【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】當(dāng)前化學(xué)工業(yè)對化石資源的高度依賴導(dǎo)致二氧化碳(CO2)排放激增和資源枯竭，傳統(tǒng)線性經(jīng)濟(jì)模式亟需轉(zhuǎn)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(xiàn)可持續(xù)化學(xué)生產(chǎn)的關(guān)鍵路徑。然而，一碳底物生物制造的工業(yè)化面臨技術(shù)經(jīng)濟(jì)瓶頸與環(huán)境風(fēng)險挑戰(zhàn)。
基于此，西安交大費強(qiáng)團(tuán)隊建立了生物制造的“技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-碳足跡”全鏈條評價體系(TECA)，其中包括通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析(TEA)量化工藝參數(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)系，精準(zhǔn)識別工業(yè)化進(jìn)程中的成本趨勢與經(jīng)濟(jì)瓶頸；借助全生命周期評價(LCA)追蹤產(chǎn)品從原料到廢棄處理全鏈條的污染物排放，實現(xiàn)環(huán)境效益評價與風(fēng)險預(yù)警。目前已構(gòu)建了涵蓋多種原料制備生物基產(chǎn)品的實踐案例，如甲烷合成活性產(chǎn)物、CO2制備依克多因、沼氣生產(chǎn)生物航煤等，相關(guān)成果已在Angewandte Chemie、Nature Communications、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry等國際著名期刊發(fā)表。盡管已有研究基于TECA體系開展了單一產(chǎn)品的輔助性評價，但尚未構(gòu)建一碳生物制造全流程的系統(tǒng)評估框架與前瞻規(guī)劃。
針對這一空白，費強(qiáng)團(tuán)隊近期借助TECA平臺技術(shù)，結(jié)合生物轉(zhuǎn)化一碳原料合成化學(xué)品的最新研究成果與實驗數(shù)據(jù)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(yè)規(guī)模的展望。該研究構(gòu)建貫穿實驗室研發(fā)到工業(yè)化生產(chǎn)的全鏈條評價體系，對一碳生物制造技術(shù)路徑的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境影響進(jìn)行全面收斂性評估。通過精細(xì)化拆解成本、動態(tài)推演效益、溯源追蹤碳足跡，全方位剖析產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性，旨在推動化學(xué)品生產(chǎn)去化石化，促進(jìn)循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展，為生物制造產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計提供依據(jù)，有力推動一碳生物制造商業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化，助力循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。該研究通過案例研究剖析一碳生物制造商業(yè)化的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)和技術(shù)障礙，提出提升成本競爭力的可行路線圖，強(qiáng)調(diào)其作為傳統(tǒng)化學(xué)生產(chǎn)的可擴(kuò)展和可持續(xù)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(chǎn)路線到循環(huán)一碳生物制造的轉(zhuǎn)變
該研究首先提出通過構(gòu)建具有工業(yè)屬性的“微生物細(xì)胞工廠”、深化電-生物催化級聯(lián)系統(tǒng)開發(fā)等方式加速技術(shù)進(jìn)步，提升碳轉(zhuǎn)化率。其次，倡導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界協(xié)同合作，整合工業(yè)尾氣、農(nóng)業(yè)沼氣及城市有機(jī)廢棄物中的一碳資源，以解決供應(yīng)鏈安全問題。此外，依托碳稅征收與碳排放權(quán)交易機(jī)制，通過獲取碳信用降低生產(chǎn)成本以提升經(jīng)濟(jì)競爭力。最后，可借助TEA識別關(guān)鍵成本驅(qū)動因素，為規(guī)模化投資決策提供量化依據(jù)以降低投資風(fēng)險。該研究進(jìn)一步通過LCA研究，證實一碳生物制造相較傳統(tǒng)工藝具有顯著碳減排優(yōu)勢。以丙烯酸生產(chǎn)為例，每生產(chǎn)1噸產(chǎn)品可減少約3.09噸溫室氣體排放，為化學(xué)工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供了重要理論支撐。該成果不僅為一碳生物制造技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用指明方向，更成為推動化學(xué)工業(yè)脫碳、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)支撐，有望重塑傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局(圖2)。
圖2 提高一碳生物制造經(jīng)濟(jì)可行性和可持續(xù)性的路徑
上述分析和結(jié)果以《推動一碳生物制造的經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性變革》(Economic and sustainable revolution to facilitate one-carbon biomanufacturing)為題，發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然通訊》(Nature Communications)。西安交通大學(xué)為第一通訊單位，化工學(xué)院博士生張晨悅與費強(qiáng)教授為共同第一作者，北京化工大學(xué)譚天偉院士和費強(qiáng)教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊等項目的支持。
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