CO2生物利用技术将助力碳中和，多种突破性技术商业化前景可期 | 生辉分析

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2016 年 11 月，《巴黎协定》正式生效，此后，“碳中和” 的浪潮迅速席卷全球，截止目前，已有超过 120 个国家和地区相继做出大幅减排的承诺，明确了从碳达峰到最终实现碳中和的时间表：发达国家代表欧盟将需要 71 年时间，美国 43 年（2020 年退出，2021 年重返），日本 37 年，而中国作为发展中国家却只给自己预留了 30 年的时间 ——2030 碳达峰，2060 碳中和。

但作为世界第一大碳排放国，且排放量目前仍处于上升期，中国如何才能弯道超车，用不到一半的时间来完成有史以来最大的碳排放强度降幅呢？答案就是，碳捕集、利用与封存技术的重要组成部分 ——CO 2 生物利用技术。

CO2生物利用技术为何是加速碳中和的 “利器”？

CO 2 生物利用技术主要指的是，通过模拟自然界中植物和微生物等的自然光合作用过程，设计和构建出全新的人工光合体系与路径，从而将 CO 2 更加高效地转化为合成化学品和农业产品。

碳捕集、利用与封存 (carbon capture，utilization and storage，以下简称 CCUS) 技术，即把排放出的二氧化碳进行提纯，然后投入到新的生产过程中实现循环再利用。该技术的主要技术流程如下图所示：

CCUS 的主要技术流程包括：

图 | CCUS 技术环节（来源：中国 21 世纪议程管理中心（2021））

CCUS 技术，即低碳技术中的第三方面 —— 从末端进行控制的 “去碳技术”，其目标是大幅降低大气中的碳含量，实现零碳排放。相比于从源头进行控制的 “无碳技术” 与在过程中进行控制的 “减碳技术”，CCUS 技术在凭借多种多样的碳利用方式（如下图所示），在助力中国消化吸收已有温室气体，实现低碳转型以及提升能源安全方面发挥着难以忽视的重要作用。

图 | 碳利用的多种技术方向（来源：联合国欧盟经济委员会《碳捕获、利用与封存（CCUS）》(Carbon Capture， Use and Storage) 报告）

在众多的碳利用技术中，融合合成生物学手段的人工生物转化 CO2技术扮演着尤其重要的角色：一方面能够有效减少温室气体的排放量，加快向碳中和转化的推进步伐；另一方面还为解决粮食安全、太空探索等重大课题提供了关键思路。

2020 年 3 月，北京化工大学生命学院谭天伟院士课题组与软物质高精尖中心兼职教授 Jens Nielsen 院士研究团队共同提出第三代生物炼制概念：利用微生物细胞工厂进行 CO 2 生物制造的多种技术。

图 | 三代生物炼制概述（来源： Nature Catalysis ）

与第一代生物炼制和第二代生物炼制相比，第三代生物炼制技术极大地降低了原料加工成本，对环境更加友好，也更加契合绿色生态的理念。截止目前，各国研究人员及领军企业已在第三代生物炼制（CO 2 利用）方面取得了明显进展，成功将二氧化碳转化为食品、生物燃料及其他合成品。

CO2生物制造领域的突破性技术与商业化应用

• 利用 CO2高效合成人造淀粉，或取代传统淀粉 “制造工厂”

前不久，中科院天津工业生物技术研究所马延和团队，在国际知名期刊 Science 上首次报告了从二氧化碳合成人造淀粉的路线，也是首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，是人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破。

马老师技术团队成功对淀粉的 60 多步生物合成步骤进行重新设计，提出一条只需要 11 步的人工合成路线，转化效率相当于玉米淀粉生物合成效率的 8.5 倍，理论能量转化效率是玉米的 3.5 倍。这意味着，1 立方米的生物反应器的年产淀粉量相当于 5 亩土地种植的玉米平均产量。

图 | 人工淀粉合成代谢途径（来源：Science）

这一突破性技术目前还处于实验室阶段，离大规模商业化还有很长的距离。但随着二氧化碳人工合成淀粉技术不断发展成熟，未来有望彻底转变淀粉的生产模式，让碳水化合物的生产场所从传统农作物等 “制造工厂” 转移到真正的工业车间，进一步帮助解决粮食安全、气候变化等问题。

