“双碳目标”驱动下绿色生物制造产业发展现状及集群发展的必要性探究

王浩绮 董维亮

[摘要]绿色生物制造产业的建设和发展是建设制造强国的重要路径之一。我国绿色生物制造产业虽然起步较晚，但近年来发展迅速。本文基于大宗化学品全生命周期的碳排放数据，从绿色生物制造产业发展与实现“双碳目标”的态势出发，系统综述我国绿色生物制造产业发展现状、短板问题以及对“碳减排”的意义，剖析了我国绿色生物制造产品研发方向分散、附加值低、市场化程度低的问题，提出绿色生物制造产业亟须瞄准石化基大宗产品原料替代、高附加值精细产品生物合成等方向，建立“原料—过程—产品—市场”一体化的产业集群的发展建议。

[关键词]双碳目标；碳减排；绿色生物制造；产业集群

一、 引言

在碳达峰、碳中和的国家战略背景下，国家明确了“3060”双碳目标和行动方案1。我国制造业践行低碳化发展之路、进行战略性产业链重构迫在眉睫。绿色生物制造是以工业微生物技术为基础，利用废弃生物质等低附加值产品为原料，利用工业微生物和酶，实现化学品生物法合成的绿色发展路线[1]。绿色生物制造不仅可以降低对化石资源的依赖，还可以利用CO2等可再生原料以“碳负”的方式生产化学品[2]，是一种实现原料、过程、产品全流程绿色化的全新生产模式（图1）。

经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）预计全球有超过4万亿美元的产品由化工过程而来，而在未来的10 年，至少有8000亿美元的石化产品市场将由绿色生物制造过程替代。因此，抢先突破绿色生物制造的关键技术，占得先机，才能引领未来经济发展[1]。以生物基1，4-丁二醇（BDO）绿色生物制造产业为例，2016—2020年中国BDO总产量由109.9万吨增加至147.6万吨[3]。但从生产工艺来看，目前国内BDO产能大多为炔醛法，占比约90%[3]，该工艺属于能源密集型产业，会造成大量温室气体排放。意大利Novamont公司的LCA分析，与传统BDO相比，生物基BDO在其整个生命周期中减少了50%的碳足迹[4]。Adom等[5]的研究结果则表明，从玉米秸秆衍生的糖类中生产的生物基BDO的温室气体排放量比化石基对应物低约52%。近年来随着工业生物技术和合成生物学的发展，利用低劣生物质如木质纤维素、秸秆等可再生能源为原料，利用微生物发酵技术来生产如乙醇、丁二酸等大宗化学品的绿色生物制造工艺越来越多[6-7]。此外，一些研究利用微生物直接固定空气中的CO2合成淀粉等化学产品[8-9]。这些绿色生物制造过程在减少CO2总排放量的同时，还为农林废弃物的资源化利用提供了新方向。

工业酶催化剂和工业菌株的设计和开发是绿色生物制造的核心要素[10]，国家也在大力支持绿色生物制造产业的发展。在科技部国家重点研发计划项目“绿色生物制造”等重大专项的重点支持和部署下，湖北大学、华东理工大学、天津科技大學等单位牵头，实施了包括工业酶的智能设计与催化应用、工业酶通用高效表达系统构建、轻工业核心酶的分子设计与酶制剂智造等多项针对绿色生物制造过程中的核心酶和菌株的研发项目（表1）。发掘并创制了多个适用于工业生产环境的高效菌株和酶，推动绿色生物制造过程朝着高效、经济、环保的方向快速发展，成为实现“双碳目标”的重要支撑。

二、 绿色生物制造产业对“碳减排”的贡献

绿色生物制造产业发展对“碳减排”的贡献受到全球关注。作为一种新兴产业形态，绿色生物制造产业利用生物技术和工程学等技术手段，生产高附加值的生物制品和生物能源。据OECD预测，至2030年，30%的化学品和其他工业品将出自绿色生物制造，2060年有望达到50%以上，每年将可降低25亿吨的二氧化碳排放[11]。在绿色生物制造产业中，生物质能源的利用、生物基材料的应用和生物碳捕集是促进“碳减排”的重要方向。本文将以上述3个方面为例，探讨绿色生物制造产业发展对“碳减排”的贡献，并通过数据加以说明。

