加快推進綠色生物制造 助力實現“碳中和”

譚天偉，陳必強，張會麗，崔子恒

（北京化工大學生命科學與技術學院，北京100029）

1 綠色生物制造的深刻內涵與意義

生物制造是以工業生物技術為核心技術手段，改造現有制造過程或者利用生物質、CO2等可再生原料生產能源、材料與化學品，實現原料、過程及產品綠色化的新模式。生物制造作為生物技術產業的重要組成部分，是生物基產品實現產業化的基礎平臺，也是合成生物學等基礎科學創新在具體過程中的應用。我國是世界第一制造大國，踐行“綠色發展”理念，生物制造是重要的突破口。生物制造將從原料源頭上降低碳排放、通過工業生物技術實現綠色清潔的生產工藝，是傳統產業轉型升級的“綠色動力”。要把綠水青山變成金山銀山，“綠色生物制造”是資源與環境可持續發展的最好路徑之一，也是我國未來最具發展前景的領域之一。

1.1 生物制造是全球新一輪科技革命和產業變革戰略制高點，是未來生物經濟的主導力量

生物技術不斷從醫藥、農業和食品領域向工業領域，如化工、材料及能源領域轉移，汽油、柴油、塑料、橡膠、纖維以及許多大宗的傳統石油化工產品，正在不斷地被來自可再生原料的工業生物制造產品所替代，高溫高壓高污染的化學工業過程，正不斷向條件溫和、清潔環保的生物加工過程轉移。現代生物制造產業正在加速形成與擴展，一個大規模的生物產業即將到來。世界經濟論壇（WEF）發布的報告顯示，利用可再生的原料生產生物基產品是未來新興生物經濟的重要特征。美國早在2002年就通過《美國農業法案》，并出臺生物優先計劃，鼓勵購買可持續的生物制造產品[1]。這一計劃授權美國農業部審查并標記生物基產品，建立了最低添加標準以減少石化產品的使用，并強制性公共采購作為創新杠桿。據美國國家研究委員會的報告[2]，2017年美國生物產業總產值約為3880億美元，貢獻了超過2%的國民生產總值（GDP），其中最大的組成部分是工業生物技術，即生物制造產業，產值約為1470 億美元，超過了生物醫藥產業和生物農業的產值。生物制造產業包括材料、酶和相關化學品的開發，其中占比最大的是生物基化學品，超過生物制造產業一半。Bioeconomy Capital預測[3]：到2030年，大部分新化學品供應將由生物技術提供；到2040 年，生物化學品將在多個競爭領域超越石化產品。目前，生物燃料乙醇、重大化工產品1,3-丙二醇、生物可降解塑料聚乳酸和聚羥基烷酸酯等生物基產品已經實現規模化制造，聚酯材料、橡膠、合成纖維等傳統石化基高聚物單體的生物合成技術不斷創新。全球生物基產品占石化產品的比例已從2000 年的不到1%增長到了現在10%，并以每年高于20%的速度增長，展現出一個生物基經濟的雛形和強勁的發展勢頭。

1.2 生物制造是變革我國化工制造模式，破解石化原料瓶頸的重大方向

化工產業是國民經濟和國防工業重要的基礎性行業。一方面，受限于資源匱乏，我國目前化工產業在原料方面對外依存度高，2018 年石油、天然橡膠等對外依存度分別達到了70%與76%[4-5]，這對我國的經濟和國防安全帶來了巨大的挑戰。另一方面，自中美貿易戰打響以來，我國眾多核心化工產品與技術“卡脖子”現象日益凸顯，如尼龍等對國民經濟有重大影響的高端產品高度依賴進口，也折射出當前化工領域產品體系、技術體系、產業體系與知識產權體系存在的諸多問題，急需在新的綠色原料和技術路線方面取得突破。使用生物質等綠色資源生產液體燃料和化學品，可為我國未來化工原料多元化戰略提供一個新的重要突破口。理論上90%的傳統石油化工產品都可以由生物制造獲得。建立以可再生生物質資源為原料的生物制造路線，實現化工產品生產原料向可再生原料轉移，不僅可節約數千萬噸輕質石腦油原料，有助于保障國家經濟和國防安全，同時也可以促進產業由中低端向中高端邁進，創造一個全新的化工產業鏈和經濟增長點。對實現我國化工產業可持續發展具有重要意義。

