加快推进绿色生物制造 助力实现“碳中和”

谭天伟，陈必强，张会丽，崔子恒

（北京化工大学生命科学与技术学院，北京100029）

1 绿色生物制造的深刻内涵与意义

生物制造是以工业生物技术为核心技术手段，改造现有制造过程或者利用生物质、CO2等可再生原料生产能源、材料与化学品，实现原料、过程及产品绿色化的新模式。生物制造作为生物技术产业的重要组成部分，是生物基产品实现产业化的基础平台，也是合成生物学等基础科学创新在具体过程中的应用。我国是世界第一制造大国，践行“绿色发展”理念，生物制造是重要的突破口。生物制造将从原料源头上降低碳排放、通过工业生物技术实现绿色清洁的生产工艺，是传统产业转型升级的“绿色动力”。要把绿水青山变成金山银山，“绿色生物制造”是资源与环境可持续发展的最好路径之一，也是我国未来最具发展前景的领域之一。

1.1 生物制造是全球新一轮科技革命和产业变革战略制高点，是未来生物经济的主导力量

生物技术不断从医药、农业和食品领域向工业领域，如化工、材料及能源领域转移，汽油、柴油、塑料、橡胶、纤维以及许多大宗的传统石油化工产品，正在不断地被来自可再生原料的工业生物制造产品所替代，高温高压高污染的化学工业过程，正不断向条件温和、清洁环保的生物加工过程转移。现代生物制造产业正在加速形成与扩展，一个大规模的生物产业即将到来。世界经济论坛（WEF）发布的报告显示，利用可再生的原料生产生物基产品是未来新兴生物经济的重要特征。美国早在2002年就通过《美国农业法案》，并出台生物优先计划，鼓励购买可持续的生物制造产品[1]。这一计划授权美国农业部审查并标记生物基产品，建立了最低添加标准以减少石化产品的使用，并强制性公共采购作为创新杠杆。据美国国家研究委员会的报告[2]，2017年美国生物产业总产值约为3880亿美元，贡献了超过2%的国民生产总值（GDP），其中最大的组成部分是工业生物技术，即生物制造产业，产值约为1470 亿美元，超过了生物医药产业和生物农业的产值。生物制造产业包括材料、酶和相关化学品的开发，其中占比最大的是生物基化学品，超过生物制造产业一半。Bioeconomy Capital预测[3]：到2030年，大部分新化学品供应将由生物技术提供；到2040 年，生物化学品将在多个竞争领域超越石化产品。目前，生物燃料乙醇、重大化工产品1,3-丙二醇、生物可降解塑料聚乳酸和聚羟基烷酸酯等生物基产品已经实现规模化制造，聚酯材料、橡胶、合成纤维等传统石化基高聚物单体的生物合成技术不断创新。全球生物基产品占石化产品的比例已从2000 年的不到1%增长到了现在10%，并以每年高于20%的速度增长，展现出一个生物基经济的雏形和强劲的发展势头。

1.2 生物制造是变革我国化工制造模式，破解石化原料瓶颈的重大方向

化工产业是国民经济和国防工业重要的基础性行业。一方面，受限于资源匮乏，我国目前化工产业在原料方面对外依存度高，2018 年石油、天然橡胶等对外依存度分别达到了70%与76%[4-5]，这对我国的经济和国防安全带来了巨大的挑战。另一方面，自中美贸易战打响以来，我国众多核心化工产品与技术“卡脖子”现象日益凸显，如尼龙等对国民经济有重大影响的高端产品高度依赖进口，也折射出当前化工领域产品体系、技术体系、产业体系与知识产权体系存在的诸多问题，急需在新的绿色原料和技术路线方面取得突破。使用生物质等绿色资源生产液体燃料和化学品，可为我国未来化工原料多元化战略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。建立以可再生生物质资源为原料的生物制造路线，实现化工产品生产原料向可再生原料转移，不仅可节约数千万吨轻质石脑油原料，有助于保障国家经济和国防安全，同时也可以促进产业由中低端向中高端迈进，创造一个全新的化工产业链和经济增长点。对实现我国化工产业可持续发展具有重要意义。

