工程微生物固碳

01概述与价值链#

Markers EC: 美国 45Q 封存税收抵免 + 欧盟 Innovation Fund CCU 示范项目 | OECD: 碳管理 | Regulator: EPA (美国), EFSA (欧盟), MOA (中国)

工程微生物固碳利用培养的微生物将含碳气体固定为产品分子，取代溶剂或吸附剂路线。三类代谢各司其职：产乙酸菌经 Wood–Ljungdahl 途径代谢一氧化碳与二氧化碳并排出乙醇；Methylococcus capsulatus 等甲烷氧化菌将甲烷系气体氧化为单细胞蛋白；氢营养菌将 CO₂ 与电解氢结合合成生物质。生物学决定了经济性——微生物在常温常压下运行，而化学催化剂需要钢铁与热量；但工业规模下的气液传质仍是约束环节，因此该行业的资本开支主要落在反应器上，而非菌株。已部署产能仍处于中试到示范阶段：本语料库中最大的单条生产线——重庆 Calysseo 合资厂——设计年产能为 2 万吨蛋白，而 LanzaTech 的久喜中试装置以约十分之一的商业规模年产约 400 吨乙醇。认证是第二道前线：首个针对再生碳燃料的 ISCC EU 认证路径正在中国气体发酵产品上推进，每一吨微生物产品都必须同时证明其碳核算与饲料安全，才能进入市场。

工程微生物固碳的关键方向：

1. 钢厂尾气制乙醇（CO 发酵）： 产乙酸梭菌对高炉与炼钢尾气的发酵；LanzaTech 平台将工业排放与气化废弃物转化为再生碳乙醇，其生物催化剂产品在美国、中国、印度、奥地利、比利时和日本累计获得约 26 项监管批准。
2. 甲烷制蛋白（甲烷氧化菌蛋白）： 以天然气和沼气为底物的甲烷氧化菌生物质——Calysta 的 FeedKind 已获中国、欧盟、日本和泰国水产饲料批准，由 Calysseo 合资企业在重庆运营 2 万吨/年工厂。
3. 电力制蛋白（氢营养 SCP）： CO₂ 加可再生电力制氢供给氢营养微生物；NovoNutrients 在旧金山湾区以中试规模运行该路线，面向水产饲料与食品配料。
4. 印度的甲烷增值（热带气体发酵）： String Bio 在班加罗尔以 3 万公斤年初始产能发酵甲烷生产 PRO-DG 微生物蛋白，已获美国 FDA GRAS 状态。

行业价值链#

[工业尾气] ──> [气体预处理] ──> [生物反应器发酵]
                                        │
                                 (碳固定为生物质)
                                        │
                                        ▼
[认证产品] <── [下游分离] <── [微生物转化]

价值链层级#

行业跨切技术：

• 气体发酵反应器（传质生物反应器）： 资本开支由工业速率下气-液传质决定的反应器设计。
• 菌株工程（合成代谢）： 面向产量与滴度的 Wood–Ljungdahl 与甲烷氧化途径调优。
• 再生碳认证（ISCC PLUS 链）： 让可比化石产品携带再生碳声明的质量平衡链条。

02美国#

美国坐拥该行业的企业总部与其最强的碳核算激励：45Q 抵免按安全封存或利用的每吨 CO₂ 支付，是气体发酵项目的商业地板。

LanzaTech 总部、45Q 利用抵免、湾区电力制蛋白#

• LanzaTech（伊利诺伊州斯科基）： 本语料库的气体发酵旗舰——2025 年营收 5,580 万美元、192 名员工，日本久喜市城市固体废弃物中试装置以约十分之一商业规模年产约 400 吨乙醇。
• Calysta（加州山景城）： 为 FeedKind 甲烷氧化菌蛋白累计融资 1.776 亿至 2.28 亿美元，经中国 Calysseo 合资企业商业化。
• NovoNutrients（加州桑尼维尔/埃默里维尔）： 含 1,800 万美元 A 轮在内累计融资逾 2,200 万美元，开发 CO₂ 加氢单细胞蛋白用于水产饲料；目前仅中试产能，湾区资产近期被 Biosphere 收购。

