大規(guī)模生物制造產(chǎn)業(yè)即將到來

當前，生物技術(shù)不斷從醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品向工業(yè)領(lǐng)域（如化工、材料及能源）轉(zhuǎn)移。汽油、柴油、塑料、橡膠、纖維及許多大宗傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)品，正不斷被來自可再生原料的工業(yè)生物制造產(chǎn)品替代。高溫、高壓、高污染的化學工業(yè)過程，也正不斷向條件溫和、清潔環(huán)保的生物加工過程轉(zhuǎn)移。

生物制造是以工業(yè)生物技術(shù)為核心手段，通過改造現(xiàn)有制造過程或利用生物質(zhì)、二氧化碳等可再生原料生產(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。作為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，生物制造是生物基產(chǎn)品實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)平臺，也是合成生物學等基礎(chǔ)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，生物制造將從原料源頭上降低碳排放，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“綠色動力”，也是“綠色發(fā)展”的重要突破口。隨著現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)的加速形成與擴展，一個大規(guī)模的生物制造產(chǎn)業(yè)即將到來。

變革化工制造模式

化工產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟和國防工業(yè)重要的基礎(chǔ)性行業(yè)，生物制造則是變革我國化工制造模式、破解石化原料瓶頸的重大方向。

受限于資源匱乏，我國化工原料對外依存度較高。2018年，石油、天然橡膠等對外依存度分別達到70%與76%，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，這也折射出當前我國化工領(lǐng)域產(chǎn)品體系、技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系與知識產(chǎn)權(quán)體系存在的諸多問題，急需在新的綠色原料和技術(shù)路線方面取得突破。

使用生物質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)移，不僅可節(jié)約數(shù)千萬噸輕質(zhì)石腦油原料，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。

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)?；圃?，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(shù)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%增長到現(xiàn)在的10%，并以每年高于20%的速度增長，展現(xiàn)出生物基經(jīng)濟強勁的發(fā)展勢頭。

生物制造還是促進我國實現(xiàn)“碳中和”發(fā)展目標的重要途徑。近年來隨著工業(yè)生物技術(shù)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。不斷涌現(xiàn)的新型碳捕集和利用技術(shù)，可以將工業(yè)排放中的廢碳（如鋼鐵行業(yè)工業(yè)尾氣，甚至空氣中的二氧化碳）用作化學品的原料，轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學品，不僅減少了二氧化碳的工業(yè)排放量，還減少了化工過程的總碳足跡。

產(chǎn)業(yè)核心層面仍存短板

我國生物制造產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。

在生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，我國正在加速由發(fā)酵工業(yè)大國向發(fā)酵強國轉(zhuǎn)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，新型發(fā)酵產(chǎn)品品種和衍生新產(chǎn)品持續(xù)增多。

在生物基材料單體與聚合物產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，我國已形成以生物材料單體制備、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。目前已建成產(chǎn)能約2萬噸生物基1,3—丙二醇、生物基丁二酸生產(chǎn)線。聚乳酸（PLA）年產(chǎn)能1萬噸，位居世界第二。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(lǐng)先。

在生物能源方面，自2017年《關(guān)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，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，我國目前已建成產(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)核心層面仍然存在短板，表現(xiàn)為關(guān)鍵核心技術(shù)和前瞻技術(shù)儲備不足、核心裝備研發(fā)落后、市場化程度低、競爭力不足。

當前，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(shù)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(lǐng)域普遍存在工業(yè)生產(chǎn)催化劑知識產(chǎn)權(quán)侵權(quán)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(gòu)、底層核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備還存在差距，產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

抓住戰(zhàn)略發(fā)展機遇期

未來，生物制造將向原料利用多元化、生物轉(zhuǎn)化體系高效化、產(chǎn)品高值化等方向發(fā)展，構(gòu)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占據(jù)主導地位，處于成熟的商業(yè)化階段。以木質(zhì)纖維素（如玉米秸稈）為原料的第二代生物制造將逐步進入中試和產(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。

以二氧化碳為原料的生物轉(zhuǎn)化是第三代的生物制造路線，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二氧化碳作為工業(yè)生物技術(shù)的新型替代原料的相關(guān)技術(shù)發(fā)展路線圖。以二氧化碳生物利用為契機，建立以二氧化碳為原料的工業(yè)生物轉(zhuǎn)化新路線，加速推進我國生物制造產(chǎn)業(yè)的原料路線轉(zhuǎn)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還包括：開發(fā)二氧化碳、甲烷有機碳原料的利用途徑，突破其生物轉(zhuǎn)化的物質(zhì)與能量利用瓶頸；設(shè)計能夠?qū)⒍趸己碗娮釉崔D(zhuǎn)化為液體燃料和化學品的微生物；開發(fā)新型工具，實現(xiàn)二氧化碳固定器中碳濃度/固定途徑的工程設(shè)計，打造由碳原料出發(fā)，生產(chǎn)各種燃料和化學品的生物制造路線。

未來還應加快顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，建立先進生物制造技術(shù)體系。生物制造的技術(shù)價值核心在于高效優(yōu)質(zhì)的生物催化劑（工業(yè)酶和菌種）及圍繞酶和菌種的一系列生產(chǎn)裝備、技術(shù)與體系。革命性的新一代酶和菌種、技術(shù)往往能完全改變整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展走勢，快速占領(lǐng)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是生物制造產(chǎn)業(yè)的“芯片”。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(shù)與計算機、物理、化學等技術(shù)的結(jié)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(shù)支撐。

與此同時，我國還需要重點發(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(guān)鍵技術(shù)；建立利用不同生物質(zhì)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(shù)體系和產(chǎn)品體系。

我國的生物制造產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)攻堅和商業(yè)化應用開拓的關(guān)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(shù)創(chuàng)新，加快從基因組到工業(yè)合成技術(shù)、裝備的突破，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)萬億元規(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。

（作者系中國工程院院士、北京化工大學校長）