• 利用 CO2生物转化法合成脂肪酸，效率提升 4 倍

2019 年，在中科院重点部署的 “二氧化碳人工生物转化” 项目支持下，中国科学院天津工业生物技术研究所毕昌昊带领代谢工程与合成生物技术研究团队，把罗氏菌作为基底菌株，构建出由二氧化碳到有机物的生物合成途径。

通过引入脂肪酸合成相关基因代谢工程改造其合成通路，改造菌 B2 (pCT，pFP) 在以果糖为唯一碳源的条件下发酵生产 124.48 mg/g 的自由脂肪酸，相比对照菌 H16 提高了 4 倍。

图 | 自养发酵系统（来源：JIMB）

研究团队还组装了一个自养发酵系统，该系统以 H 2 、CO 2 、O 2 为底物，主要特点包括连续、安全、多并联发酵罐。H 2 由氢气发生器供应，并保持 H 2 :O 2 的比例为 7：1，整个系统置于通风橱内并配备气体检测装置保障实验安全。在这个系统中，B2 (pCT，pFP) 能够在简单培养基于 48h 内发酵生产 60.64 mg/g 的自由脂肪酸，氢气的供应总量为 9*10 3 mL/L/h。该项研究成果为后续的二氧化碳微生物固定方法提供了新的启发。

• “基因组手术刀” 助力 CO2高效转化为生物燃料

2021 年 3 月，中国科学院青岛生物能源与过程研究所（QIBEBT）的研究人员在《植物杂志》上发表论文，报道了其研发的一种新型 “基因组手术刀”，快速修剪敲除了一种名为 "Nannochloropsis oceanica" 的微藻的基因组，形成一个高效的细胞工厂，然后可利用 CO 2 和阳光来定制化生产生物燃料或生物塑料等生物大分子物质。

图 | “基因组手术刀”（来源：相关论文）

该团队在明确这种微藻中的 10 个基因 “低表达区” 后，使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术剪掉了两个最大的 “垃圾基因”，通过观察发现，剪出基因后的微藻仍能进行生长和常规的光合作用，且维持一定水平的脂质含量与脂肪酸饱和度，其生长速度和生物量生产力甚至高于野生生物体。

• 科学家改造大肠杆菌将 CO2转化成甲酸

2021 年 10 月，英国纽卡斯尔大学的研究人员设计并改造了大肠杆菌，使其利用氢气 (H 2 ) 将二氧化碳 (CO 2 ) 转化为甲酸，从而捕获大气中的 CO 2 ，帮助抑制温室效应。

图 | 大肠杆菌 （来源：pixabay）

该团队研究人员将大肠杆菌中的一种甲酸氢裂酶中原有的钼原子替换成钨原子，从而为大肠杆菌营造出富含钨原子的生长环境；然后又设计出一种特殊的加压生物反应器，里边充满的 H 2 和 CO 2 可以为大肠杆菌所用，捕获二氧化碳后并从中产生甲酸，进而可以制造燃料、塑料或化学品。

除了上述科研成果外，国内外也有不少企业致力于将二氧化碳转化技术投入商业化应用。代表企业包括：

• Newlight Technologies：利用温室气体生产可降解海洋生物聚合物 PHB，可替代合成塑料和纤维。

• Twelve：位于加利福尼亚州伯克利的碳转型初创公司，其突破性技术是使用可再生电力和水，将二氧化碳转化为乙烯化合物等基本产品来实现碳转化，目前产品包括二氧化碳太阳镜、汽车零部件等。

• Air Company：总部位于布鲁克林的初创公司 Air Company 开发出一种新工艺，能够将二氧化碳转化为酒精，并于 2019 年推出 “全球首款负碳伏特加”。

• Circe Bioscience Inc.：2021 年 5 月在特拉华州注册成立，该初创公司的共同创始人是来自哈佛大学 Wyss 研究所的两位科学家 Shannon Nangle 和 Marika Ziesack，他们的目标是是使用工程微生物将二氧化碳作为发酵原料并转化为食品级脂肪。

生物技术突破为碳中和目标实现注入强心剂，各国资本助力推动产业不断成熟

根据 CB Insights 发布的最新数据，截至 2021 年 8 月 18 日，今年 CCUS 行业的融资规模与融资事件次数均出现明显上涨趋势，相比 2020 年全年，今年的融资总额增长了 118%，融资次数增长了 46%。按照此趋势估算，预计 CCUS 领域在 2021 年的总融资金额有望首次突破 10 亿美元大关，这将相当于 2020 年融资总额的 3 倍多。

