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技术 · 生物能源与气候 / 生物燃料与生物能源

含生物步骤的 Power-to-X

微生物电合成与 Power-to-Methane：可再生电力与 CO2 输入至阴极的电活性微生物，后者经 Wood-Ljungdahl 途径固定 CO2，生成乙酸、醇类、生物甲烷与单细胞蛋白。

风险: 中 能源 US · EU · CN 核实于 2026-07-02 · 6 来源 (0 独立来源)

1 · 带来什么

含生物步骤的 Power-to-X 利用可再生电力驱动活体微生物，将 CO2 还原为燃料、化学品和蛋白。其旗舰模式——微生物电合成（MES）——在浸没于电活性产乙酸菌（如 Sporomusa ovata、Clostridium ljungdahlii）厌氧菌液的阴极上进行：电子从电极进入细胞——或直接经由外膜细胞色素与导电纳米线，或间接经由电解产生的氢——微生物利用这些电子连同 CO2，通过 Wood-Ljungdahl 途径合成乙酰辅酶 A。从这一中心中间体出发，它释放乙酸、乙醇或丁醇，或以单细胞蛋白形式增长生物量。与之相近的 Power-to-Methane 模式则利用食氢古菌（如 Methanothermobacter）将 CO2 与绿氢转化为管网级生物甲烷。与无生物参与的 Power-to-Gas（水电解加上高温萨巴蒂尔反应器）不同，生物路线在常压、约 30-37C 下运行——这是其主要的工程吸引力，也是其放大面临的主要瓶颈。

含生物步骤的 Power-to-X 的关键方向：

  1. 微生物电合成制乙酸与化学品（MES to Acetate & Chemicals）： 阴极上的电活性产乙酸菌将 CO2 固定为 C2-C6 结构单元（乙酸、乙醇、丁醇），服务于绿色化学与聚合物工业。
  2. Power-to-Methane / 生物甲烷化（Power-to-Methane）： 食氢古菌将 CO2 与绿氢转化为管网级生物甲烷，可直接注入天然气管网。
  3. CO2 制蛋白（CO2-to-Protein）： 氢氧化微生物将源自电力的氢与 CO2 转化为单细胞蛋白，用于饲料与食品。
  4. 电极与生物膜工程（Electrode & Biofilm Engineering）： 高比表面积的三维多孔阴极与导电生物膜提升电子转移速率，而该速率最终决定反应器产能。

行业价值链#

[可再生电力 + CO2] ──> [MES 生物电化学反应器] ──> [阴极电子向微生物转移]
                                                                              │
                                                                (Wood-Ljungdahl 固碳)
                                                                              │
            [目标产物：乙酸 / 甲烷 / 蛋白] <─── [膜分离] <─── [富含代谢物的菌液]

价值链层级#

层级描述关键投入/产出
可再生电力与 CO2供给被弃可再生能源电力与从烟气或直接空气捕集获得的 CO2。输入： 风/光电力、点源 CO2。输出： 直流电、压缩 CO2。
生物催化剂与生物膜培养电活性产乙酸菌或古菌，并在阴极形成导电生物膜。输入： 纯培养物、厌氧培养基。输出： 已附着的高比表面阴极。
MES 反应器在密封反应器中于受控电位与 pH 下进行 CO2 的生物电化学还原。输入： 电力、CO2、生物阴极、IrO2 阳极。输出： 有机酸/醇菌液或生物甲烷。
分离与下游通过膜超滤与蒸馏从菌液中浓缩产物。输入： 反应菌液、TFF 膜。输出： 冰醋酸、乙醇、净水。
产品升级对乙酸进行化学或二级生物升级，得到脂质、生物塑料或蛋白。输入： 乙酸、产脂酵母。输出： 生物基油脂、PHA、单细胞蛋白。
质量与 MRV纯度核验、库仑效率核算与碳足迹认证。输入： GC-MS、库仑日志、LIMS。输出： 带负 CO2 足迹的认证绿色化学品。

