01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称“青岛能源所”）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

近日，由国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心和科技日报社共同主办的《前沿科学》杂志，在2026年第2期策划推出“生物制造”专辑，邀请20多位领域内高水平专家撰写文章，聚焦我国生物制造转型升级的前瞻性思考与进展。

青岛能源所吕雪峰研究员应邀为该专辑撰写《绿碳+绿能资源耦合利用的绿色生物制造》一文。文章深入阐述绿碳资源利用体系架构，以及这一新范式在推动生物循环经济发展中的关键作用。

当前，在“双碳”目标与生物经济加速发展的背景下，推动绿碳与绿能资源耦合利用，有望为生物制造降低对化石资源依赖、提升碳资源利用效率提供新路径，对培育新质生产力、促进生物循环经济发展和绿色低碳转型具有重要意义。此次，吕雪峰研究员应邀撰文，不仅展示了青岛能源所在绿色生物制造与绿碳资源利用领域的科研积累，也体现了该方向在国家生物制造转型升级布局中的受关注程度。文章在《前沿科学》刊发，也将为相关领域科技交流、政策研究和产业实践提供有益参考。

绿碳+绿能资源耦合利用的绿色生物制造

中国科学院青岛生物能源与过程研究所、山东能源研究院 

刘亚君 吕雪峰*

 能源体系的有效重塑，关乎国家能源安全与可持续发展全局。2025年我国石油消费量为7.62亿吨，其中化工原料用油需求增长迅猛，“十五五”时期中国的石油对外依存度仍将保持在70%左右^[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》明确提出，到2030年“绿色生产生活方式基本形成，碳达峰目标如期实现，单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%，清洁低碳安全高效的新型能源体系初步建成”^[2]。实现这一目标，需要将传统的“开采-使用-废弃”的依赖化石资源的“灰碳”线性模式，转换为将“排碳”变为“用碳”、将“废弃物”变为“资源库”的“绿碳”循环模式。

图1. “绿碳–绿能”资源耦合利用的体系架构简图

绿碳资源利用正是应对这一挑战的新范式。它以“绿色碳科学”为理论内涵^{[3, 4]}，以二氧化碳、生物质、循环橡塑为三大可再生、可循环绿碳资源，通过生物转化、化学转化、生物-化学融合转化等绿色转化技术，有效耦合绿电、绿氢等绿能资源的转化利用，制备绿色燃料、生物基材料、精细化学品等绿碳产品，进而形成“绿碳+绿能→绿品”的全链条体系架构（图1）。

在绿碳资源利用体系架构中，基于生物转化技术的生物制造凭借其在温和条件下精准合成复杂分子的独特优势，成为连接“绿电/绿氢”与“绿品”的关键枢纽——它既是绿氢的“消费者”，也是绿电的“柔性消纳器”，更是循环经济的“催化剂”。本文将沿着绿碳资源利用的主线，聚焦生物制造领域的核心技术路线、典型进展、关键瓶颈与前沿方向，探讨这一领域如何助力我国能源体系重塑与循环经济发展。

以CO₂为代表的一碳气体生物转化

一碳（C1）气体主要包括二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）等含单个碳原子的气体，具有来源丰富且可持续等独特优势：全球每年CO₂排放量超过400亿吨^[5]；CO是工业副产物，可从煤气化等过程获取；CH₄作为天然气主要成分，储量丰富但利用低效。利用C1气体为原料，可实现碳捕获与资源化利用的双重目标，相关研究吸引了全球关注。