1.3 生物制造是促进我国实现“碳中和”发展目标的重要途径

习近平总书记在2020 年9 月联合国大会庄严承诺，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取到2060年前实现碳中和”[6]。实现“碳中和”的目标，需要能源系统和制造业的颠覆性变革，从化石能源为主转向可再生能源为主，从不可再生碳资源转向以可再生碳资源为主。近年来随着工业生物技术的发展，越来越多的企业开始使用可再生原料，例如玉米、农业和林业残留物、能源作物甚至二氧化碳生产液体生物燃料和有机化学品。新型的碳捕集和利用技术不断涌现，这些技术可以将工业排放中的废碳（如钢铁行业工业尾气，甚至空气中的CO2）用作化学品的 原料，转化为液体燃料和化学品，不仅减少了CO2的工业排放量，而且减少了化工过程的总碳足迹[7]。部分生物制造商已经在可再生碳转化的技术研发领域取得了一系列成果，如首钢朗泽4.5万吨/年钢铁工业尾气生物发酵制燃料乙醇商业化项目于2018年5月一次调试成功，项目投产后每年可为钢铁企业减少二氧化碳排放约17 万吨[8]。随着CO2利用技术的进步，其有望部分取代和颠覆部分化工产品的生产方式，将碳排放过程扭转为一个碳负性过程，成为降低工业过程减排的有力新途径。

1.4 生物制造是实现农业工业化，助力乡村振兴的重要手段

发展绿色生物制造可实现工业反哺农业，可以增加就业岗位，对于发展农村经济具有十分重要的意义。根据中国工程院咨询研究报告《我国生物燃料产业关键技术开发、示范与应用》，2010年我国八大类废弃物年可利用资源量能源潜力折标煤4.24 亿吨，边际性土地种植相应能源植物的产能潜力约为4.95 亿吨标煤。发展生物燃料产业，能将生物质废弃物就地焚烧、畜禽粪便、生活垃圾等产生污染的“负能量”，转化成车用液体燃料或航空煤油，形成“正能量”，是解决“能源、环境、农业”三大难题的最佳结合，既改善能源结构，又减少环境污染，一举多得。将农作物秸秆资源优先用于生产纤维素乙醇，可解决汽油质量升级缺辛烷值难题；油料作物种植和生产的油脂重点用于生产生物航空燃料，可解决航空液体燃料替代及碳减排难题；畜禽粪便量、生活垃圾主要通过甲烷化生产生物燃气，可解决农村能源需求、改善环境难题。

2 我国生物制造产业发展现状与存在的问题

我国生物制造产业虽然起步较晚，近年来发展迅速，以低成本、大规模等优势取得了部分大宗产品在产量、规模上的市场优势，在创制生物经济新路线和推动传统化工产业技术升级等应用研究方面已有一定基础，在部分关键产业领域生物炼制技术成熟度方面已走到前列。在生物发酵产业领域，我国正在加速由发酵工业大国向发酵强国转变，产业发展平稳，产品产量于2018 年达到2961.6 万吨，总产值2472亿元[9]，新型发酵产品品种和衍生新产品持续增多。生物基材料单体与聚合物产业领域，已形成以可再生资源为原料的生物材料单体制备、生物基树脂合成与改性、生物基材料应用为主的生物基材料产业链。已建成产能约2 万吨生物基1,3-丙二醇、生物基丁二酸的生产线。聚乳酸（PLA）年产能1万吨，位居世界第二[10]。聚羟基脂肪酸酯（PHA）年总产能超过2万吨，产品类型和产量国际领先[11]。生物能源方面，自2017 年《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》（简称“实施方案”）公布以来[12]，我国燃料乙醇发展规模迅速扩大。作为世界上第三大生物乙醇生产国和应用国，仅次于美国和巴西，目前已建成产能500万吨，在建产能合计超过300万吨。