1. 生物质能源利用

目前绿色生物制造已涉及国民经济大多数的行业，据国家能源局发布的《2021年能源工作指导意见》，到2025年，我国将实现生物质能源消费总量超过1亿吨标准煤1。这意味着生物质能源将成为我国能源消费的重要组成部分，这对减少化石燃料的使用、降低碳排放具有重要作用。以生物能源的制造工艺为例，根据中国农业科学院农业资源与农业区划研究所发布的数据，2021年我国农作物秸秆资源总量约为7.34亿吨，其中可利用量约为6.47亿吨2。通过将农作物秸秆转化为生物能源，如生物乙醇的利用量稳定在6000多万吨。生物乙醇是一种可再生的绿色能源，生物乙醇的燃烧过程中释放的二氧化碳量较低。每消耗1吨生物乙醇可以减少约3.5吨二氧化碳排放，相当于每年减排二氧化碳21000万吨3。除生物乙醇以，生物航空煤油在“碳减排”中也展现出巨大潜力。1吨传统航煤燃烧后将排放3.2吨二氧化碳，我国目前的航煤消费量约3000万吨，如全部以生物航煤替代，以每吨生物航煤至少减排30%来计算，一年可减排约3300万吨二氧化碳，相当于近2000万辆经济型轿车停开一年[12]。

2. 生物基材料应用

以废塑料的绿色生物制造工艺为例，每生产1吨的塑料制品就要排放5.1吨的二氧化碳，而物理回收1吨的废塑料，最理想的情况下二氧化碳排放仅为0.1吨，因此回收1吨塑料可以减少5吨的二氧化碳排放[13]。一些品质较低的废弃塑料虽然无法进行物理回收后再利用，但可以借助绿色生物制造技术将废塑料解聚形成塑料单体小分子[14]，小分子可以作为原料被分离纯化使用，也可以用作微生物的底物用于合成其他具有较高附加值的化学品[14-15]，进一步减少碳排放。此外，在工业生物催化过程中，使用1公斤酶制剂能够减少约100公斤的二氧化碳排放量。到2030年，纺织、造纸和洗涤等传统行业中生物技术应用全面渗透市场，预计每年可节省6500万吨二氧化碳当量[16]，食品行业酶应用的潜在总减排量每年为1.14亿吨至1.66亿吨二氧化碳[16]。因此，推动绿色生物制造产业的发展，有望在产品的生产、回收、再造的全生命周期中减少二氧化碳的排放，对“双碳”目标的实现具有重要意义。

3. 生物碳捕集

国际可再生能源署预测，到2050年，全球气温较工业化前水平升幅应控制在1.5°C之内，而碳捕集技术将贡献全球温室气体减排总量的近14%1。因此，中国科学技术部社会发展科技司和中国21世纪议程管理中心一致认为碳捕集、利用和封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术是化石能源大规模低碳化利用的有效途径。CCUS是指把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术。以微藻为例，通过微藻固碳合成化合物技术的攻关和突破，有望建立以CO2为原料、以太阳能为能源，规模化生产大宗食物、能源、化学品和医药保健品的新兴绿色生物制造产业[17]。其中利用微藻转化CO2合成丙二醇、生物乙醇、生物柴油、生物氢等技术已经具备工业化条件[17]。碳捕集技术还可以将工业排放中的废碳（如钢铁行业工业尾气，甚至空气中的二氧化碳）用作化学品的原料，转化为液体燃料和化学品，不仅减少了二氧化碳的工业排放量，还减少了化工过程的总碳足迹。

三、 当前绿色生物制造产业面临的问题

1. 绿色制造产业间协同不足

绿色生物制造是一个由众多生产环节耦合而成的系统性工程，低成本、稳定的原料供应是产业快速发展的基础。目前，我国生物制造原料以淀粉等可发酵糖为主，90%以上来源于玉米等谷物粮食，存在严重的“与民争粮”的问题，按每年可用于工业加工玉米量3000万～5000万吨计，难以支撑生物制造产业的规模发展[18]。因此建立与非粮生物质高效糖化、非粮生物质综合利用产业的协同是绿色生物制造产业可持续发展的关键（图2）。当前，我国木质纤维素、甲醇、CO2、合成气等储量巨大，它们是优良的生物制造候选原料，但现阶段存在转化效率低、技术经济性难以与石化炼制产品竞争等问题，尚不能支撑大规模生物制造。因此，建立可持续的原料供应体系，加强与原料供应企业间的协同，已成为保障我国生物制造产业发展的重要任务。

