绿色生物制造产业发展趋势

绿色生物制造产业发展趋势

谭天伟，生物化工专家，中国工程院院士。1986年毕业于清华大学化工系。1993年获得清华大学博士学位。现任北京化工大学教授，校长。

主要从事生物化工研究，在脂肪酶及酶催化合成化学品上进行了大量研究，实现了有机合成用脂肪酶的生产和酶工业催化的应用；建立了基于标志代谢物控制的发酵放大新方法，并用于酵母发酵产品的工业生产；开发了发酵废菌丝体综合利用工业化应用新工艺。先后获国内外发明专利30余项，发表SCI收录论文200余篇，EI收录200多篇。获2项国家技术发明二等奖和4项省部级科技进步一等奖（第一完成人）。获得何梁何利科学与技术创新奖、谈家桢生命科学奖、亚洲青年生物技术杰出贡献奖（YABEC award）等。国家教学名师，培养博士和硕士研究生100余名。

1 全球生物制造产业发展现状

生物制造是生物经济产业化的“最后一公里”。目前全球生物制造加速发展的阶段，生物基产品市场已在美国超过国内生产总值的2.2%。据安捷伦科技公司估计，美国2012年仅来自工业生物技术的企业对企业收入贡献就达到了至少1250亿美元，生物基化工产品的应用约占660亿美元，而这其中有300亿美元的增长是依靠生物燃料。欧盟委员会估计，欧洲生物经济产值（不包括医疗应用）已达到每年2万亿欧元以上，并雇用2150万以上员工。随着合成生物学和工业生物技术的突破以及下游商业化应用的不断开拓，预计未来5～10年将加速增长，年均增速将超过15%。

2 合成生物学的进步加速生物制造产业化

生物学产业化将带来化学、燃料及材料的应用中新分子的产生，通过合成生物学可获得通过传统化学合成无法获得的新的高价值化工产品。合成生物学利用重组DNA的科学和读写能力的优势，并编辑微生物的DNA，使新的、更高效的代谢途径的设计与建造成为可能。这是目前通过化石燃料来源或传统制造所不能达到的。植物化学药物与保健品的植物提取正在转向生物合成制造，天然药物对珍稀自然资源的依赖和破坏的局面将被逐渐扭转，新的创造和市场创新的潜力仍然相当可观。美国科技调研机构BCC研究公司（BCC Research）研究的一项研究表明，到2016年，化工产品的合成生物学市场将增长到110亿美元。而根据麦肯锡全球研究所的一个广泛研究表明，合成生物学和生物产业化将提供一套颠覆性的技术，到2025年产生至少1000亿美元以上的经济影响。因此，一个强大的和颠覆性的新产业生态系统正在形成。即使在现在这一早期阶段，美国合成生物学商业公司的数量已经从2009年的54家增加到2013年的131家，出现了大量新创公司，而它们中的大部分已通过首次公开募股成功上市。但是由于在广泛的领域中一些较大的公司的快速吸收和利润，这些数据低估了合成生物学的全部经济影响。因此，先进化工产品制造广泛应用于能源、医疗、先进消费产品、农业、食品、化妆品和环境，这些应用有望在可溯源的全球市场机会中带来数万亿美元的收益。巨大的市场规模和增长率使得各国政府和跨国企业纷纷布局合成生物学技术，国际竞争的态势已经显现。

3 我国经济社会对生物制造产业发展的需求分析

3.1 保障国家能源安全需求，促进化工原料多元化

目前，全世界的石油化工工业都处于技术创新和产业结构升级的重要转折期，以新材料与新能源产品为主的高端化工制造业是未来新的竞争优势和新增长点。目前我国通过原油炼制路线制备大宗化学品，因环境、技术、资源、安全等诸多因素，形式严峻。部分产品在原料方面高度依赖进口，自主保障率低，同时生产过程能耗高、污染重。其中，2013年原油对外依存度为58%，烯烃对外依存度为30%～50%，天然橡胶对外依存为75%等。这对我国的经济和国防安全带来了巨大的挑战。例如，2014年我国对二甲苯（PX）、天然橡胶对外依存度分别高达51%和80%，尤其“PX项目”多次引起广泛争议，遭遇“抵制散步”，不得不被无限期搁置，严重制约了材料、精细化工等下游产业大发展，已成为威胁到国家战略安全的重大问题。欧盟等发达国家和地区征收过境航空“碳排放税”，使得我国生物航煤的研发迫在眉睫。而国外已经积极开发大宗化学品的生物制造，争夺战略制高点。杜邦公司和固特异(Goodyear)公司，联合开发利用生物基异戊二烯路线替代合成橡胶，并推出了生物轮胎。可口可乐公司、Virent公司合作用生物PX路线替代传统PX路线，已经进入中试。由于新的原料路线和新型绿色生产技术多被国外垄断，无法从根本上支撑我国产业结构的转型升级，导致引领发展能力不足，难以抢占战略制高点。生物基液体燃料和化学品采用绿色生物工艺，为我国未来化工原料多元化战略中提供一个新的重要突破口。理论上90%的传统石油化工产品都可以由生物制造获得。通过提升可再生能源比重，利用生物质生产生物燃气和液体燃料补充石油燃料，以生物基化学品补充石油化学品，降低对进口石油和燃气的依赖，为我国未来化工原料多元化战略中提供一个新的重要突破口，有利于实现我国能源生产与消费革命，保障国家能源安全。同时可以促进产业由中低端向中高端迈进，形成生物橡胶、生物航煤和生物PX等战略性新型化工产业链和新的经济增长点。

