生物制造：助力化学工业低碳转型

　　“双碳”背景下，生物基化学品与材料是当今全球新材料的热点之一，来自可再生原料的绿色产品越发受到青睐，条件温和、绿色环保的生物加工过程受到业界更多关注。现代生物制造已成为全球新一轮科技革命和产业变革的战略制高点。

　　各国政策推动力度明显加大

　　美国在2010年就将生物经济研究作为政府优先支持的领域。2012年4月发布《国家生物经济蓝图》，确定了生物经济战略目标；2022年9月发布《国家生物技术和生物制造计划》行政命令，将生物技术和生物经济的全球竞争提升到关乎国家安全的高度，希望建立可持续的生物经济发展模式；今年3月，为强化在生物技术、供应链等方面的优势，美国进一步发布《美国生物技术和生物制造的宏观目标和优先事项》。

　　我国于2022年5月首次发布生物经济五年规划——《“十四五”生物经济发展规划》，明确生物经济是实现高水平科技自立自强的重要方向，提出依托生物制造技术，实现化工原料和过程的生物技术替代，推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造与生物技术深度融合。到2025年，生物经济总量规模迈上新台阶，科技综合实力得到新提升。今年1月，工信部等六部门印发《加快非粮生物基材料创新发展三年行动方案》，提出到2025年，非粮生物质原料利用和应用技术基本成熟，部分非粮生物基产品竞争力与化石基产品相当的目标。生物制造产业发展迎来历史机遇。

　　生物制造产品竞争优势初显

　　生物制造能改变传统化学品的生产方式，显著降低碳排放。例如，“三烯三苯”是传统工业中重要的基础原料，可通过生物制造过程获得。而生物反应过程中的乳酸、糠醛、琥珀酸、衣康酸、丙烯酸、己内酰胺等平台化合物，可衍生大量石化下游产品。巴西Braskem公司早在2010年便推出由甘蔗乙醇生产的生物基聚乙烯（PE）产品，随后陆续推出生物基乙烯醋酸乙烯酯（EVA）、生物基PE蜡等，目前产能20万吨/年，计划到2030年扩大至100万吨/年。相比传统化学工艺，甘蔗—乙烯技术可减少约60%的能耗和40%的温室气体排放；生物基1，4-丁二醇（BDO）可减少超过70%的温室气体排放；纤维素基聚羟基脂肪酸酯（PHA）对温室气体减排的贡献甚至超过90%。

　　生物技术还能使传统工艺或产品的效率、性能明显提升。尼龙6，12的重要缩聚单体十二烷二酸（DDDA），在传统石化路线中需在高温高压条件下经历4个步骤获得，而生物路线仅需1—2步反应即可得到。用厌氧氨氧化菌等微生物配合同步短程硝化工艺，可使高氮、高磷、高盐废水处理效率提升2至4倍，污泥减少60%—80%。

　　除此之外，生物技术能创造具有良好生物相容性和表面自修复性等特殊功能的新型化学品，在人造软骨、纺丝纤维、人工血管、电子产品、军工特种材料等领域具有广阔应用前景。经合组织（OECD）预测，2030年，约35%的碳基化学品和其他工业产品将来自生物制造，2060年有望达到50%以上。

　　多项核心技术不断取得突破

　　我国生物制造发展需要用好非粮原料，而技术突破是降低原料处理成本、提高产品竞争力的重要途径。目前我国非粮生物质原料主要包括废弃油脂、农林业废弃物、水生植物、禽畜粪便、城市生活垃圾、钢厂尾气等。在废弃油脂利用方面，中国石化石科院开发了异构选择性好的新型催化剂RBI-30以及拥有合适孔结构的分子筛，使生物航煤收率从44%提高至56.9%。在秸秆木质素利用方面，中科院大连化物所提出木质素自供氢解聚新思路，通过对催化材料表界面活性位的构筑，实现C-O、C-C键的精准活化与重构，得到芳香酮、磷光材料、苄胺衍生物等高附加值产品。