行业横切技术：

  • 阴极-微生物电子转移（Electron Transfer Interface）： 经细胞色素与导电菌毛的直接转移，加上经氢化酶的氢介导转移，共同决定电池的库仑效率。
  • Wood-Ljungdahl 途径（Wood-Ljungdahl Pathway）： 最高能效的生物固碳路线，将两分子 CO2 转化为一分子乙酰辅酶 A，再分支为乙酸、醇类与生物量。
  • 加压气体溶解（Hollow-Fiber Membrane Biofilm Reactors）： 中空纤维膜以无泡方式将 CO2 与氢直接送入生物膜，提升细胞可获得的气量。

2 · 替代什么 6 · 按行业匹配

D1E3以填埋气和有机废物生物甲烷替代火炬燃烧、逸散甲烷和化石天然气
替代: 填埋场/垃圾场甲烷经火炬燃烧或直接排空；未利用的有机废物甲烷（本索引覆盖地区普遍存在露天垃圾场）；化石天然气需求（管网/车用压缩天然气）
FUEL
D3E3以有机废物制取的沼气和生物甲烷替代薪柴、木炭、液化石油气和柴油
替代: 以薪柴、木炭和畜粪作炊事燃料（造成室内空气污染）；炊事和供热用化石液化石油气和天然气；农场、村庄和工业的柴油发电
FUEL
D2E3以生物柴油、可再生柴油（HVO）和可持续航空燃料替代化石柴油和取暖油
替代: 交通和发电机用化石柴油；燃油供暖；航空燃料（通过 SAF 掺混）；同时规范了原本可能被倾倒的地沟油和牛油
FUEL
D2E–以固体生物燃料——颗粒、压块和残余物燃料——替代锅炉和窑炉用煤
替代: 工业锅炉、砖窑、干燥作业和机构供暖用煤（及重油）；同类残余物的田间露天焚烧
FUEL
D3E3以生物乙醇作燃料和辛烷值/含氧组分，替代 MTBE、高芳烃汽油和化石汽油
替代: MTBE 和 ETBE 含氧剂（地下水污染物）、用于提高辛烷值的芳烃（苯、甲苯）、含铅抗爆剂遗留问题；部分化石汽油需求
FUEL
D3E2以生物质区域供热替代取暖油和煤
替代: 区域供热厂和热电联产厂使用的取暖油和煤
FUEL

