谭天伟院士：大规模生物制造产业即将到来

作者 ｜ 谭天伟

当前，生物技术不断从医药、农业、食品向工业领域（如化工、材料及能源）转移。汽油、柴油、塑料、橡胶、纤维及许多大宗传统石油化工产品，正不断被来自可再生原料的工业生物制造产品替代。

高温、高压、高污染的化学工业过程，也正不断向条件温和、清洁环保的生物加工过程转移。

生物制造是以工业生物技术为核心手段，通过改造现有制造过程或利用生物质、二氧化碳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。

作为生物技术产业的重要组成部分，生物制造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，生物制造将从原料源头上降低碳排放，是传统产业转型升级的“绿色动力”，也是“绿色发展”的重要突破口。

随着现代生物制造产业的加速形成与扩展，一个大规模的生物制造产业即将到来。

变革化工制造模式

化工产业是国民经济和国防工业重要的基础性行业，生物制造则是变革我国化工制造模式、破解石化原料瓶颈的重大方向。

受限于资源匮乏，我国化工原料对外依存度较高。

2018年，石油、天然橡胶等对外依存度分别达到70%与76%，尼龙等对国民经济有重大影响的高端产品高度依赖进口，这也折射出当前我国化工领域产品体系、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，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。

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%增长到现在的10%，并以每年高于20%的速度增长，展现出生物基经济强劲的发展势头。

生物制造还是促进我国实现“碳中和”发展目标的重要途径。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。

不断涌现的新型碳捕集和利用技术，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。

产业核心层面仍存短板

我国生物制造产业虽然起步较晚，但近年来发展迅速。

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，新型发酵产品品种和衍生新产品持续增多。

在生物基材料单体与聚合物产业领域，我国已形成以生物材料单体制备、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。

目前已建成产能约2万吨生物基1,3—丙二醇、生物基丁二酸生产线。聚乳酸（PLA）年产能1万吨，位居世界第二。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。

在生物能源方面，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，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，我国目前已建成产能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。

当前，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。

抓住战略发展机遇期

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将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。

以二氧化碳为原料的生物转化是第三代的生物制造路线，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二氧化碳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。

以二氧化碳生物利用为契机，建立以二氧化碳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还包括：开发二氧化碳、甲烷有机碳原料的利用途径，突破其生物转化的物质与能量利用瓶颈；设计能够将二氧化碳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，实现二氧化碳固定器中碳浓度/固定途径的工程设计，打造由碳原料出发，生产各种燃料和化学品的生物制造路线。

未来还应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）及围绕酶和菌种的一系列生产装备、技术与体系。

革命性的新一代酶和菌种、技术往往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是生物制造产业的“芯片”。

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。

与此同时，我国还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。

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、装备的突破，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，带动数万亿元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。

（作者系中国工程院院士、北京化工大学校长）

《中国科学报》 (2021-11-15 第3版 能源化工)