03中国#

中国率先将气体发酵推至工业规模——饲料需求与钢厂排放位于同一些省份。

重庆蛋白工厂、中国水产饲料批准、首个 ISCC 路径#

• Calysseo 重庆工厂： Calysta 与中方伙伴的合资厂——FeedKind 产能 2 万吨/年，爬坡期合资公司 2025 年未经审计收入 71 万美元。
• FeedKind 中国批准： 该产品与中国、欧盟、日本、泰国一道获准用于水产饲料——行业内最广的饲料批准足迹。
• LanzaTech 生物催化剂中国批准： LanzaTech 约 26 项生物催化剂批准中有相当部分覆盖中国部署，而全球首个再生碳燃料 ISCC EU 认证路径正在中国气体发酵产品上推进。

04欧盟#

欧盟的角色是监管与买方：其饲料批准与认证机器定义了微生物产品进入单一市场必须证明什么。

FeedKind 欧盟饲料批准、ISCC 链条、Innovation Fund 示范#

• FeedKind 欧盟水产饲料批准： 四个已放行 Calysta 甲烷氧化菌蛋白用于水产饲料的辖区之一。
• ISCC EU 认证路径： 首个再生碳燃料路径正以中国气体发酵产品推进——这是未来欧盟工厂将继承的监管链模板。
• 日本环境省支持的示范： LanzaTech 久喜中试由含日本环境省的 SBR 合资投资承载——这是欧洲港口与钢厂在投入资本前正在研究的示范模板。

05领先企业与研究机构#

06技术栈与创新#

该技术栈是一套代谢工具箱——每种原料气对应一个途径家族——外面包裹着反应器与认证工程。

1. 产乙酸气体发酵（Wood–Ljungdahl 平台）：
   • 梭菌代谢在常温下将 CO 与 CO₂ 固定为乙酰辅酶 A 并输出乙醇，而热化学路线需要重整器。
   • 案例：LanzaTech 久喜工厂将城市固废气化炉产出转化为约 400 吨/年乙醇。
2. 甲烷氧化菌生物质（甲烷制蛋白平台）：
   • Methylococcus capsulatus 直接以甲烷生长，把燃料分子变为完全蛋白，发酵足迹远低于豆粕农业。
   • 案例：重庆 Calysseo 合资厂，中国境内 2 万吨/年 FeedKind 产能。
3. 氢营养 power-to-protein（CO₂ + H₂ 平台）：
   • 氢营养菌将电解氢与 CO₂ 结合合成生物质，完全不需要含碳原料。
   • 案例：NovoNutrients 湾区中试，面向饲料级单细胞蛋白，累计融资逾 2,200 万美元（含 1,800 万美元 A 轮）。

07价值链与生产管线#

气体发酵工厂的工业管线（ISCC 再生碳链）#

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 源气评估               │ ───> │ 2. 气体预处理             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 下游分离               │ <─── │ 3. 生物反应器发酵         │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 升级与配方             │ ───> │ 6. 认证与监测             │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：源气评估

对钢铁、炼化、沼气或气化废弃物流中的 CO、CO₂、H₂ 与硫化氢含量进行筛查——污染物耐受性在任何其他决策之前决定微生物选型。

阶段 2：气体预处理

去除颗粒物、硫物种与水分并控制压力，向反应器入口输送培养物可无抑制代谢的气体。

阶段 3：生物反应器发酵

预处理气体鼓泡通过产乙酸菌、甲烷氧化菌或氢营养菌培养物；气-液传质决定生产率上限，发酵液中含有乙醇或微生物生物质。

阶段 4：下游分离

蒸馏从发酵液回收燃料级乙醇；离心与干燥收集细菌生物质——分离而非发酵，往往占工厂资本的大头。

阶段 5：升级与配方

蛋白按水产饲料与食品规格浓缩配制；乙醇精制至燃料或化学品等级以待交付。

阶段 6：认证与监测

ISCC 碳核算、饲料安全批准（GRAS、欧盟与中国饲料注册）以及连续过程监测，决定产出能否作为再生碳产品销售。