3 · 如何实施 6 步

  1. 1
    阴极上电活性生物膜的生长
    将 Sporomusa ovata 纯培养物厌氧培养后送入生物电化学反应器，其阴极为高比表面的三维碳毡。在温和的阴极电位下，细菌数日内定植于碳毡，形成一层将接受电极电子的薄导电生物膜。
  2. 2
    CO2 捕集与送入 HfMBR 电解槽
    将来自水泥或钢厂烟气的干燥 CO2 压缩，送入贯穿电池的中空多孔聚丙烯纤维，同时向涂覆 IrO2 的阳极供给纯水。反应器由邻近的风光电站以直流电供电。
  3. 3
    通电下的微生物电合成乙酸合成与转化
    在阳极，水氧化为氧气与质子；释放的电子经外电路到达阴极，由 Sporomusa 生物膜摄取，还原从纤维扩散而来的 CO2。经 Wood-Ljungdahl 途径，细胞持续向菌液释放乙酸；通过加碱将 pH 维持在近中性，并连续引出醋酸钠菌液。
    谁能完成这一步 自动匹配
    Enzymaster 酶赛生物 中国
    ✓ ISO 9001 工业规模
    “Biocatalytic custom synthesis services”
  4. 4
    两级膜超滤纯化与下游
    菌液通过两级膜装置：陶瓷超滤截留并将细胞回流至反应器，纳滤将醋酸盐与培养基中残留的矿物盐分离。
    谁能完成这一步 自动匹配
    Parry Nutraceuticals (EID Parry) 印度
    ✓ ISO 9001 工业规模
    “Minimal processing that preserves essential nutrients and phytochemicals via their PS 2.0 downstream process, avoiding cell damage and nutrient loss.”
    Advanced Enzyme Technologies (NSE) 印度
    ✓ ISO 9001 500 m3
    “Development of robust, scalable fermentation and downstream processing (production and recovery/yield optimization).”
    Tsukishima Kikai 日本
    ✓ ISO 9001
    “Crystallization and refining: In-house developed DP Crystallizer and Oslo Crystallizer for tailored crystallization and refining processes; integrated purification units combining …”
    HLB Genex (ex-GenoFocus) 韩国
    工业规模
    “With fungal and bacterial secretion systems, we custom produce the evolved enzyme products in large-scale fermentation and downstream processes.”
  5. 5
    酸化与真空精馏
    将浓缩的醋酸钠酸化以释放游离醋酸，送入真空精馏塔；在减压下运行可降低沸点，避免热降解并节能，塔釜留下冰醋酸。
  6. 6
    纯度 QC 与 LIMS/EPD 碳足迹护照数据、软件与自动化检测与分析
    每批以 GC-MS 检测醋酸含量与痕量金属，并记录库仑效率。LIMS 系统按食品与化学品规范认证产品，并出具显示相较石化路线减排幅度的 EPD 碳足迹护照，随后绿色醋酸出厂。
    谁能完成这一步 自动匹配
    India Glycols (NSE) 印度
    ✓ ISO 9001 7,500 MT/ 工业规模
    “Even the administrative processes are green, where IGL has adopted the latest SAP ERP (S/4 HANA 2023 version), Salesforce CRM, Industrial IOT & other tech solutions to drive …”
    GPS Renewables 印度
    ✓ ISO 9001 6,121 MT 工业规模
    “Software and climate tech via the Climate Software Lab to support climate adaptation and project decarbonization.”
    Geo Biogás & Carbon 巴西
    工业规模
    “The Artificial intelligence is clearly a female <<”
    Vland Biotech 蔚蓝生物 (SSE 603739) 中国
    ✓ ISO 9001 工业规模
    “The two parties will conduct extensive cooperationin the fields of digital agriculture, intelligent breeding and planting,precision feeding, manure treatment, animal disease …”

4 · 谁来交付

匹配的供应商 (自动匹配)

LanzaTech美国生产商运营中
Godavari Biorefineries (NSE)印度研究机构运营中

服务与供货目录 1 · 付费服务

原料与生物质

领先企业与机构（摘自简报）

企业 / 机构国家关键产品 / 平台技术特征2026 状态
Electrochaea🇩🇪 德国BioCat 生物甲烷化嗜热古菌（Methanothermobacter）将 CO2+H2 转化为管网级甲烷commercial
LanzaTech🇺🇸 美国气体发酵商业化地将 CO/CO2 尾气发酵为乙醇与化学品commercial
NovoNutrients🇺🇸 美国CO2 制蛋白氢驱动的产乙酸生成单细胞蛋白配料pilot（2026年被 Biosphere 收购）
Cemvita Factory🇺🇸 美国生物乙烯 / 电燃料经工程改造的 Wood-Ljungdahl 微生物由 CO2 与电力生产烯烃pilot
Dalian IIB🇨🇳 中国工业生物技术研发一碳气体发酵与生物电化学工艺放大research
University of Girona🇪🇸 西班牙MES 反应器研发三维多孔碳阴极与生物膜工程用于乙酸生产research

5 · 法规与市场准入

进入俄罗斯/欧亚经济联盟: FUEL · 欧亚经济联盟合格评定程序 / 认可机构
符合性声明（检测另计）
仅供参考，非法律意见——请针对您的产品确认流程。 (2026-10-06)
美国

美国通过能源部与国家实验室资助微生物电合成，同时一批初创企业将 CO2 制化学品与 CO2 制蛋白路线推向商业化规模。

DOE 与 NREL 研发、CO2 制化学品初创、气体发酵标杆#

  • DOE Office of Science 与 NREL： 联邦拨款资助电极-细胞界面与产乙酸菌代谢工程研究；NREL 开发带高比表面阴极的可规模化生物电化学反应器。
  • Cemvita Factory： 利用经工程改造的 Wood-Ljungdahl 微生物，直接由 CO2 与电力生产生物乙烯、二醇等烯烃，面向电燃料与生物基塑料。
  • NovoNutrients： 以氢驱动的气体发酵，将 CO2 与源自电力的氢转化为单细胞蛋白配料，用于水产饲料与食品。
  • LanzaTech（商业化标杆）： 虽属气体发酵而非严格电合成，其商业化的 CO/CO2 制乙醇工厂是 MES 路线在成本上力求超越的参照部署。
欧盟