针对CO₂的利用，研究人员通过改造光合作用关键酶RuBisCO和提高光能捕获效率，将理论光能转化效率从自然界的1%-2%提高至25%^[7]；设计精确可控的人工固碳酶系统，通过定向进化和计算机辅助设计等酶工程技术显著提高了关键固碳酶的稳定性和活性，成功构建了CO₂到目标产物定向、高效转化的体外重组酶级联反应网络^[8]。此外，研究人员通过基因工程、代谢工程、合成生物学手段优化了蓝细菌、微藻等光合微生物系统构建了一系列面向应用的高效自养型微生物细胞工厂，显著提高了CO₂固定效率^[6]。对于CO的转化，通过对食气梭菌进行分子改造，成功构建了高产乙醇菌株，形成具有自主知识产权的合成气（CO + H₂为主）发酵生产燃料乙醇成套技术，对CO和H₂的比例没有严格要求，可以“直接串联”到煤化工和钢铁化工企业尾气装置，形成耦合连用 ^{[9, 10]}。面向 CH₄高效利用需求，开发了以CH₄为唯一碳源高效合成微生物蛋白的嗜甲烷菌高密度发酵技术，粗蛋白含量超过70%，进一步基于合成生物学技术，实现光能驱动下的CH₄与CO₂共利用与协同转化^[11]。

目前，这些先进的CO₂生物转化技术已成功应用于生产多种能源与化工产品（如对羟基苯甲酸、3-羟基丙酸、异丙醇、乙醇等）和聚合物前体（如聚羟基脂肪酸酯单体、乳酸、丁二酸等），实现了C1气体的变废为宝。其中，LanzaTech公司已在全球建成6套C1气体转化工业化装置，总产能超30万吨/年。国内，首钢朗泽建成全球首套4.5万吨/年工业尾气生物发酵制乙醇装置，截至2025年已建成4套工业化装置，乙醇总产能超21万吨/年，微生物蛋白总产能2.32万吨/年，技术达到国际先进水平。值得注意的是，一碳气体转化仍面临转化效率、绿氢成本、传质限制、产品选择性等诸多技术挑战。

非粮生物质生物转化

据国际能源署（IEA）预测，2021至2030年全球非粮生物质利用规模将以每年约10%的速度增长，到2030年，50%的生物质资源供应将来自无需占用土地的废弃物和残留物^[12]。我国每年产生秸秆近10亿吨，但目前多采用就地填埋、压缩燃烧等低值化利用方式，造成了巨大的资源浪费。非粮生物质的利用可有效避免“与人争粮、与粮争地”，是循环经济命题中应有之义。非粮生物质的生物转化主要有三条路线：

糖平台路线遵循“先解聚，后发酵”的传统路径。首先通过化学或生物方法，将生物质中的纤维素和半纤维素水解为可发酵糖（如葡萄糖和木糖），随后利用微生物细胞工厂将这些糖转化为目标产品。在糖平台路线中, 南京理工大学以秸秆等为原料，系统构建了新型预处理与高固酶解技术，可发酵糖浓度达200 g/L以上^[13]；青岛能源所创制了以产纤维小体高温梭菌为全细胞催化剂的整合生物糖化技术，并与后续微生物发酵体系协同作用，实现了从秸秆到目标化学品（乳酸、油脂等）的一体化生产^{[14, 15]}。然而，糖平台路线在酶解成本控制、糖液纯化，以及上下游衔接上仍具挑战。

热化学–C1气体转化路线遵循“先气化，后发酵”的模式。首先在高温下将生物质热化学转化为以CO、CO₂和H₂为主的合成气^[16]，再对接上文提到的C1气体生物转化路径，利用食气梭菌等微生物将这些C1气体转化为乙醇等化学品，最终实现生物质到目标产品的合成。该技术路线将固态生物质废弃物转化为气态原料，再通过生物转化生产高值化学品，实现了固体碳资源利用路径的根本性变革，也是对传统糖平台的重要补充。

直接转化路线也被称为整合生物加工技术。其核心是利用一种能将产水解酶、纤维素水解和产物发酵集于一体的工程菌，将生物质“一锅法”转化为最终产品^[17]。这是目前流程最短、理论上成本最低的方式。例如，中国科学院天津工业技术研究所构建了嗜热真菌为底盘的细胞工厂，直接将玉米芯等生物质高效转化为苹果酸和富马酸^[18]。直接转化是降本增效的终极目标之一，但也面临着水解与发酵过程协调及高产率菌株构建的前沿科学难题。

