加快推進綠色生物制造 助力實現(xiàn)“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(nèi)涵與意義

生物制造是以工業(yè)生物技術為核心技術手段，改造現(xiàn)有制造過程或者利用生物質、CO2等可再生原料生產(chǎn)能源、材料與化學品，實現(xiàn)原料、過程及產(chǎn)品綠色化的新模式。生物制造作為生物技術產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是生物基產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎平臺，也是合成生物學等基礎科學創(chuàng)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(fā)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(yè)生物技術實現(xiàn)綠色清潔的生產(chǎn)工藝，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(huán)境可持續(xù)發(fā)展的最好路徑之一，也是我國未來最具發(fā)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(chǎn)業(yè)變革戰(zhàn)略制高點，是未來生物經(jīng)濟的主導力量

生物技術不斷從醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和食品領域向工業(yè)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(tǒng)石油化工產(chǎn)品，正在不斷地被來自可再生原料的工業(yè)生物制造產(chǎn)品所替代，高溫高壓高污染的化學工業(yè)過程，正不斷向條件溫和、清潔環(huán)保的生物加工過程轉移。現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)正在加速形成與擴展，一個大規(guī)模的生物產(chǎn)業(yè)即將到來。世界經(jīng)濟論壇（WEF）發(fā)布的報告顯示，利用可再生的原料生產(chǎn)生物基產(chǎn)品是未來新興生物經(jīng)濟的重要特征。美國早在2002年就通過《美國農(nóng)業(yè)法案》，并出臺生物優(yōu)先計劃，鼓勵購買可持續(xù)的生物制造產(chǎn)品[1]。這一計劃授權美國農(nóng)業(yè)部審查并標記生物基產(chǎn)品，建立了最低添加標準以減少石化產(chǎn)品的使用，并強制性公共采購作為創(chuàng)新杠桿。據(jù)美國國家研究委員會的報告[2]，2017年美國生物產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約為3880億美元，貢獻了超過2%的國民生產(chǎn)總值（GDP），其中最大的組成部分是工業(yè)生物技術，即生物制造產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)值約為1470 億美元，超過了生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)和生物農(nóng)業(yè)的產(chǎn)值。生物制造產(chǎn)業(yè)包括材料、酶和相關化學品的開發(fā)，其中占比最大的是生物基化學品，超過生物制造產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品。目前，生物燃料乙醇、重大化工產(chǎn)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(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化制造，聚酯材料、橡膠、合成纖維等傳統(tǒng)石化基高聚物單體的生物合成技術不斷創(chuàng)新。全球生物基產(chǎn)品占石化產(chǎn)品的比例已從2000 年的不到1%增長到了現(xiàn)在10%，并以每年高于20%的速度增長，展現(xiàn)出一個生物基經(jīng)濟的雛形和強勁的發(fā)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(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟和國防工業(yè)重要的基礎性行業(yè)。一方面，受限于資源匱乏，我國目前化工產(chǎn)業(yè)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(jīng)濟和國防安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，自中美貿(mào)易戰(zhàn)打響以來，我國眾多核心化工產(chǎn)品與技術“卡脖子”現(xiàn)象日益凸顯，如尼龍等對國民經(jīng)濟有重大影響的高端產(chǎn)品高度依賴進口，也折射出當前化工領域產(chǎn)品體系、技術體系、產(chǎn)業(yè)體系與知識產(chǎn)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(chǎn)液體燃料和化學品，可為我國未來化工原料多元化戰(zhàn)略提供一個新的重要突破口。理論上90%的傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)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(xiàn)化工產(chǎn)品生產(chǎn)原料向可再生原料轉移，不僅可節(jié)約數(shù)千萬噸輕質石腦油原料，有助于保障國家經(jīng)濟和國防安全，同時也可以促進產(chǎn)業(yè)由中低端向中高端邁進，創(chuàng)造一個全新的化工產(chǎn)業(yè)鏈和經(jīng)濟增長點。對實現(xiàn)我國化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.3 生物制造是促進我國實現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標的重要途徑

習近平總書記在2020 年9 月聯(lián)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(xiàn)碳中和”[6]。實現(xiàn)“碳中和”的目標，需要能源系統(tǒng)和制造業(yè)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(yè)生物技術的發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始使用可再生原料，例如玉米、農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘留物、能源作物甚至二氧化碳生產(chǎn)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(xiàn)，這些技術可以將工業(yè)排放中的廢碳（如鋼鐵行業(yè)工業(yè)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(yè)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(jīng)在可再生碳轉化的技術研發(fā)領域取得了一系列成果，如首鋼朗澤4.5萬噸/年鋼鐵工業(yè)尾氣生物發(fā)酵制燃料乙醇商業(yè)化項目于2018年5月一次調(diào)試成功，項目投產(chǎn)后每年可為鋼鐵企業(yè)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(chǎn)品的生產(chǎn)方式，將碳排放過程扭轉為一個碳負性過程，成為降低工業(yè)過程減排的有力新途徑。

1.4 生物制造是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化，助力鄉(xiāng)村振興的重要手段

發(fā)展綠色生物制造可實現(xiàn)工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)，可以增加就業(yè)崗位，對于發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟具有十分重要的意義。根據(jù)中國工程院咨詢研究報告《我國生物燃料產(chǎn)業(yè)關鍵技術開發(fā)、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(chǎn)能潛力約為4.95 億噸標煤。發(fā)展生物燃料產(chǎn)業(yè)，能將生物質廢棄物就地焚燒、畜禽糞便、生活垃圾等產(chǎn)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(huán)境、農(nóng)業(yè)”三大難題的最佳結合，既改善能源結構，又減少環(huán)境污染，一舉多得。將農(nóng)作物秸稈資源優(yōu)先用于生產(chǎn)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(chǎn)的油脂重點用于生產(chǎn)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(chǎn)生物燃氣，可解決農(nóng)村能源需求、改善環(huán)境難題。