欧盟在商业化生物甲烷化上领先，并在地平线欧洲计划下资助多中心 MES 联盟，框架由 REACH 与可再生能源指令界定。

Electrochaea 商业生物甲烷化、地平线欧洲 Power-to-X、学术 MES 枢纽#

  • Electrochaea： 在丹麦与瑞士运营商业化生物甲烷化工厂；其专利嗜热催化剂 Methanothermobacter 以高选择性将 CO2 与绿氢转化为管网级生物甲烷。
  • 地平线欧洲 Power-to-X 计划： 定向资助将 Power-to-X 与污水及沼气厂集成，以将其 CO2 气流作为原料。
  • 学术 MES 枢纽： 赫罗纳大学与根特大学推进 MES 反应器设计——三维多孔碳阴极与生物膜工程——以利用工业排放生产特种酸。
中国

中国将西部省份富余的风光与生物电化学和生物甲烷化中试相结合，并由中科院各机构与国家能源局的脱碳任务提供支撑。

中科院深圳 MES 研发、西部 Power-to-Gas、工业生物技术放大#

  • 中科院深圳先进技术研究院： 中国领先的 MES 研发中心，研制导电聚合物生物膜与碳纳米管复合阴极以提升库仑效率。
  • 西部省份集成： 新疆与甘肃被弃的风光为生物电化学反应器供电，将煤电烟气中的 CO2 转化为稳定生物甲烷，送入西气东输管道。
  • 大连工业生物技术研究所（中科院）： 将一碳气体发酵与生物电化学工艺从实验室放大至工业示范，奠定中国工业生物技术管线。

6 · 资金：招标与资助

资助开发用于生物制品发现和/或生产的无细胞蛋白合成平台
European Commission · 欧盟
2027年4月13日
179 天

7 · 技术栈与创新

该技术栈处于电催化、严格厌氧菌生理与高压气相传质的交汇点。

  1. 阴极-微生物电子转移（Electron Transfer Interface）：
    • 直接转移：细菌通过 c 型细胞色素与导电纳米线附着于阴极；常载镍或磁铁矿纳米颗粒的三维多孔碳毡阴极增大接触面积。
    • 氢介导转移：阴极在低过电位下电解水制氢（二硫化钼或低铂涂层），细菌氢化酶再裂解氢以驱动还原。
  2. Wood-Ljungdahl 途径生化（Wood-Ljungdahl Pathway）：
    • 最高能效的固碳路线：甲基支路将一分子 CO2 还原为甲基（经甲酸与四氢叶酸），羰基支路将另一分子 CO2 还原为 CO（经 CODH）；乙酰辅酶 A 合成酶将二者缩合为乙酰辅酶 A，再分支为乙酸、醇类与生物量。
  3. 加压气体溶解（Hollow-Fiber Membrane Biofilm Reactors）：
    • 氢与 CO2 在水中难溶；中空纤维膜生物膜反应器（HfMBR）在低压下以无泡方式将气体直接送入纤维外壁生长的生物膜，提升细胞可获得的气量。

来源 6 · 0 独立来源 · 6 生产商网站

生产商自有网站 6

  1. Electrochaea 生产商 核实于 2025-06-12 · 未保存链接
  2. Lanzatech 生产商 核实于 2026-06-04 · 未保存链接
  3. Novonutrients 生产商 核实于 2026-07-01 · 未保存链接
  4. Cemvita 生产商 核实于 2026-06-08 · 未保存链接
  5. Dalian iib 生产商 核实于 2026-07-02 · 未保存链接
  6. University of girona 生产商 核实于 2026-04-21 · 未保存链接