生物碳捕集与利用（bio-CCU：气体发酵、CO2制蛋白、电燃料）

01概览与价值链

标记：[EC: EU Carbon Removals Certification (CRCF) + CBAM | OECD: Carbon management, Circular bioeconomy | Regulator: EPA (美国), ADEME (法国), NEA (中国)]

生物碳捕集与利用（bio-CCU）利用微生物气体发酵、工程菌或微藻，将捕集的二氧化碳——来自 工业点源、生物源排放或大气——转化为燃料、化学品、蛋白质和材料。它将废气重新定义为原料， 替代化石碳并创造可帮助资助减排的收入。仅 LanzaTech 的气体发酵平台在 2025 年就报告了 5580 万美元的收入，Newlight 的 AirCarbon 聚羟基脂肪酸酯被认证为碳负性，而 Deep Branch 的 Proton 单细胞蛋白达到约 70% 的蛋白含量，碳足迹比替代蛋白低约 90%。在催化利用侧，Carbon Recycling International 的 Vulcanol 再生甲醇每吨甲醇嵌入约 1.4 吨 CO2，其在冰岛规划的电燃料 工厂目标年产最高 70,000 吨可持续航空燃料。政策正拉动需求：美国 45Q 税收抵免对捕集并利用的 CO2 每吨支付最高 85 美元，欧盟碳移除认证框架（CRCF）已生效，中国绿色金融目录将 CCUS 列为 第 1.5.1 项。

生物碳捕集与利用的关键方向:

1. 气体发酵制燃料与化学品 (LanzaTech): 自养微生物将富含 CO/CO2 的合成气发酵为乙醇， 进而制成 SAF 和船用燃料；LanzaTech 在日本久慈市的固废制乙醇中试装置以约 400 吨/年、十分 之一商业规模运行，性能达到保证值。
2. 微生物 CO2 制聚合物 (Newlight AirCarbon): 受海洋微生物启发的工艺将 CO2 与甲烷固定为 聚羟基脂肪酸酯——碳负性、可海洋生物降解的聚合物，已用于吸管、餐具和眼镜。
3. CO2 制蛋白与营养 (Deep Branch、Cemvita): 气体发酵将 CO2 与氢气转化为单细胞蛋白 （Proton，约 70% 蛋白）和再生油（Cemvita 的 FermOil，在 75,000 升规模验证）。
4. CO2 利用于电燃料与甲醇 (CRI、Cemvita e-煤油): CO2 与绿氢的催化及生物催化加氢生成 再生甲醇（Vulcanol），并可进一步制成 e-SAF，CRI 正与霍尼韦尔 UOP 研究年产 70,000 吨的设施。

部门价值链

[CO2 来源：工业 / 生物源 / 大气] ──> [捕集与调质] ──> [生物转化：发酵 / 工程菌 / 微藻]
                                                                          │
                                                              (产品回收与提纯)
                                                                          │
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[终端用途：燃料 · 饲料蛋白 · 聚合物 · 甲醇] <─── [循环碳产品]

价值链层级

行业跨环节技术:

• 绿氢集成: CO2-加氢路线（Deep Branch 蛋白、CRI 甲醇）将 bio-CCU 经济性绑定为可再生氢的成本与电解槽扩产。
• 合成生物学与菌株工程: Cemvita 与 Newlight 重新设计微生物碳流，将 CO2 导向目标产物（油、PHA、煤油前体），提高滴度。
• 碳核算与认证: ISCC PLUS、欧盟 CRCF 与美国 45Q 抵免将利用的 CO2 吨数转化为可银行化价值，是项目融资的关键。

02美国

美国通过 LanzaTech 的气体发酵和 Newlight 的碳负性聚合物引领 bio-CCU 商业化，45Q 税收抵免 （《通胀削减法》下扩大到利用 CO2 每吨约 85 美元）为项目经济性提供支撑。

Gas fermentation, carbon-negative polymers, e-kerosene

• LanzaTech Global (LNZA): 其气体发酵平台将工业排放与气化废料转化为再生碳乙醇； 2025 年收入达 5580 万美元，日本久慈市固废中试装置以约 400 吨/年、十分之一商业规模运行， LanzaTech 在 LanzaJet 的持股于 2025 年 12 月升至 53%。
• Newlight Technologies: 由食甲烷海洋微生物从温室气体生产的 AirCarbon 聚羟基脂肪酸酯， 是碳负性、可海洋生物降解的聚合物，已用于吸管、餐具、眼镜和皮革替代品，并有专利工程菌株 改善碳流向 PHA 的通量。
• Cemvita Factory: 工程菌将粗甘油和 CO2 转化为 FermOil 再生油，在 Bio Base Europe 完成 75,000 升工业规模验证（放大 2,500 倍），并在 45Q 机制下生产生物催化 e-煤油供航空使用。