2. 绿色生物制造产业选品同质化严重

绿色生物制造作为一种依赖生物技术的创新制造模式，在选择绿色生物制造的产品过程中容易出现盲目跟风的现象，一些企业由于自身研发能力不足，通常采用在已报道的技术上进行优化的方式进行生产，导致我国绿色生物制造产业选品同质化严重。一些合成生物初创企业在一些“现成”的产品和技术的基础上做优化，以此快速生产。但下游应用厂商注重产品价格和品质，同质化的生产技术和产品只会形成内耗。处在上游生产原料的合成生物学企业需要通过研发和工艺改进建立成本和品质优势，处于下游的厂商要准确把握自己擅长的技术，不盲目跟风，不做自己不擅长的领域，在整个绿色生物制造的过程中瞄准某一环节，同时与下游厂商建立互信关系，建立协同发展模式。

3. 绿色生物制造产品缺乏深加工过程

当前一些大型的绿色生物制造企业以生产大宗化学品为主，大宗化学品可能利润较低但是市场需求大可以为企业带来稳定的收益。然而，大宗化学品的绿色生物制造工艺的研发对成本控制、产业化能力要求很高，需要花费巨额的资金，且经历很长时间才能量产，初创企业很难承受如此高成本的持续资金和时间投入。当前，绿色生物制造企业的产品管线单一且缺乏深加工过程以拓展产品的种类，其核心原因是因为新产品的研发成本太高。因此，通过企业间的协同，对绿色生物制造产品进行深加工，开发多元化产品，提高产品的附加值，是提升绿色生物制造产业的整体价值的重要途径。

四、 绿色生物制造产业集群发展的必要性

由于绿色生物制造产业路线和工艺的复杂性，企业独立完成整个产品的生产和深加工过程的难度大且成本高，因此发挥不同企业的优势形成集群效应，增强各个生产环节衔接的紧密性建立集群发展模式，不仅可以提高绿色生物制造过程的效率，降低成本，还可以减少地域分割导致的物流运输过程产生的碳排放[19]。

产业集群，是一种由产业链上的相关企业所组成的跨行业、跨地域的产业组织形态[20]。创新型产业集群的建设和发展是建设制造强国的重要路径之一，對我国经济增长、制造强国建设有着重要影响[21-22]。创新产业集群可以促进相关产业在同一区域内形成产业链条和协同效应，利用各自的资源和技术优势相互补充和协调，实现整个产业链的高效互通[23-24]。绿色生物制造产业形成集群后，集群内企业可以实现高效衔接，有效避免企业间的地域分割和选品同质化，强化绿色生物制造产品的深加工过程，从而最大限度发挥绿色生物制造产业的优势。

绿色生物制造产业集群发展有利于加强品牌建设和市场拓展，扩大产业规模和提高产品质量，促进绿色生态经济的发展。同时，绿色生物制造产业集群的发展可以吸引相关产业的人才和资本集聚，形成产业聚集效应，吸引更多、更专业领域的人才加盟集群内的企业，还可以为高校和科研院所的原始创新型的绿色生物制造项目提供孵化平台，进一步培育绿色生物制造创新型产业，扩大集群规模。

五、 绿色生物制造产业集群发展的可选模式

我国当下的创新型产业集群和创新型培育集群主要集中于先进制造行业，如互联网、电子电路、新能源汽车等传统行业[21， 25]。作为近些年刚刚兴起的绿色生物制造产业，其发展时间较短，目前国内生物产业相关的全国试点（培育）创新型产业集群共有19家（表2）。但是从其分布情况来看，多数产业集群还是围绕生物与医药产业发展，其集群发展模式多为按照产品类型的集群[26]。绿色生物制造产业的集群发展模式可能还处于探索期，寻找适合绿色生物制造行业发展的集群模式尤为关键。未来，根据绿色生物制造终端产品的不同，绿色生物制造产业的集群的发展可以采用多种集群方式。