2 我國生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題

我國生物制造產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，近年來發(fā)展迅速，以低成本、大規(guī)模等優(yōu)勢取得了部分大宗產(chǎn)品在產(chǎn)量、規(guī)模上的市場優(yōu)勢，在創(chuàng)制生物經(jīng)濟新路線和推動傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)技術升級等應用研究方面已有一定基礎，在部分關鍵產(chǎn)業(yè)領域生物煉制技術成熟度方面已走到前列。在生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)領域，我國正在加速由發(fā)酵工業(yè)大國向發(fā)酵強國轉變，產(chǎn)業(yè)發(fā)展平穩(wěn)，產(chǎn)品產(chǎn)量于2018 年達到2961.6 萬噸，總產(chǎn)值2472億元[9]，新型發(fā)酵產(chǎn)品品種和衍生新產(chǎn)品持續(xù)增多。生物基材料單體與聚合物產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈。已建成產(chǎn)能約2 萬噸生物基1,3-丙二醇、生物基丁二酸的生產(chǎn)線。聚乳酸（PLA）年產(chǎn)能1萬噸，位居世界第二[10]。聚羥基脂肪酸酯（PHA）年總產(chǎn)能超過2萬噸，產(chǎn)品類型和產(chǎn)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(chǎn)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(fā)展規(guī)模迅速擴大。作為世界上第三大生物乙醇生產(chǎn)國和應用國，僅次于美國和巴西，目前已建成產(chǎn)能500萬噸，在建產(chǎn)能合計超過300萬噸。

然而，當前生物制造產(chǎn)業(yè)的核心層面仍然存在短板，表現(xiàn)為關鍵核心技術和前瞻技術儲備不足、核心裝備研發(fā)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(yè)在酶制劑等現(xiàn)代發(fā)酵行業(yè)中處于技術壟斷地位。我國在大宗發(fā)酵產(chǎn)品（氨基酸、有機酸、維生素等）等具備規(guī)模優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)領域普遍存在工業(yè)生產(chǎn)催化劑知識產(chǎn)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(fā)達國家相比，我國科技戰(zhàn)略架構、底層核心技術、關鍵裝備還存在差距，產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

3 綠色生物制造的未來發(fā)展路徑與方向

3.1 推進原料體系多元化戰(zhàn)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(chǎn)品高值化等方向發(fā)展，構建從可再生原料到終端產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)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(jù)主導地位，處于成熟的商業(yè)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(chǎn)業(yè)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(fā)酵糖，對于未來超大規(guī)模生物制造產(chǎn)業(yè)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(yè)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(yè)生物技術的新型替代原料的相關技術發(fā)展路線圖。以CO2生物利用為契機，建立以CO2為原料的工業(yè)生物轉化新路線，加速推進我國生物制造產(chǎn)業(yè)的原料路線轉移，將有助于我國在生物經(jīng)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(fā)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(fā)新型工具，實現(xiàn)CO2固定器中碳濃度/固定途徑的工程設計，實現(xiàn)由碳一原料出發(fā)，生產(chǎn)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(chuàng)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(yōu)質的生物催化劑（工業(yè)酶和菌種），以及圍繞酶和菌種的一系列生產(chǎn)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(yè)由于發(fā)展歷史較短，正處于飛速發(fā)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展走勢，快速占領絕大多數(shù)市場份額，甚至開發(fā)出全新的市場。所以自主的核心酶和菌種生物制造產(chǎn)業(yè)的“芯片”是新興生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根源。隨著工業(yè)生物研究逐漸進入大數(shù)據(jù)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(yè)酶創(chuàng)制、菌種合成與篩選等提供數(shù)據(jù)與技術支撐。未來需要重點發(fā)展融合人工智能的工業(yè)酶和工業(yè)菌種的工程生物學創(chuàng)制，突破工業(yè)酶篩選與快速定向進化、過程大數(shù)據(jù)指導的生物合成快速工程化、生物制造裝備與系統(tǒng)集成等系列關鍵技術；建立利用不同生物質原料，實現(xiàn)高產(chǎn)率、高濃度生產(chǎn)可再生材料及高價值化學品的生物制造技術體系和產(chǎn)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(yī)藥、食品、環(huán)境保護等多個國民支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉型升級也將起到極為重要的作用。生命科學和工業(yè)生物技術的高速發(fā)展使得以前無法實現(xiàn)的產(chǎn)品生物制造變成了可能。我國的生物制造產(chǎn)業(yè)正處于技術攻堅和商業(yè)化應用開拓的關鍵階段，一旦眾多產(chǎn)品的生物路線商業(yè)化，將會極大推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，抓住生物制造戰(zhàn)略發(fā)展和機遇期，加快生物制造戰(zhàn)略性布局和前瞻性技術創(chuàng)新，加快從基因組到工業(yè)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(chǎn)品的綠色生產(chǎn)，帶動數(shù)萬億規(guī)模的新興生物產(chǎn)業(yè)，以生物制造推動“農(nóng)業(yè)工業(yè)化、工業(yè)綠色化、產(chǎn)業(yè)國際化”，對于我國走新型工業(yè)化道路，實現(xiàn)財富綠色增長和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。