需要指出的是，非粮生物质原料的“资源量”并不等同于“可用量”，其收储运体系的缺失与不完善，是当前制约非粮生物质生物转化发展的核心瓶颈之一。以农业秸秆为例，秸秆产出具有强季节性，含水率波动大（30%–70%），灰分及杂质含量高，运输半径高度敏感（通常以50–100公里为经济极限），储存过程中易变质，导致实际可用率远低于理论资源量。因此，高效构建覆盖产、收、储、运、控各环节的系统化原料保障体系，是突破技术屏障后必须攻克的关键一环。

循环橡塑与生物基材料：从“白色污染”到“绿色循环”

根据联合国环境规划署发布的数据，从1950年到2017年，全球累计生产了约92亿吨塑料制品，其回收利用率不足10%（约70亿吨成为废弃物）。目前，全球塑料年产量仍超4亿吨（我国是最大生产国，占比32%），其中三分之一是一次性使用，全球回收率保持停滞^[19]（图2）。

图2. 全球塑料循环路径（2022年）^[19]

面向推动塑料循环利用、共同构建塑料产业的循环经济体系的重大命题，生物制造正在从两个方向同时发力：一是发展替代路径，即用生物基可降解塑料替代传统石油基塑料，从源头减少不可降解废弃物的产生；二是发展循环路径，即实现石油基塑料的生物法解聚回收，为已经产生的塑料废弃物寻找“出路”（图3）。

替代路径：发展生物基可降解塑料

替代路径的着力点在于突破单体的生物制造瓶颈。以聚乳酸（PLA）这一重要的生物可降解高分子材料为例，其规模化应用的前提是能够以可接受的成本、足够高的效率获取聚合级单体——高光学纯度L-乳酸。然而，乳酸的生产成本居高不下，根源在于三个方面：发酵效率偏低导致单位产能的设备分摊过高；分离纯化步骤多、收率低，推高了下游成本；此外，多数路线仍依赖粮食类原料，在资源约束下面临“与人争粮”的伦理困境与成本压力。

因此，替代路径的科研攻关正围绕两个核心方向展开：一是拓展非粮碳源，摆脱对粮食原料的依赖；二是通过菌株改造与工艺创新，提升发酵效率、简化分离流程，从源头压缩成本。以PLA的单体乳酸为例，近年来的多项突破正从不同角度回应上述挑战^{[20, 21]}。

值得一提的是，清华大学在另一种生物基可降解塑料——聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成方面取得了突破性的成果，通过分离耐高盐、高碱的盐单胞菌，开展代谢工程改造，并实现PHA的无灭菌发酵和连续培养，大幅降低生产成本^[22]。2025年5月，依托该技术在湖北宜昌建成的全国首条万吨级PHA生产线正式交付，采用非粮生物质和有机废弃物为原料。北京微构工场等企业也在推动PHA产品从农用地膜到快递包装再到医用材料的全场景应用。

循环路径：石油基塑料的生物法解聚回收

如果说生物基可降解塑料是从源头减少污染，那么对已产生的石油基塑料进行生物法解聚回收，则是为存量塑料污染寻找出路。传统物理回收是“降级利用”，化学回收面临高温高压、能耗高、选择性低等挑战。生物法解聚利用微生物或其产生的酶，在温和条件下将废弃塑料分解为化学单体，单体提纯后可重新聚合为原生级产品，真正实现闭环“升级回收”。

以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为例。全球PET年产量超8000万吨，广泛应用于饮料瓶和纺织品，极难自然降解，是污染最严重的塑料种类之一。PET生物解聚技术利用特定的酶，将废弃PET在温和条件下分解为对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG），单体重新聚合后可生产与原生塑料质量媲美的新PET材料^[23]。我国科研力量在这一领域表现活跃^[24]。例如，南京工业大学依托自研的AI辅助酶设计平台，开发出活性、产量和热稳定性俱佳的PET降解酶，并建立从降解到单体回收的技术路线，进一步推动酶法回收的产业化进程，让“塑料变回塑料”从概念走向真实的工业实践。

可以看出，生物制造正在从“替代”与“循环”两个方向重塑塑料产业格局，两条路径并非彼此割裂，而是存在融合趋势：可降解PHA、PLA材料在废弃后同样需要通过生物酶法高效解聚回收单体再聚合，实现自身闭环；而PET等石油基塑料的生物解聚技术，也为生物基可降解材料的降解回收提供关键技术借鉴。这种“生物合成-生物解聚”的双向贯通，正是生物制造对塑料产业循环经济最深层的贡献。