然而，当前生物制造产业的核心层面仍然存在短板，表现为关键核心技术和前瞻技术储备不足、核心装备研发落后、市场化程度低、竞争力不足。美国、丹麦、荷兰、日本等国的企业在酶制剂等现代发酵行业中处于技术垄断地位。我国在大宗发酵产品（氨基酸、有机酸、维生素等）等具备规模优势的产业领域普遍存在工业生产催化剂知识产权侵权的隐患。丙二醇、尼龙等重大化学品也遭遇全方位的专利封锁，尚未打破杜邦等国外大型化工集团的垄断。与发达国家相比，我国科技战略架构、底层核心技术、关键装备还存在差距，产业发展仍面临巨大挑战。

3 绿色生物制造的未来发展路径与方向

3.1 推进原料体系多元化战略，加快绿色原料路线的突破

未来生物制造将向原料利用多元化、生物转化体系高效化、产品高值化等方向发展，构建从可再生原料到终端产品的全产业链。原料方面，以淀粉和油脂为代表的第一代生物制造目前将占据主导地位，处于成熟的商业化阶段。以木质纤维素（如玉米秸秆）为原料的第二代生物制造逐步进入中试和产业化示范阶段。通过酶制剂的高效水解将纤维素制备成葡萄糖、木糖等可发酵糖，对于未来超大规模生物制造产业体系的建立具有决定性作用，是绿色制造的重要支撑。以CO2为原料的生物转化是第三代的生物制造路线[13]，可有效降低生物工业制造的原料成本，降低对化石资源的过分依赖，已引起世界各国政府的高度重视。欧盟、美国、加拿大、英国、澳大利亚等均制定了将CO2作为工业生物技术的新型替代原料的相关技术发展路线图。以CO2生物利用为契机，建立以CO2为原料的工业生物转化新路线，加速推进我国生物制造产业的原料路线转移，将有助于我国在生物经济新一轮国际竞争中赢得先机。需要突破的重点方向包括：开发CO2、CH4有机碳一原料的利用途径，突破其生物转化的物质与能量利用瓶颈；设计能够将CO2和电子源转化为液体燃料和化学品的微生物；开发新型工具，实现CO2固定器中碳浓度/固定途径的工程设计，实现由碳一原料出发，生产各种燃料和化学品的生物制造路线。

3.2 加快颠覆性技术创新，建立先进生物制造技术体系

生物制造的技术价值核心在于高效优质的生物催化剂（工业酶和菌种），以及围绕酶和菌种的一系列生产装备、技术与体系。以生物基化学品、生物基材料、生物液体燃料为代表的新兴生物制造业由于发展历史较短，正处于飞速发展阶段，往往革命性的新一代酶和菌种、技术能完全改变整个产业的发展走势，快速占领绝大多数市场份额，甚至开发出全新的市场。所以自主的核心酶和菌种生物制造产业的“芯片”是新兴生物制造产业发展的根源。随着工业生物研究逐渐进入大数据和人工智能时代，前沿生物技术与计算机、物理、化学等技术的结合将为工业酶创制、菌种合成与筛选等提供数据与技术支撑。未来需要重点发展融合人工智能的工业酶和工业菌种的工程生物学创制，突破工业酶筛选与快速定向进化、过程大数据指导的生物合成快速工程化、生物制造装备与系统集成等系列关键技术；建立利用不同生物质原料，实现高产率、高浓度生产可再生材料及高价值化学品的生物制造技术体系和产品体系。

4 展望

未来绿色生物制造相关技术将渗透到包括能源、材料、医药、食品、环境保护等多个国民支柱产业的发展，对我国传统产业的转型升级也将起到极为重要的作用。生命科学和工业生物技术的高速发展使得以前无法实现的产品生物制造变成了可能。我国的生物制造产业正处于技术攻坚和商业化应用开拓的关键阶段，一旦众多产品的生物路线商业化，将会极大推动产业的快速发展。因此，抓住生物制造战略发展和机遇期，加快生物制造战略性布局和前瞻性技术创新，加快从基因组到工业合成技术、装备突破，支撑生物基化学品、生物基材料、生物能源等重大产品的绿色生产，带动数万亿规模的新兴生物产业，以生物制造推动“农业工业化、工业绿色化、产业国际化”，对于我国走新型工业化道路，实现财富绿色增长和社会经济可持续发展具有重大战略意义。