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非光合微生物固碳技术在生物制造中的应用前景1

非光合微生物固碳技术在生物制造中的应用前景

摘要

非光合微生物固碳技术作为新兴的碳捕获与利用（CCU）技术，在应对全球气候变

化和推动生物制造产业可持续发展方面展现出巨大潜力。本报告系统分析了非光合微

生物固碳技术的理论基础、技术路线、应用现状及发展前景，重点探讨了其在生物制造

领域的应用潜力。研究表明，非光合微生物固碳技术通过化学能自养、电化学自养和光

能异养等途径，可实现CO的高效转化，生成有机酸、氨基酸、生物塑料等高附加值

产品。该技术不仅为碳减排提供了创新解决方案，也为生物制造产业开辟了新的原料来

源。报告详细阐述了技术实施的关键环节、经济可行性及潜在风险，并提出了相应的保

障措施和发展建议。综合分析表明，非光合微生物固碳技术在生物制造领域具有广阔的

应用前景，有望成为未来生物经济的重要支柱。

引言与背景

全球气候变化与碳减排压力

全球气候变化已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一。根据政府间气候变化专

门委员会（IPCC）第六次评估报告年全球平均温度较工业化前水平已上升

约1.1℃，预计到本世纪中叶将突破1.5℃的关键阈值。为应对这一挑战，《巴黎协定》

确立了将全球平均气温上升控制在2℃以内并努力限制在1.5℃以内的目标。中国作为

负责任大国，已明确提出”碳达峰、碳中和”的”双碳”目标，承诺2030年前实现碳达峰，

2060年前实现碳中和。这一战略决策对国内各行业产生了深远影响，也为低碳技术创

新提供了强大驱动力。

在工业领域，CO排放主要来自化石燃料燃烧和工业生产过程。传统的碳捕获与封

存（CCS）技术虽然能减少大气中的CO浓度，但存在成本高、能耗大、长期封存风险

等问题。相比之下，碳捕获与利用（CCU）技术将CO作为资源转化为有价值的产品，

实现了碳的循环利用，更具经济可持续性。非光合微生物固碳技术作为CCU的重要分

支，因其高效、环保、产品多样等优势，正受到学术界和产业界的广泛关注。

生物制造产业的发展现状

生物制造是以生物体（如微生物、细胞等）为生产工具，利用生物催化过程生产化

学品、材料、能源等产品的技术体系。与传统化工制造相比，生物制造具有条件温和、

选择性好、环境友好等优势，符合绿色化学和可持续发展理念。根据中国生物工程学会

发布的《中国生物制造产业发展报告（2022）》，2021年全球生物制造市场规模已超过

3000亿美元，预计2025年将达到5000亿美元，年复合增长率达10%以上。

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中国生物制造产业近年来发展迅速，在氨基酸、有机酸、维生素等领域已形成全球

竞争优势。然而，当前生物制造主要依赖糖类等可再生原料，存在”与人争粮”、“与粮争

地”的问题。随着粮食安全问题的凸显和原料成本的上升，开发非粮原料成为生物制造

产业可持续发展的关键。CO作为地球上最丰富的碳资源，若能高效转化为生物制造原

料，将从根本上改变生物制造的原料格局，推动产业向更可持续方向发展。

非光合微生物固碳技术的兴起

非光合微生物固碳是指利用不依赖光合作用的微生物（如化能自养菌、电活性微生

物等）将CO转化为有机物的过程。与光合微生物相比，非光合微生物具有生长速度

快、培养条件简单、能量利用效率高等优势。该技术最早可追溯到20世纪初对氢氧化

细菌的研究，但直到近年来，随着合成生物学、代谢工程等技术的发展，其应用潜力才

被充分认识。

目前，非光合微生物固碳技术已在实验室规模实现了多种产品的合成，包括乙酸、乳

酸、丁醇等平台化合物，以及聚羟基脂肪酸酯（PHA）等生物塑料材料。美国LanzaTech

公司开发的气体发酵技术已实现工业化应用，利用工业废气中的CO和CO生产乙醇

和化学品。中国科学院天津工业生物技术研究所也在该领域取得重要突破，开发了基于

氢氧化细菌的CO转化系统。这些进展表明，非光合微生物固碳技术正从实验室走向

产业化，有望成为未来生物制造的重要技术支撑。

研究概述

研究目标与意义

本报告旨在系统分析非光合微生物固碳技术在生物制造领域的应用前景，为相关

技术研发和产业布局提供科学依据。具体研究目标包括：1）梳理非光合微生物固碳技

术的理论基础和主要途