图3. 生物制造推动橡塑产业绿色循环

绿能与绿碳资源耦合赋能绿色生物制造

绿碳资源的生物转化利用需要与绿色能源的转化深入耦合。一方面，碳在不同形式和价态间的转化需要光伏、风电等绿色能源的驱动，需要绿氢参与催化与炼制过程。另一方面，绿碳生物制造还可以通过对绿能和绿氢的消耗，成为高效消纳光伏、风电等绿电形式的“柔性消纳器”。

例如，C1气体发酵可以成为最有潜力的绿氢直接“消费者”：产乙酸菌需要H₂作为电子供体，而电解水制绿氢恰好提供了清洁的H₂来源。将电解槽与发酵罐串联，可实现“绿电+C1”到乙醇、蛋白等绿碳产品的转化；传统发酵的最大能耗来自蒸汽灭菌和分离，由绿电驱动的机械蒸汽再压缩（MVR）、高温热泵和电热灭菌等技术来替代所需的中低温热负荷（<130 ℃），是实现绿电置换化石能源的典型应用场景^[25]。这一“电热替代”模式已在多个生物发酵企业（如氨基酸生产）得到推广，成为当前最现实的绿电消纳途径。

可见，绿碳生物制造与绿色能源的深度耦合极具潜力，主要可以归纳为两种典型模式：气体发酵以绿氢为直接还原力，将波动性绿电转化为可储存、可运输的化学品，实现“电–氢–碳”的化学能存储；电热替代则以绿电置换化石能源，在不改变核心发酵工艺的前提下大幅降低化石能耗与碳排放。前者是能量载体层面的耦合（绿氢参与代谢），后者是能量形式层面的替代（绿电取代燃煤燃气）。两者共同诠释了生物制造作为“柔性消纳器”的核心价值——它不是被动接受绿色能源，而是主动将其转化为物质产品，同时为可再生能源系统提供大规模、灵活可调的负荷终端。未来，随着电解水制氢成本持续下降和电力市场化改革的深入，生物制造有望成为连接新能源与循环经济的重要枢纽。

结语

正如诺贝尔奖得主朱棣文等所强调的，迈向可持续能源未来需要多技术融合与系统创新^[26]。绿碳资源利用以CO₂、生物质、循环橡塑为碳源，以生物制造为关键技术支柱，正在开辟一条“绿电→绿氢→绿碳→绿品”的全新产业链条。

我国在这一领域拥有资源、产业、市场、政策的综合优势，同时也面临基础研究原创性不足、工程化放大能力薄弱、多技术融合度不高等挑战。面向未来，需加强跨学科协同，以AI赋能技术（AI for Science and Engineering, AI4SE）迭代，以标准引领产业规范，使生物制造真正成为我国能源体系重塑的核心引擎，为全球绿色低碳转型贡献中国智慧。

参考文献

[1] 中国石油集团经济技术研究院. 2025年国内外油气行业发展报告[R]. 北京: 中国石油集团经济技术研究院, 2026.

[2] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要[EB/OL]. (2026-0314).http://szb.eyesnews.cn/pc/cont/202603/14/content_175336.html.

[3]HE M, SUN Y, HAN B. Green carbon science: scientific basis for integrating carbon resource processing, utilization, and recycling[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(37): 9620-9633.

[4] LIU Z, YI X, GAO F, et al. Green carbon science: a scientific basis for achieving ‘Dual Carbon’ goal—academic summary of the 292nd “Shuang-Qing Forum”[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(1): 2112029.

[5] Energy Institute. 2024世界能源统计年鉴[R]. 伦敦: 能源研究所, 2024.