1. 生产链集群，加强产业协同

生产链集群以产品为导向，通过在一定范围内对该产品生产路线上的企业进行集群，从而提高生产该产品的效率，是目前集群发展模式中应用广泛的模式之一。对于绿色生物制造产业而言，按照生产链集群的方式一般可以用于废弃资源回收及高值化转化等生产工艺较复杂的领域，如秸秆回收利用生产乙醇、废塑料回收进转化等产业。以秸秆资源化利用为例，该工艺包含秸秆的预处理、发酵生产、产品分离、发酵残渣的进一步利用等工艺环节，且不同环节的工艺侧重点不同。其中预处理工艺偏向材料与化学工程，而发酵生产又涉及微生物学、发酵工程等生物学领域知识，是一个多工艺过程、多学科交叉、多企业协同的生物制造过程，因此需要推广实施生产链集群发展模式。

2. 产品类型集群，避免企业“内卷”

采用该类型的企业集群发展模式的优势在于集群内企业可以形成群体品牌效应。由于绿色生物制造过程的创新性强，同一种化学品的不同的生物制造路线差异大且各具特色。因此，生产技术路线不同的企业间可以进行产品类型的集群发展模式。例如，表面活性剂产业集群、抗生素药物产业集群、微生物动物饲料产业集群等。以表面活性剂产业集群为例，该集群可以包括槐糖脂生产企业、鼠李糖脂生产企业、氨基酸生产企业等众表面活性剂生产企业。虽然这些产品通常具有相似的功能、用途、特性和价格，但是其应用领域各不相同。集群发展有利于其形成品牌效应、提高市场竞争力。此外，产品类型集群发展模式还应该要不断开发差异化的新产品，避免集群内同质化产品的过度竞争，不断拓展全球市场，加强自主知识产权保护，培育主导产业的国际著名品牌。

3. 设备需求集群，促进产品深加工

作为一种依赖生物技术、生物工程、合成生物学等学科平台的新兴生物制造技术，绿色生物制造对深加工的分离、提纯设备和大规模发酵平台的需求较大。然而，目前服务于绿色生物制造产业的相关科研设备主要集中于高校和科院院所，大型分离、提纯设备价格昂贵，对操作人员的专业素养要求较高。因此，绿色生物制造集群发展也需要按照高精尖深加工设备需求进行集群，建设统一的公共深加工平台，提高设备的使用率，降低使用成本。同时还可以配备专业操作人员，服务产业集群内的企业。

目前，我国的绿色生物制造产业正处于快速发展阶段，当前阶段的主要特征是出现了大量具有市场前景的产品及其相应合成路线，如生物基丁二酸、生物可降解塑料、人工淀粉等，但是目前真正將绿色生物制造技术转化成产品的案例较少。总体来看，绿色生物制造的产业发展呈现“漏斗状”，即上游技术积累很多，真正的产品较少。若能在当前绿色生物制造产业集群内采用一种“政府—高校—企业”三方共同组建的模式，可有效促进绿色生物制造产业落地。对于具有市场潜力的产品，联合高校科研团队，采用技术入股的方式将科研成果进行孵化，下游的生产和销售可由集群内化工企业完成。还可以在产业集群内搭建企业生产所需要的核心发酵设备、分离纯化设备等平台，并吸引若干成熟的化工企业做好绿色生物制造产品的生产、分离和后续销售的工作。该发展模式可以完成从技术、产品到销售的高效衔接，对科研市场中现有的绿色生物制造技术产生较强吸引力，有利于在短期内形成集群效应。然而，目前科研领域的绿色生物制造的成果颇丰，到底选择什么样的产品、什么样的技术路线加入集群内产业是该发展模式的核心问题。需要对产品和技术路线进行甄选，将可行性强、技术成熟度高、市场前景好的绿色生物制造产品吸纳到绿色生物制造产业集群中来，在集群产业内形成选产品、生产到产生经济效应的良性循环。