1.3 生物制造是促進我國實現“碳中和”發展目標的重要途徑

習近平總書記在2020 年9 月聯合國大會莊嚴承諾，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取到2060年前實現碳中和”[6]。實現“碳中和”的目標，需要能源系統和制造業的顛覆性變革，從化石能源為主轉向可再生能源為主，從不可再生碳資源轉向以可再生碳資源為主。近年來隨著工業生物技術的發展，越來越多的企業開始使用可再生原料，例如玉米、農業和林業殘留物、能源作物甚至二氧化碳生產液體生物燃料和有機化學品。新型的碳捕集和利用技術不斷涌現，這些技術可以將工業排放中的廢碳（如鋼鐵行業工業尾氣，甚至空氣中的CO2）用作化學品的 原料，轉化為液體燃料和化學品，不僅減少了CO2的工業排放量，而且減少了化工過程的總碳足跡[7]。部分生物制造商已經在可再生碳轉化的技術研發領域取得了一系列成果，如首鋼朗澤4.5萬噸/年鋼鐵工業尾氣生物發酵制燃料乙醇商業化項目于2018年5月一次調試成功，項目投產后每年可為鋼鐵企業減少二氧化碳排放約17 萬噸[8]。隨著CO2利用技術的進步，其有望部分取代和顛覆部分化工產品的生產方式，將碳排放過程扭轉為一個碳負性過程，成為降低工業過程減排的有力新途徑。

1.4 生物制造是實現農業工業化，助力鄉村振興的重要手段

發展綠色生物制造可實現工業反哺農業，可以增加就業崗位，對于發展農村經濟具有十分重要的意義。根據中國工程院咨詢研究報告《我國生物燃料產業關鍵技術開發、示范與應用》，2010年我國八大類廢棄物年可利用資源量能源潛力折標煤4.24 億噸，邊際性土地種植相應能源植物的產能潛力約為4.95 億噸標煤。發展生物燃料產業，能將生物質廢棄物就地焚燒、畜禽糞便、生活垃圾等產生污染的“負能量”，轉化成車用液體燃料或航空煤油，形成“正能量”，是解決“能源、環境、農業”三大難題的最佳結合，既改善能源結構，又減少環境污染，一舉多得。將農作物秸稈資源優先用于生產纖維素乙醇，可解決汽油質量升級缺辛烷值難題；油料作物種植和生產的油脂重點用于生產生物航空燃料，可解決航空液體燃料替代及碳減排難題；畜禽糞便量、生活垃圾主要通過甲烷化生產生物燃氣，可解決農村能源需求、改善環境難題。

2 我國生物制造產業發展現狀與存在的問題

我國生物制造產業雖然起步較晚，近年來發展迅速，以低成本、大規模等優勢取得了部分大宗產品在產量、規模上的市場優勢，在創制生物經濟新路線和推動傳統化工產業技術升級等應用研究方面已有一定基礎，在部分關鍵產業領域生物煉制技術成熟度方面已走到前列。在生物發酵產業領域，我國正在加速由發酵工業大國向發酵強國轉變，產業發展平穩，產品產量于2018 年達到2961.6 萬噸，總產值2472億元[9]，新型發酵產品品種和衍生新產品持續增多。生物基材料單體與聚合物產業領域，已形成以可再生資源為原料的生物材料單體制備、生物基樹脂合成與改性、生物基材料應用為主的生物基材料產業鏈。已建成產能約2 萬噸生物基1,3-丙二醇、生物基丁二酸的生產線。聚乳酸（PLA）年產能1萬噸，位居世界第二[10]。聚羥基脂肪酸酯（PHA）年總產能超過2萬噸，產品類型和產量國際領先[11]。生物能源方面，自2017 年《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》（簡稱“實施方案”）公布以來[12]，我國燃料乙醇發展規模迅速擴大。作為世界上第三大生物乙醇生產國和應用國，僅次于美國和巴西，目前已建成產能500萬噸，在建產能合計超過300萬噸。