3.2 促进工业绿色低碳发展，实现传统产业转型升级

环境污染和温室气体排放形势严峻，倒逼化工行业走生态发展新路，推动化工行业从高排放、高消耗，向低排放、低消耗、高效益转变，是促进经济转型发展的重大需求。习近平总书记反复强调指出“绿水青山就是‘金山银山’”。李克强总理在《政府工作报告》中指出，环境污染是民生之患、民心之痛，要铁腕治理。而我国环境污染中，化学污染占各类污染的80%～90%。化工企业排出的未经处理的高毒污水对水质、土壤的污染，导致几百个癌症村的产生，严重危害人民的健康。随着2015年新环保法的实施，传统化工行业面临更严格的法律和制度约束。生物制造工艺具有资源消耗小、污染排放少的特点，它的发展与传统化工产业改造相结合，是改变化工产业生产方式，绿色革命及保证我国社会可持续健康发展的必由之路。例如，生物工艺应用在高耗能和“三废排放”的重点行业纸浆和造纸过程中，能在漂白过程中降低40%的能耗，减少10%～15%的氯排放；在纺织后整理环节使用酶，能达到节能9%～14%，节水17%～18%；在制革行业、采矿与勘探行业可以减少众多有害物质排放，如：硫化氢及含氰废水。生物制造产业可以通过生物方法合成自然界中稀少的天然提取物，为其大规模工厂化生产提供了一个途径。通过生物方法能合成新型的功能性产品，替代现有添加剂，应用到各种食品、保健品、医药品等产品中，更好地满足人们对食品安全、营养与健康的更高诉求。

预计到2030年，通过重大化工产品生物制造平台的发展将使相关技术渗透到包括能源、材料、医药、食品、环境保护等多达十几万亿元的多个国民支柱产业的发展，对我国的经济转型升级也将起到极为重要的作用。

3.3 改善生态环境质量，积极应对全球气候变化

中国目前已经成为全球最大的温室气体排放国，预计到2020中国温室气体排放还会增长20%（比2011年），在国际上面临巨大的减排压力。生物液体燃料能够有效降低机动车空气污染物排放和温室气体排放。例如，根据美国能源部北美国家实验室、橡树岭国家实验室和中国国家环境保护部对黑龙江肇东、哈尔滨以及广西北海、南宁四个使用混合了10%燃料乙醇的E10乙醇汽油的地区大气监测研究表明，E10乙醇汽油能够降低机动车34.8%的一氧化碳、42.7%的挥发性碳水化合物排放，以及6%～10%的温室气体排放。生物航空煤油的添加比例能够达到50%，可以降低65%～85%的温室气体排放。另外，以纤维素乙醇为代表的以农林废弃物为原料的下一代生物液体燃料即将进入商业化，将有助于解决秸秆焚烧这一难症。

4 生物制造产业发展重点方向建议

4.1 重点发展对消费者健康有明显影响或对比石化路线有明显优势的新型生物基产品及其衍生物的产业化,重点解决产业链上的关键环节和上下游问题。①积极培育具有重大战略意义的生物基大宗化学品的新型原料和转化路线，注重与现有化工材料如塑料、纤维、橡胶等主流产业的衔接，形成生物橡胶、生物航煤、生物PX等新的产业链。②大力推进生物基材料相关单体、聚合物及加工助剂的产业链建设，加强应用技术的开发，重点解决产业链上的关键环节，如产品类型、配比和应用等问题，实现生物基树脂、生物基聚氨酯、生物尼龙、生物基增塑剂基下游PVC制品等产业链的产业化示范。

4.2 生物基精细化学品方面，大力推动特种食品、医药和添加剂、酶制剂等具有高附加值的生物基精细化学品的产品研发、工艺改进和大规模产业化进程；推动下游食品、保健品、医药、化妆品、饲料企业的终端产品的竞争力和产业转型升级。实现化工园区的生物技术改造，改善化工园区的生态环境。

4.3 突破纤维素乙醇商业化，在纤维乙醇发展所建立的纤维素糖的基础上，集成各类糖工程技术，进一步向更高附加值的先进生物液体燃料、生物基精细化学品和生物基材料的开发，生产丁醇、有机酸、表面活性剂、PX、PMMA等更高附加值的产品，以最大化生物质的价值利用。初步解决生物质原料如农业废料、畜牧业养殖业废物等的深度加工利用技术，达到减少排放和环境保护的双重目标。

4.4 加强与生物制造相关联的基础科研和过程工业技术的研究，重点突破合成生物学、工业酶催化和生物技术装备等核心技术。加强与生物制造相关联的基础科研和过程工业技术的研究。

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10.3969/j.issn.1674-0319.2015.06.001