未来，随着绿色生物制造产业的发展，会有越来越多的产品合成路线、特异性的发酵菌株、新型的发酵工艺被开发出来，建立多元化的集群发展模式是大势所趋，要根据产品、产业特点选用不同的集群模式。打造全球领先的创新型绿色生物制造集聚区。

六、 绿色生物制造产业集群发展建议

1. 强化顶层设计，创新培育机制

绿色生物制造产业集群的建立和培育离不开政府的政策支持和引导。其中，江苏省通过实施“产业强链”行动计划[27-28]，促进绿色生物制造产业主体并延伸产业链，利用区位优势吸引创新创业人才和项目，支持和鼓励具备内生性绿色生物创新的领军企业或龙头企业提升城市“双碳”科技创新能力。科技部通过设置国家重点研发绿色生物制造专项，促进绿色生物制造领域的项目落地，采用“揭榜挂帅”的模式激励科研人员和企业把绿色生物制造的产品做出来、产出来、卖出去。此外，创新集群内产业的培育机制，建立企业—高校技术对接平台，完善政策引导，帮助绿色生物制造产业从实验室走向工厂。

2. 面向市场需求，做有组织科研

目前国内多数高校都设立了生物制造相关的专业，在绿色生物制造方面已经具备了成熟的研发团队和成果。推动已有绿色生物制造技术储备走向工厂，尽早开展中试、大试测试，在实际生产中检验技术的成熟度，在生产过程中进一步改良技术。此外，完善绿色生物制造方面团队的资源整合，做有组织的科研，建立针对某一化学品的集中科研攻关，在短期内集中优势力量，打通产品的绿色生物制造的路线，取得具有代表性的亮点成果。国内出现了较多低附加值的绿色生物制造产品，这类产品的虽然在技术上可以合成，但是在成本、产量、生产效率上无法达到工业生产的要求。因此，应该面向市场需求，加强对绿色生物制造的技术储备的甄选，摒弃不符合市场需求的绿色生物制造的产品。

3. 加强技术宣传，鼓励企业参与

通过提高企业对绿色生物制造领域最新发展的认知度，可以激发更多企业应用绿色生物制造的理念和技术。从企业自身出发，目前很多老牌的化工企业纷纷建立绿色生物化工的生产线，这种转型对绿色生物制造的发展是一种非常保险的策略，化工企业应该积极尝试寻找绿色生物制造的路线以替代或者部分替代企业的化工产品路线。其优势在于化工企业原有的下游分离纯化路线几乎可以和绿色生物制造的路线完全通用，可以进行绿色生物制造产品的深加工。化工企业在建立绿色生物制造生产线时投入的成本要比初创企业小很多，更加适合发展绿色生物制造产业。因此，应该加强绿色生物制造技术的宣传，鼓励更多的企业加入绿色生物制造的产业中。

参考文献：

[1] 谭天伟，陈必强，张会丽，等.加快推进绿色生物制造助力实现“碳中和”[J].化工进展，2021，40（3）： 1137-1141.

[2] 李俊夫.双碳背景下循环经济发展的机遇、挑战与策略[J].现代管理科学，2022，335（4）：15-23.

[3] 黄佩佩.1，4-丁二醇的生产现状和发展[J].当代化工研究，2022（1）：48-50.

[4] Forte A， Zucaro A， Basosi R， et al. LCA of 1，4-Butanediol Produced via Direct Fermentation of Sugars from Wheat Straw Feedstock within a Territorial Biorefinery[J].Materials，2016，9（7）：563.

[5] Adom F， Dunn J B， Han J， et al.Life-Cycle Fossil Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions of Bioderived Chemicals and Their Conventional Counterparts[J].Environmental Science Technology，2014，48（24）：14624-14631.

[6] 李振宇，李顶杰，黄格省，等.燃料乙醇发展现状及思考[J].化工进展，2013，32（7）：1457-1467.

[7] 王梦，田晓俊，陈必强，等.生物燃料乙醇产业未来发展的新模式[J].中国工程科学，2020，22（2）：47-54.

[8] 王凯，刘子鹤，陈必强，等.微生物利用二氧化碳合成燃料及化学品——第三代生物炼制[J].合成生物学，2020，1（1）：60-70.