[6] CUI J, SUN H, CHEN R, et al. Multiple routes toward engineering efficient cyanobacterial photosynthetic biomanufacturing technologies[J]. Green Carbon, 2023, 1(2): 210-226

[7] MCDONALD J L, SHAPIRO N P, MENGISTE A A, et al. In vivo directed evolution of an ultrafast Rubisco from a semianaerobic environment imparts oxygen resistance[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025, 122(27): e2505083122

[8] SCHWANDER T, SCHADA VON BORZYSKOWSKI L, BURGENER S, et al. A synthetic pathway for the fixation of carbon dioxide in vitro[J]. Science, 2016, 354(6314): 900-904.

[9] YANG F, LI W, YE W, et al. Stepwise engineering of Clostridium ljungdahlii for efficient ethanol production from single-carbon gases[J]. Green Carbon, 2026, 4(1): 89-95.

[10] LIU Z Y, JIA D C, ZHANG K D, et al. Ethanol metabolism dynamics in Clostridium ljungdahlii grown on carbon monoxide[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2020, 86(14): e06715-19.

[11] JIAO Z Q, GAO Y L, WEI W T, et al. Bio-photocatalytic synergy enables valorization of CH₄ and CO₂ into hydrogen and 4-hydroxybenzoate in engineered methanotrophic bacteria[J]. Angewandte Chemie, 2026, 138: e26097.

[12] IEA. Net zero by 2050: a roadmap for the global energy sector[R]. Paris: International Energy Agency, 2021.

[13] ZHANG Y, XU Z, LU M, et al. High titer (200 g/L) lactic acid production from undetoxified pretreated corn stover[J]. Bioresource Technology, 2023, 388: 129729.

[14] LIU Y-J, LI B, FENG Y, et al. Consolidated bio-saccharification: leading lignocellulose bioconversion into the real world[J]. Biotechnology Advances, 2020, 40: 107535.

[15] SONG X, WAN W, ZHANG Y, et al. Production of docosahexaenoic acid from furfural residue wastes through integrated whole-cell lignocellulosic saccharification and lipid fermentation by Aurantiochytrium[J]. Bioresource Technology, 2025, 431: 132606.

[16] ZHANG G, WANG Z, SHI D, et al. Rational design of H₂ production sites for achieving photoconversion of CO₂ with H₂O into widely adjustable syngas and highly effective H₂ evolution[J]. Green Carbon, 2025, 3(1): 11-21.

[17] XIN F, DONG W, ZHANG W, et al. Biobutanol production from crystalline cellulose through consolidated bioprocessing[J]. Trends in Biotechnology, 2019, 37(2): 167-180.

[18] GU S, WU T, ZHAO J, et al. Rewiring metabolic flux to simultaneously improve malate production and eliminate by-product succinate accumulation by Myceliophthora thermophila[J]. Microbial Biotechnology, 2024, 17(2): e14410.

[19] HOUSSINI K, LI J, TAN Q. Complexities of the global plastics supply chain revealed in a trade-linked material flow analysis[J]. Communications Earth & Environment, 2025, 6(1): 257.

[20] ZHANG Y, SUN W, SONG R, et al. Chemo-biological synthesis of l-lactic acid from solar methanol[J]. Artificial Photosynthesis, 2025, 1(4): 204-213.

[21] LIU J, HAN X, TAO F, et al. Metabolic engineering of Geobacillus thermoglucosidasius for polymer-grade lactic acid production at high temperature[J]. Bioresource Technology, 2023, 393: 130164.

[22] 陈心宇， 李梦怡， 陈国强. 聚羟基脂肪酸酯PHA代谢工程研究30年[J]. 生物工程学报， 2021, 37(5): 1794-1811.

[23] TOURNIER V, DUQUESNE S, GUILLAMOT F, et al. Enzymes‘ power for plastics degradation[J]. Chemical Reviews, 2023, 123(9): 5612-5701.

[24] LIU Y-J, ZHOU J, LI Y, et al. State-of-the-art advances in biotechnology for polyethylene terephthalate bio-depolymerization[J]. Green Carbon, 2025, 3(3): 303-319.

[25] FRIEDMANN J, FAN Z, TANG K. Low-carbon heat solutions for heavy industry: sources, options, and costs today[R]. New York: Center on Global Energy Policy, Columbia University, 2019.

[26] CHU S, MAJUMDAR A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future[J]. Nature, 2012, 488(7411): 294-303.

支持单位：