03中国

中国的碳管理由能源巨头在工业规模上实施 CCUS，并辅以微藻 CO2 利用研究，CCUS 现已作为可融资 类别纳入国家绿色金融目录。

CCUS scale, microalgal bio-conversion, green-finance inclusion

• 中国石化 (600028): 这家综合能源巨头在炼油、石化和提高采收率领域开展点源 CCUS，并主导 微藻 CO2 利用研究——比较藻株与培养条件，将捕集的 CO2 转化为高附加值生物制品。
• CCUS 作为绿色金融类别: 中国绿色金融目录现将碳捕集、利用与封存列为第 1.5.1 项，覆盖 电力、钢铁、水泥、化工和采油业的捕集-运输-利用-封存全链条。
• 制度建设: 中国石化协助发起国际 CCUS 创新合作组织，将 bio-CCU 与 CCUS 定位为"双碳" 目标下的协调国家优先事项。

04欧盟

欧洲将 bio-CCU 初创企业与全球最严格的碳框架相结合：碳移除认证框架、排放交易体系与碳边境 调节机制共同创造了对经验证的利用碳的需求。

Single-cell protein, renewable methanol, certification pull

• Deep Branch（英国/荷兰）: 其 Proton 单细胞蛋白通过气体发酵，将工业 CO2 与氢气发酵为 蛋白含量约 70% 的原料——约为大豆的两倍——碳足迹低约 90%，用于水产与畜牧饲料，获欧盟 H2020 资助。
• Carbon Recycling International（冰岛）: 其 Emissions-to-Liquids 工艺生产 Vulcanol 再生 甲醇（ISCC PLUS 认证，每吨甲醇约 1.4 吨 CO2），并正与霍尼韦尔 UOP 及 IdunnH2 研究一座 300 兆瓦、最高 70,000 吨/年的 e-SAF 工厂。
• 监管拉动: 欧盟 CRCF 界定经认证的碳移除与利用，而 CBAM 在边境对内含碳定价，使 bio-CCU 产品在化学品、燃料和饲料中获得可测溢价。

05领先企业与研究机构

06技术栈与创新

bio-CCU 技术栈建立在四大支柱之上：气体发酵生物学、微生物聚合物合成、单细胞蛋白生产以及 CO2 加氢制甲醇与电燃料——共同将点源碳转化为商品。

1. 气体发酵生物学:
   • 自养产乙酸菌（LanzaTech）与氢氧化菌（Deep Branch）将 CO/CO2 固定为乙醇和蛋白；LanzaTech 2025 年 5580 万美元的收入表明该路线已从废气达到商业级吨位。
   • 菌株对合成气杂质（焦油、硫）的耐受性和气液传质决定了反应器生产力和原料灵活性的上限。
2. 微生物聚合物合成:
   • Newlight 的 AirCarbon 利用食甲烷海洋微生物将 CO2 与甲烷导向聚羟基脂肪酸酯颗粒，得到碳负 性且可海洋生物降解的聚合物。
   • 专利工程菌株调节碳通量趋向 PHA，提高滴度并降低收菌与聚合物萃取的能耗。
3. 单细胞蛋白生产:
   • Deep Branch 的 Proton 将 CO2 与氢气和氧气发酵为蛋白含量约 70% 的单细胞蛋白，在水产饲料 中替代大豆和鱼粉，碳足迹低约 90%。
   • 瓶颈在于气体发酵放大和饲料级安全许可而非生物学，因此合作伙伴与承购至关重要。
4. CO2 加氢制甲醇与电燃料:
   • CRI 的 Emissions-to-Liquids 工艺催化加氢 CO2 生成 Vulcanol 甲醇（每吨约 1.4 吨 CO2）， 霍尼韦尔 UOP 的 eFining 可将其升级为 e-SAF。
   • 经济性取决于廉价绿氢与电解槽产能，将 bio-CCU 与更广泛的 power-to-liquids 建设挂钩。

07价值链与生产流程

通过气体发酵生产再生碳乙醇的工业流程 (ISCC PLUS)

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 富 CO2 合成气供应       │ ───> │ 2. 气体发酵               │
└───────────────────────────┘      │    （产乙酸菌）           │
                                    └───────────────────────────┘
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┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 乙醇提纯               │ <─── │ 3. 发酵液回收             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 衍生化（SAF）          │ ───> │ 6. 认证与承购             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1: 富 CO2 合成气供应

工业排放（钢铁、炼油）或气化的城市固废提供富 CO/CO2 合成气；LanzaTech 久慈工厂气化固废， 供其约 400 吨/年、十分之一商业规模的乙醇中试。

阶段 2: 气体发酵

生物反应器中的自养产乙酸菌将合成气发酵为乙醇，气液传质与菌株对杂质的耐受性决定反应器生产 力；这是 LanzaTech 与 Deep Branch 共有的核心生物学。

阶段 3: 发酵液回收

通过离心与过滤将细胞与废液从富含乙醇的发酵液中分离；细胞物回流或资源化，啤酒液进入蒸馏。

阶段 4: 乙醇提纯

蒸馏与分子筛脱水将发酵液提升至燃料级再生碳乙醇——支撑 LanzaTech 2025 年 5580 万美元收入的 商品中间体。

阶段 5: 衍生化制 SAF

乙醇转化为可持续航空燃料（经醇制航煤）或船用燃料，经 LanzaJet 路由——LanzaTech 在其中持股 于 2025 年 12 月达到 53%。

阶段 6: 认证与承购

成品燃料按 ISCC PLUS 与欧盟 CRCF 认证，CO2 利用情况为美国 45Q 抵免记录在案，使航空与海运 承购得以闭合碳利用循环。