[9] Cai T，Sun H，Qiao J，et al.Cell-free Chemoenzymatic Starch Synthesis from Carbon Dioxide [J].Science，2021，373（6562）：1523-1527.

[10] 陳坚，刘龙，堵国成.中国酶制剂产业的现状与未来展望[J].食品与生物技术学报，2012，31（1）：1-7.

[11] Scown C D.Prospects for Carbon-negative Biomanufacturing[J].Trends Biotechnol，2022，40（12）：1415-1424.

[12] Qiao Q Y， Zhao F Q， Liu Z W， et al.Life Cycle Greenhouse Gas Emissions of Electric Vehicles in China：Combining the Vehicle Cycle and Fuel Cycle[J].Energy，2019（177）：222-233.

[13] Jung S， Lee S， Song H， et al.Sustainable Valorization of E-Waste Plastic through Catalytic Pyrolysis Using CO2[J].ACS Sustainable Chemistry，2022，10（26）：8443-8451.

[14] 董维亮，姜岷，刘豪杰，等.合成生物学助力废弃塑料资源生物解聚与升级再造[J].合成生物学， 2021，2（2）：161-180.

[15] 王莉华.巴斯夫推出全新PuriCycle催化剂和吸附剂产品组合，助力实现塑料回收[J].精细与专用化学品，2022，30（8）：24.

[16] 谭天伟.中国碳中和技术路线展望[C].清华大学碳中和技术论坛第六期，2023.

[17] 孙中亮，陈辉，王强.从CO2到有机物——碳中和的微藻绿色生物制造[J].合成生物学，2022，3（5）： 953-965.

[18] 韩祺，姜江，汪琪琦，等.我国工业生物技术和产业的现状、差距与任务[J].生物工程学报，2022，38（11）：4035-4042.

[19] 赖力，张婧欣，孙煜，等.双碳背景下我国新能源产业竞争力关键点和创新发展研究[J].现代管理科学，2022，334（3）：51-57.

[20] 李金华.我国创新型产业集群的分布及其培育策略[J].改革，2020（3）：98-110.

[21] 张冀新，王怡晖.创新型产业集群中的战略性新兴产业技术效率[J].科学学研究，2019，37（8）：1385-1393.

[22] 吴伟萍，张超，向晓梅.创新型产业集群对城市绿色经济发展的影响——基于中国280个城市面板数据的实证分析[J].企业经济，2021，40（11）：24-32.

[23] 李国平，何邦振.区域科学领域中的集群动力学研究综述[J].现代管理科学，2018，304（7）：63-65.

[24] 魏守华，王缉慈，赵雅沁.产业集群：新型区域经济发展理论[J].经济经纬，2002（2）：18-21.

[25] 张治河，黄海霞，谢忠泉，等.战略性新兴产业集群的形成机制研究——以武汉·中国光谷为例[J].科学学研究，2014，32（1）：24-28.

[26] 张耀辉，侯杰.战略性新兴产业集群形成研究——以珠海三灶生物医药产业集群为例[J].现代管理科学，2012，232（7）：93-95.

[27] 周毅彪.江苏提升产业基础能力的实践与思考[J].现代管理科学，2021，330（7）：3-8.

[28] 简晓彬，陈宏伟.先进制造业的培育机制及路径——以江苏省为例[J].科技管理研究，2018（7）：148-156.

基金项目：科技部国家重点研发计划绿色生物制造专项课题“天然活性产物生物制造技术”（项目编号：2021YFC2101500）；2022年江苏省研究生教育教学改革课题“面向‘双碳’目标知识生产的理工科研究生‘科产创教’融合育人共同体建构与模式实践”（项目编号：JGKT22_C027）；2023年江苏省学位与研究生教育教学改革课题“面向江苏省生物医药产业链发展的校企所联合培养研究生平台建设与运行机制研究”（项目编号：JGKT23_C028）。

作者简介：王浩绮（1979-），女，博士，南京工业大学生物与制药工程学院副研究员，研究方向为高等教育管理、生物工程学科建设；董维亮（1988-），男，博士，南京工业大学生物与制药工程学院教授，硕士生导师，研究方向为废塑料生物炼制、绿色生物制造。

（收稿日期：2023-07-20  责任编辑：苏子宠）