带生物集成的DAC（混合生物DAC）

01概述和价值链

标记： [EC: EU CRCF Regulation + DOE DAC Hubs + ISO 14064 (CDR MRV) | OECD: Carbon management | Regulator: EPA (USA)]

经典直接空气捕集（Climeworks固体胺吸附剂、Carbon Engineering液体氢氧化 钾溶剂）从大气（约420 ppm）中剥离CO2，但需要高温再生——固体系统约 100 °C，液相系统高达900 °C——使去除成本停留在每吨数百美元。混合生物 DAC通过两条路线集成生物学以降低该能垒。酶促DAC将碳酸酐酶（CA）—— 已知最快、每秒约一百万次转化的酶——固定在吸附剂和膜上，使CO2被快速 捕集并在温和的约45-50 °C下再生，大幅削减再生热量。PBR-DAC将大气 空气泵入装有工程微藻（增强型RuBisCO/羧基体）的密闭光生物反应器，将 CO2固定为生物质，随后转化为生物炭或生物原油。较低的再生温度使生物DAC 可由余热、地热或热泵供能。项目受EPA（美国）环境监管和MRV审计，CDR 信用受欧盟碳清除与碳农业（CRCF）法规、DOE DAC中心计划和ISO 14064 约束。本投影中的五家机构涵盖矿物-生物循环（Heirloom）、电生物吸附剂 （Sustaera）、领先DAC运营商（Climeworks）、酶工程（Fraunhofer IGB） 和工程微藻（中科院微生物研究所）。

混合生物DAC的主要方向：

1. 碳酸酐酶酶促DAC： CA功能化吸附剂捕集CO2快约10⁶倍，并低温再生。
2. 电加热生物吸附剂： 廉价吸附剂加直接电加热，目标去除成本低于每吨100美元（Sustaera）。
3. 生物增强矿物碳化： CaO/CaCO3石灰循环辅以酶促加湿，加速碳化循环（Heirloom）。
4. 微藻PBR-DAC： 工程RuBisCO菌株将空气CO2固定为生物质，导向生物炭或HTL生物原油。

行业价值链

[生物材料生产] ──> [吸附剂功能化] ──> [空气接触捕集]
                                    │
                            （低温再生）
                                    │
                                    ▼
[MRV与CDR信用] <─── [CO2回收与封存] <─────┘

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• carbonic-anhydrase： 以约每秒10⁶次反应催化CO2水合的锌酶。
• dac-sorbents： 经CA功能化以实现低温摆动的胺与固体吸附剂。
• microalgae-photobioreactors： 将大气CO2固定为生物质的工程RuBisCO菌株。

02美国

美国通过DOE和ARPA-E在混合DAC资助方面领先，并建有首座商业化DAC设施。

矿物-生物循环、电生物吸附剂、DOE中心

• Heirloom Carbon： CaO/CaCO3石灰矿物化循环，经酶促加湿加速；2026年融资1.5亿美元，运营美国首座直接空气捕集设施。
• Sustaera（北卡罗来纳）： 廉价无机吸附剂配热稳定酶，加直接电加热，报告能效90%以上，并有望将去除成本降至每吨100美元以下——比现行DAC便宜三倍多。
• DOE DAC中心与ARPA-E： 四个联邦DAC巨型中心测试混合酶系统，ARPA-E资助合成生物CDR项目。
• MIT与哈佛研发： 仿哺乳动物肺的生物拟态膜，带嵌入式碳酸酐酶层，在室温过滤CO2。

03中国

中国押注于与化工厂和生物炼制链条相连的大型密闭工程微藻系统。

工程微藻、PBR-DAC综合体、碳集成

• 中科院微生物研究所： 对微藻进行代谢工程改造，引入更高效的固碳酶（RuBisCO），以在低大气CO2下加速光合。
• PBR-DAC综合体： 在内蒙古和新疆的实验性管式光生物反应器阵列（数十公顷），将空气泵过藻液以产出致密生物质。
• 碳集成： 藻类生物质经水热液化（HTL）制成生物原油和生物炭，在产出有价值联产品的同时持久封存碳。

04欧盟

欧盟在生物催化剂耐久性研究和碳清除标准化方面领先，依托Climeworks和 Fraunhofer，在Horizon Europe和欧盟CRCF法规下运行。

DAC运营商、酶工程、Horizon Europe

• Climeworks（瑞士）： 全球领先的DAC运营商（冰岛Orca工厂每年去除约4,000吨CO2，通过Mammoth扩产），与生物技术机构合作开发可在热泵级能量（约50 °C）下再生的新一代生物功能化吸附剂。
• Fraunhofer IGB（德国）： 将碳酸酐酶固定于载体（含磁性纳米颗粒和聚合物水凝胶），用于连续湿法CO2捕集，并表征来自嗜极菌的热稳定CA。
• 欧盟CRCF法规与Horizon Europe： 为严苛大气条件（粉尘、臭氧、SOx）下酶耐久性提供数百万欧元资助，并建立标准化CDR核证框架。

05领先公司和研究机构

06技术栈和创新

该技术栈结合了酶生物化学、蛋白质固定化与低温工艺工程。

1. 碳酸酐酶催化：
   • CA活性中心含由三个组氨酸残基配位的锌离子；它将水活化为锌-氢氧化物，对CO2发起亲核攻击生成碳酸氢盐，转化速率约每秒10⁶次——已知最快酶，是低温捕集的基础。
2. 酶固定与稳定：
   • 游离酶会变性和流失，因此CA被共价结合于介孔二氧化硅或聚合物纤维（APTES胺化加戊二醛交联），得到耐受温和再生的热稳定吸附剂，可循环多次。
3. 低温解吸：
   • 由于CA催化的碳酸氢盐池在温和的温度或压力摆动（约45-50 °C）下释放气态CO2，再生可由数据中心余热或地热供能，而非经典DAC的100-900 °C摆动。

07价值链和生产管线

混合生物DAC捕集循环的工业管线（Sustaera式，ISO 14064）

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. CA发酵                 │ ───> │ 2. CA固定                 │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 低温解吸               │ <─── │ 3. 空气接触               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. CO2压缩                │ ───> │ 6. 催化剂QC + EPD-CDR     │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：CA发酵

重组热稳定碳酸酐酶（源自嗜极菌）在Pichia pastoris发酵中表达，随后浓缩并经色谱纯化。

阶段 2：CA固定

通过APTES胺化和戊二醛交联，将酶共价结合到多孔二氧化硅载体上，得到具有设定酶负载的酶促吸附剂。

阶段 3：空气接触

风机在受控湿度下将大气空气（约420 ppm CO2）压过吸附剂滤芯，负载的CA在孔隙水中将CO2快速转化为碳酸氢盐。

阶段 4：低温解吸

温和的约48 °C低压蒸汽摆动（取自压缩机余热）移动平衡，CA催化的碳酸氢盐释放出浓缩CO2流。

阶段 5：CO2压缩

CO2脱水并压缩成超临界流体，经管道输往地质封存，或捕集的碳被导向生物质/生物炭。

阶段 6：催化剂QC与EPD-CDR核证

用分光光度法测定残余CA活性，LIMS核证气体纯度和再生能耗，签发ISO 14064 CDR证书交碳注册系统。