化工历史发展对工业进步至关重要，促成了各种化学品、材料和产品的商业化生产。然而，目前的化学生产过程严重依赖化石资源，导致二氧化碳排放激增、资源枯竭等问题。

近年来，以合成生物驱动的生物制造快速发展，赋能各行业转型升级。作为一种新型制造范式，生物制造不仅为解决资源、能源、环境等全球性挑战提供了新思路，也为人类健康、材料创新等领域带来了革命性机遇。

生物制造是以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式。当前，C1 底物已成为生物制造领域的首选原料，因其天然丰富、成本效益高以及减少气候变化影响的潜力而备受关注。

近日，北京化工大学谭天伟、中国科学院大连化学物理研究所周雍进、西安交通大学费强等人合作综述了 C1 生物制造商业化面临的关键经济和技术障碍；此外，还揭示了提升成本竞争力的可行路线图，强调了其作为传统化学生产的可扩展且可持续的替代方案，在促进碳中和方面具有的潜力。

注重碳转化效率提升

C1 生物制造利用 CO₂、CO、CH₄ 和 CH₃OH 等一碳化合物作为原料，通过天然或工程微生物将其转化为高价值化学品和燃料。第三代生物制造技术结合可再生能源实现 CO₂ 资源化利用，其工艺流程涵盖原料预处理、生物转化和产物分离等环节。当前研究通过整合代谢工程、合成生物学与发酵技术，并运用技术经济分析和生命周期评估，正推动该技术从实验室向工业化规模发展，在确保经济可行性的同时实现环境可持续性。

为评估 C1 生物制造生产平台化学品的可行性并识别工业化面临的主要经济障碍，研究人员选取了典型 C1 生物制造案例开展了系统的技术经济分析和生命周期评估。3-羟基丙酸（3-HP）作为重要的平台化学品和结构单元，是生物塑料合成的关键单体与前体物质。目前多种微生物菌株已展现出 3-HP 合成能力，多家企业已建设中试装置，但尚未实现商业化生产。

在这里，研究人员提出了两条可持续路线：其一，利用钢厂尾气的双阶段生物转化系统；其二，耦合 CO₂ 电化学还原制甲醇与微生物转化的混合工艺。后者采用太阳能驱动绿氢发电，将大气 CO₂ 转化为甲醇后作为微生物合成 3-HP 的底物，构建全可再生能源路径。

尽管 C1 原料生物转化技术取得显著进展，但当前所有工艺路线的碳转化效率均低于 10%，远未达到工业化要求的技术经济阈值。这一根本性缺陷导致双重困境：资本支出激增：需扩大生物反应器等核心设备规模以补偿低效转化，文中提到的一氧化碳制丙烯酸案例中，发酵相关设备成本占比超过 92%；运营成本攀升：单位产品原料消耗量大幅增加。

与传统石油基路线相比，电-生物级联等创新工艺虽具环保优势，但低碳转化率使其难以突破“实验室-产业化”死亡谷。因此需要聚焦细胞工厂性能优化，以及反应器系统创新。

基于“液态阳光”概念，将电催化与生物催化相结合为提高碳利用效率提供了实用途径，从而提升经济潜力。技术经济分析表明，与传统生物工艺相比，电-生物催化级联可使生产成本降低高达 39%。

虽然目前微生物转化效率仍显著低于传统石化路线，但分析表明：当 CO 衍生 3-HP 产率从 0.21g/g 提升至0.35g/g 时，产品最低售价可降低 40%；而直接空气捕获等原料技术的进步将进一步增强经济可行性。这些技术进步与持续的成本优化，为 C1 生物制造在近未来的产业化落地提供了明确路径。

保障 C1 生物制造原料供应

此外，C1 生物制造原料供应面临着核心挑战。供应分散性困境，与原油集中式供应链相比，C1 原料（如 CH₄、CO₂ 等）具有显著地域分散性；原料规模差异巨大（如美国污水厂 CH₄ 日产量不足 1 吨 vs 填埋场 31 吨）；规模效应受限，导致同一技术在不同地区的经济性差异显著。成本敏感性难题，C1 原料成本占运营支出比例超 57%，显著高于传统生物制造（原料成本占比约 50%），此外，原料价格波动风险大，缺乏类似原油的稳定定价体系。因此，开发以废弃物（如餐厨垃圾、市政固体废物、生物质等）为原料的技术，通过低成本原料供应提升经济性，将成为推动 C1 生物制造产业化的关键路径。

文章指出，提升 C1 生物制造的原料供应稳定性并突破现有制约，关键在于建立“产学研”协同机制。这主要聚焦于三方面：原料供应保障、联合技术开发和利益分配机制。工业方保障原料供应（如钢厂尾气、废弃油气等），科研机构提升转化效率，推动工业级放大，并通过透明利益分配形成良性循环。典型案例如 Lanzatech 与首钢合作的万吨级钢铁尾气制乙醇项目，以及中国科学院大连化学物理研究所联合产业界开发的“液态阳光”项目，验证了上下游协同对产业化的重要推动作用。

研究表明，C1 生物制造在碳减排方面具有显著优势。例如利用光合微生物每生产 1 吨化学品可实现 17.20 至 1219.03 吨 CO₂ 当量的净减排。碳税政策通过市场化机制（如欧盟碳交易体系）为负碳技术创造额外收益：当碳价从 0 升至 1000 美元/吨时，产品盈亏平衡价格可降低 22% 以上。随着全球碳价持续攀升，C1 生物制造在提升碳转化效率的同时，其碳信用收益将加速技术从实验室向规模化应用的转化，凸显政策驱动对产业可持续发展的重要性。

C1 生物制造通过微生物固碳（如毕赤酵母）和气体发酵技术，不仅能实现碳中和，更有潜力达成负碳生产——以丙烯酸为例，使用 C1 原料每生产一吨丙烯酸可减少高达 3.09 吨的温室气体排放。然而生命周期评估揭示其环境效益的复杂性：虽然碳减排效果显著，但部分指标（如能源消耗）可能劣于化石基路线，特别是依赖天然气的直接空气捕集技术。未来发展方向应聚焦可再生能源（太阳能/风能）驱动的 CO₂ 转化体系，在确保减排优势的同时实现全方位的环境可持续性。

作为可持续化学生产的新范式，C1 生物制造的商业化仍面临碳转化效率低、原料供应链不稳定等挑战，需通过合成生物学与电催化技术的创新突破瓶颈。产学研协同和政策支持将加速技术转化，推动该技术与现有工业体系融合，最终实现环境效益与经济效益的双赢，引领化学工业向循环经济转型。

1.Zhang, C., Fei, Q., Fu, R. et al. Economic and sustainable revolution to facilitate one-carbon biomanufacturing. Nat Commun 16, 4896 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60247-w

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