过程相比相对较高的生产成本、由于原料特性可变导致的产品质量变化，以及技术可扩展性的限制。

5.2. CO₂固定、厌氧发酵和链延长过程

在厌氧条件下，同型产乙酸微生物通过伍德-永达尔途径将CO₂固定为乙酰辅酶A或乙酸，其中CO₂被还原，遵循从C1到C2的延伸路径。