【儀表網 研發快訊】當前化學工業對化石資源的高度依賴導致二氧化碳(CO2)排放激增和資源枯竭，傳統線性經濟模式亟需轉型。以一碳原料回收利用為核心的第三代生物制造，已逐步成為實現可持續化學生產的關鍵路徑。然而，一碳底物生物制造的工業化面臨技術經濟瓶頸與環境風險挑戰。
基于此，西安交大費強團隊建立了生物制造的“技術-經濟-碳足跡”全鏈條評價體系(TECA)，其中包括通過技術經濟可行性分析(TEA)量化工藝參數與經濟指標的關系，精準識別工業化進程中的成本趨勢與經濟瓶頸；借助全生命周期評價(LCA)追蹤產品從原料到廢棄處理全鏈條的污染物排放，實現環境效益評價與風險預警。目前已構建了涵蓋多種原料制備生物基產品的實踐案例，如甲烷合成活性產物、CO2制備依克多因、沼氣生產生物航煤等，相關成果已在Angewandte Chemie、Nature Communications、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry等國際著名期刊發表。盡管已有研究基于TECA體系開展了單一產品的輔助性評價，但尚未構建一碳生物制造全流程的系統評估框架與前瞻規劃。
針對這一空白，費強團隊近期借助TECA平臺技術，結合生物轉化一碳原料合成化學品的最新研究成果與實驗數據展開模擬計算及綜合分析，提出了一碳生物制造從實驗室邁向工業規模的展望。該研究構建貫穿實驗室研發到工業化生產的全鏈條評價體系，對一碳生物制造技術路徑的經濟性與環境影響進行全面收斂性評估。通過精細化拆解成本、動態推演效益、溯源追蹤碳足跡，全方位剖析產品的經濟效益和可持續性，旨在推動化學品生產去化石化，促進循環碳經濟和可持續發展，為生物制造產業頂層設計提供依據，有力推動一碳生物制造商業化與產業化，助力循環碳經濟發展和碳中和目標實現。該研究通過案例研究剖析一碳生物制造商業化的關鍵經濟和技術障礙，提出提升成本競爭力的可行路線圖，強調其作為傳統化學生產的可擴展和可持續替代方案，以及在助力碳中和方面的潛力(圖1)。
圖1 從基于化石基原料的生產路線到循環一碳生物制造的轉變
該研究首先提出通過構建具有工業屬性的“微生物細胞工廠”、深化電-生物催化級聯系統開發等方式加速技術進步，提升碳轉化率。其次，倡導產業界與學術界協同合作，整合工業尾氣、農業沼氣及城市有機廢棄物中的一碳資源，以解決供應鏈安全問題。此外，依托碳稅征收與碳排放權交易機制，通過獲取碳信用降低生產成本以提升經濟競爭力。最后，可借助TEA識別關鍵成本驅動因素，為規模化投資決策提供量化依據以降低投資風險。該研究進一步通過LCA研究，證實一碳生物制造相較傳統工藝具有顯著碳減排優勢。以丙烯酸生產為例，每生產1噸產品可減少約3.09噸溫室氣體排放，為化學工業低碳轉型提供了重要理論支撐。該成果不僅為一碳生物制造技術規模化應用指明方向，更成為推動化學工業脫碳、構建循環經濟的關鍵技術支撐，有望重塑傳統化工產業發展格局(圖2)。
圖2 提高一碳生物制造經濟可行性和可持續性的路徑
上述分析和結果以《推動一碳生物制造的經濟性與可持續性變革》(Economic and sustainable revolution to facilitate one-carbon biomanufacturing)為題，發表于國際權威期刊《自然通訊》(Nature Communications)。西安交通大學為第一通訊單位，化工學院博士生張晨悅與費強教授為共同第一作者，北京化工大學譚天偉院士和費強教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發計劃和陜西高校青年創新團隊等項目的支持。
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