然而，當前生物制造產業的核心層面仍然存在短板，表現為關鍵核心技術和前瞻技術儲備不足、核心裝備研發落后、市場化程度低、競爭力不足。美國、丹麥、荷蘭、日本等國的企業在酶制劑等現代發酵行業中處于技術壟斷地位。我國在大宗發酵產品（氨基酸、有機酸、維生素等）等具備規模優勢的產業領域普遍存在工業生產催化劑知識產權侵權的隱患。丙二醇、尼龍等重大化學品也遭遇全方位的專利封鎖，尚未打破杜邦等國外大型化工集團的壟斷。與發達國家相比，我國科技戰略架構、底層核心技術、關鍵裝備還存在差距，產業發展仍面臨巨大挑戰。

3 綠色生物制造的未來發展路徑與方向

3.1 推進原料體系多元化戰略，加快綠色原料路線的突破

未來生物制造將向原料利用多元化、生物轉化體系高效化、產品高值化等方向發展，構建從可再生原料到終端產品的全產業鏈。原料方面，以淀粉和油脂為代表的第一代生物制造目前將占據主導地位，處于成熟的商業化階段。以木質纖維素（如玉米秸稈）為原料的第二代生物制造逐步進入中試和產業化示范階段。通過酶制劑的高效水解將纖維素制備成葡萄糖、木糖等可發酵糖，對于未來超大規模生物制造產業體系的建立具有決定性作用，是綠色制造的重要支撐。以CO2為原料的生物轉化是第三代的生物制造路線[13]，可有效降低生物工業制造的原料成本，降低對化石資源的過分依賴，已引起世界各國政府的高度重視。歐盟、美國、加拿大、英國、澳大利亞等均制定了將CO2作為工業生物技術的新型替代原料的相關技術發展路線圖。以CO2生物利用為契機，建立以CO2為原料的工業生物轉化新路線，加速推進我國生物制造產業的原料路線轉移，將有助于我國在生物經濟新一輪國際競爭中贏得先機。需要突破的重點方向包括：開發CO2、CH4有機碳一原料的利用途徑，突破其生物轉化的物質與能量利用瓶頸；設計能夠將CO2和電子源轉化為液體燃料和化學品的微生物；開發新型工具，實現CO2固定器中碳濃度/固定途徑的工程設計，實現由碳一原料出發，生產各種燃料和化學品的生物制造路線。

3.2 加快顛覆性技術創新，建立先進生物制造技術體系

生物制造的技術價值核心在于高效優質的生物催化劑（工業酶和菌種），以及圍繞酶和菌種的一系列生產裝備、技術與體系。以生物基化學品、生物基材料、生物液體燃料為代表的新興生物制造業由于發展歷史較短，正處于飛速發展階段，往往革命性的新一代酶和菌種、技術能完全改變整個產業的發展走勢，快速占領絕大多數市場份額，甚至開發出全新的市場。所以自主的核心酶和菌種生物制造產業的“芯片”是新興生物制造產業發展的根源。隨著工業生物研究逐漸進入大數據和人工智能時代，前沿生物技術與計算機、物理、化學等技術的結合將為工業酶創制、菌種合成與篩選等提供數據與技術支撐。未來需要重點發展融合人工智能的工業酶和工業菌種的工程生物學創制，突破工業酶篩選與快速定向進化、過程大數據指導的生物合成快速工程化、生物制造裝備與系統集成等系列關鍵技術；建立利用不同生物質原料，實現高產率、高濃度生產可再生材料及高價值化學品的生物制造技術體系和產品體系。

4 展望

未來綠色生物制造相關技術將滲透到包括能源、材料、醫藥、食品、環境保護等多個國民支柱產業的發展，對我國傳統產業的轉型升級也將起到極為重要的作用。生命科學和工業生物技術的高速發展使得以前無法實現的產品生物制造變成了可能。我國的生物制造產業正處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段，一旦眾多產品的生物路線商業化，將會極大推動產業的快速發展。因此，抓住生物制造戰略發展和機遇期，加快生物制造戰略性布局和前瞻性技術創新，加快從基因組到工業合成技術、裝備突破，支撐生物基化學品、生物基材料、生物能源等重大產品的綠色生產，帶動數萬億規模的新興生物產業，以生物制造推動“農業工業化、工業綠色化、產業國際化”，對于我國走新型工業化道路，實現財富綠色增長和社會經濟可持續發展具有重大戰略意義。