在资本的推动下，相关成果已经初显。截至 2020 年底，全球已投入运营的 CCUS 商业化项目总计 28 个，这些项目分别分布在美国（14 个）、加拿大（4 个）、中国（3 个）、挪威（2 个），阿联酋、巴西、沙特、澳大利亚等，除此之外，全球还有 37 个大规模 CCUS 项目正在开发当中。

相比于欧美等发达国家，中国的 CCUS 行业的起步时间较晚，但随着相关技术不断成熟，以及政策的有力推动，一批工业级技术示范项目逐渐建成，但基本以工业化捕集为主，整体而言，下游的资源化利用项目，尤其是生物利用项目数目很少。

图 | 中国 CCUS 项目分布（来源：中国生态环境部环境规划院发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》）

如图所示，在中国的 40 个 CCUS 项目中，采用生物利用技术的仅有一个 —— 位于东北地区的 CO 2 基生物降解塑料项目。

扶持政策与多元资本双重加持，生物利用技术或将会迎来 “最好的时代”

尽管现阶段中国 CO 2 生物利用技术尚未得到充分发展，但根据中国科技部最新研究数据，全球 CCUS 技术在 2025-2030 年进入最佳窗口期，中国的 CCUS 技术则在 2030 年至 2035 年之间进入最佳窗口期，该领域中相关的核心技术预计将在 2030 年左右取得重大突破与进展。

据有关专家预测，在碳中和的大背景之下，以及在政策与资本 “两驾马车” 的有力驱动之下，中国 CO2生物利用技术领域有望与 CCUS 技术一起在未来十年时间内实现爆发式增长，成就属于自己的 “最好的时代”。

1、政策频出，扶持力度不断加码

为如期实现 “碳中和” 目标，各国家及地方的相关机构一直在积极推出多种扶持政策鼓励低碳技术，尤其是 CCUS 技术与产业的发展。

美国：在 2021 年重新加入《巴黎气候协定》后发布了一系列目标推动碳中和行业发展的政策和方针。受此政策的推动下，美国技术获得较大的突破。

中国：碳中和目标最新的政策文件出台于 2021 年 10 月 24 日。中央发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（以下简称《意见》），随后 10 月 26 日，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案》，明确了中国实现双碳目标的时间表、路线图，对推进碳达峰工作进行了总体部署。

《意见》指出要加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用，强化基础研究和前沿技术布局。推进高效率太阳能电池、可再生能源制氢、可控核聚变、零碳工业流程再造、生物能源（二氧化碳的多样化利用）等低碳前沿技术攻关。培育一批节能降碳和新能源技术产品研发国家重点实验室、国家技术创新中心、重大科技创新平台。

《意见》还从投资方面有政策倾斜，如国有企业要加大绿色低碳投资，积极开展低碳零碳负碳技术研发应用，坚持走绿色低碳高质量发展之路。

针对 CCUS 技术，国家多个部门也不断出台新政策，围绕 CO 2 捕集、运输、利用与封存的相关理论、关键技术及相关战略等进行了系统部署，以推动技术创新速度。

2、多元资本竞相涌入，成本下降空间可期

目前，中国 CCUS 市场尚处于工业示范阶段，且项目规模都比较小，这在很大程度上造成了成本居高不下的问题。但随着政策不断刺激催化，专注于能源领域投资的机构、个人投资者等多元化资本力量将持续涌入 CCUS 产业赛道，尤其是 CO 2 生物利用领域，助力提升关键技术的研发速度，让整体产业链得到全面盘活。

生辉分析观点

1、随着 CO 2 生物利用技术不断成熟，经济效益逐步显现，其将在实现 “碳中和” 目标和国家整体能源发展战略中占据日益重要的地位；

2、预计到 2030 年，全球CO2 生物技术领域的总体行业规模预计将达到百亿美金水平，行业发展前景十分广阔；

3、投资机构的重点逐渐从传统领域向碳中和领域，尤其碳资源利用方向倾斜，目前行业投资规模在 10 亿美元并且保持持续增长态势。

4、为扶持该产业发展，各国的支持政策与划拨的研发资金将持续加码，推动 CO 2 生物技术基础研究的展开，在学界引发研究热潮，创新性技术与颠覆技术将频繁推出，使 CO 2 生物技术的减碳潜力得到进一步释放；

5、预计 5-10 年内，形成产业集群效应。新的行业竞争者将源源不断涌入 CO 2 生物技术赛道，推动不同类型的新技术实现商业化，带动整个行业的成本显著下降，同时使产业链得到壮大发展。

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