　　合成生物学技术的发展使得更多化学品能够通过精确设计和改造而获得。中科院天津工业生物技术研究所通过设计11步生化反应实现从二氧化碳到淀粉的人工合成，且效率达到玉米淀粉生物合成的8.5倍。谭天伟院士团队基于合成生物学和代谢工程技术开发出新型生物燃料、精细化学品、酶制剂和蛋白类药物等。元英进院士团队建立了酵母基因组混菌标签缺陷定位方法和双标靶向精准修复方法，以及化学双重诱导的基因组重排精准调控方法，解决了菌株退化的难题。

　　我国生物制造仍需直面挑战

　　当前，随着生物技术革命浪潮席卷全球，生物产业不断壮大，为生物经济发展奠定了必要基础。但我国生物制造产业的发展仍存在一些亟待突破的瓶颈。

　　首先需直面原料潜力问题。随着1，3-丙二醇、琥珀酸、1，4-丁二醇等重要化学品通过生物制造成功实现产业化，许多材料已开始尝试用生物技术生产。但原料，特别是非粮原料的供应问题，是一项不可回避的挑战。相比于当前化石基化学品及基础材料的庞大体量，根据OECD的预测，若2030年35%左右的碳基化学品来自生物制造，即使不考虑生物质利用的技术难度和成本竞争力，单是原料的可持续供应就是一大难题。

　　其次是技术瓶颈问题。目前我国生物制造产业关键核心技术和前瞻技术储备不足。核心菌种80%以上来自国外大型公司的非授权使用，酶制剂80%以上依赖进口。而核心菌种和酶制剂是生物制造技术的价值核心，其技术水平直接关系到我国生物基产品的生产能力与竞争力。

　　此外，还要解决标准标识的问题。对于替代传统化学品的生物基产品，目前我国研发平台较为分散，产业链及应用所需的整体技术支撑尚未全面形成，产品标准、检测评价方法、标识溯源体系等方面仍存在缺失，检测能力也与行业快速增长的需求不匹配。

　　多维统筹推动生物制造发展

　　当前，生物技术和生物制造广泛影响着经济与社会发展，需要从原料、产品、技术、保障体系等多维度统筹谋划，系统推进生物制造产业发展。

　　首先，既要重视原料多元化，也要注重产品高值化。二氧化碳作为第三代生物制造路线的重要原料，拓展了传统非粮生物质的原料范畴。但几乎各代生物质原料的规模化利用均存在成本高的问题。因此，选择适合的产品方向十分重要。可考虑与化学路线相比更具成本或技术优势的生物制造路线产品，或附加值较高、减排意义较大的产品。对于前者，可参考1，3-丙二醇、生物基癸二酸、衣康酸等；对于后者，可参考生物航煤、生物基丁二醇（BDO）、戊二胺等。

　　其次，技术攻关要立足当前，更要着眼长远，重视前端及前沿技术储备。工业酶、菌种是生物制造技术体系的关键，是生物制造产业的前端技术。我国生物制造需要在底盘菌株构建、改造以及与其相关的生产装备研发、技术体系建设等方面加快步伐。其中以二氧化碳为原料的工业生物转化技术，基于人工智能、大数据的工业酶、工业菌种的工程生物学创制技术，与塑料、纤维、橡胶等现有化工材料主流产业相衔接的关键产品技术，以及生物合成快速工程化、系统集成等技术值得重点关注。

　　再次，产业发展提速需要有力的保障体系。目前，我国在生物技术特别是合成生物学领域加大了支持力度，合成生物技术已被多地列入“十四五”规划中，一批瞄准化石基产品替代的生物制造项目已落地。此时亟须加快建立并完善生物基产品评价方法、标准及管理体系、产品溯源服务或认证制度，以及“原料—制备—制品—流通—用户—处置”全链条精细化管理机制等，为生物基含量测定、产品降解性能、重点产品碳排放核算、低碳产品评价、产品溯源等提供基础保障。

　　转自：中国石油报

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