第三代生物炼制技术概述 - 利用CO2、CO、甲烷等一碳气体作为原料进行生物转化，是实现碳资源捕捉利用和绿色制造的重要途径[1] - 相比传统生物炼制技术（玉米/木质纤维素为原料），第三代技术具有原料广泛、成本低、环境友好等优势[3][8] - 全球已有商业化案例：首钢京唐4.5万吨/年钢铁尾气制乙醇项目年减排17万吨CO2，宁夏铁合金尾气项目年产4.5万吨乙醇并减排18万吨CO2[4] 技术发展历程 - 第一代生物炼制（1970s起）：以玉米/油料作物为原料，存在与粮争地问题[7][8] - 第二代生物炼制：转向木质纤维素原料，但面临结构复杂、高能耗等技术瓶颈[8] - 第三代生物炼制（21世纪）：直接利用CO2和可再生能源，微藻培养效率提升20-30倍，工程菌株脂肪酸乙酯产量达50-70g/L[9][10] 固碳代谢途径 - 已发现7种天然固碳途径：包括卡尔文循环（光能驱动）、伍德-永达尔途径（厌氧）、还原性甘氨酸途径（低ATP需求）等[11][12] - 人工设计途径进展：ASAP途径实现无细胞淀粉合成，CETCH循环能量消耗比CBB循环低40%，ICE-CAP途径创生物固碳速率纪录[35] - 关键酶突破：改造RuBisCO减少光呼吸损耗，优化4-羟基丁酰CoA脱水酶提升3HP/4HB循环效率[13][25] 微生物工程化进展 自养微生物改造 - 食气梭菌：通过电极辅助发酵将乙酸产量提至50g/L，Lanza Tech已实现工业废气制乙醇商业化[38][40] - 蓝细菌：引入蜡酯合成酶实现脂肪酸乙酯合成，改造Rubisco酶使CO2固定速率提升30%[43][44] - 微藻：生产1吨生物质可固定1.8吨CO2，美国Green Fuel公司建成1040MW级微藻固碳系统[45] 异养微生物改造 - 能量供给创新：半导体纳米捕光系统使大肠杆菌苹果酸产量达1.48mol/mol葡萄糖[48] - 途径强化：大肠杆菌过表达CO2转运蛋白sbtA使琥珀酸产量增加10%，构建羧酶体提升固定效率[49] - 异源途径引入：毕赤酵母导入CBB循环实现自养生长，工程酿酒酵母乙醇得率提高10%[47][50] 产业化应用方向 - 燃料领域：乙醇、生物柴油（微藻脂质转化）商业化生产规模已达万吨级[4][45] - 化学品合成：Evonik-西门子合作年产2万吨丙酸/丁酸，首钢朗泽项目年产值1.2亿元[40] - 高附加值产品：微藻合成PUFAs替代鱼油，蓝细菌生产异戊二烯等生物基材料[46][43] 未来技术挑战 - 酶催化效率：天然RuBisCO固碳速率仅20-30个/秒，需进一步定向进化[13][35] - 能量供给优化：自养微生物ATP产率低限制生长速率，需开发电子传递新机制[36][37] - 规模化瓶颈：多数固碳途径处于概念验证阶段，需降低培养成本（如微藻抗盐改造）[44][51]