生物制造：助力化學(xué)工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型

　　“雙碳”背景下，生物基化學(xué)品與材料是當(dāng)今全球新材料的熱點(diǎn)之一，來自可再生原料的綠色產(chǎn)品越發(fā)受到青睞，條件溫和、綠色環(huán)保的生物加工過程受到業(yè)界更多關(guān)注?，F(xiàn)代生物制造已成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

　　各國政策推動力度明顯加大

　　美國在2010年就將生物經(jīng)濟(jì)研究作為政府優(yōu)先支持的領(lǐng)域。2012年4月發(fā)布《國家生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖》，確定了生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)；2022年9月發(fā)布《國家生物技術(shù)和生物制造計(jì)劃》行政命令，將生物技術(shù)和生物經(jīng)濟(jì)的全球競爭提升到關(guān)乎國家安全的高度，希望建立可持續(xù)的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式；今年3月，為強(qiáng)化在生物技術(shù)、供應(yīng)鏈等方面的優(yōu)勢，美國進(jìn)一步發(fā)布《美國生物技術(shù)和生物制造的宏觀目標(biāo)和優(yōu)先事項(xiàng)》。

　　我國于2022年5月首次發(fā)布生物經(jīng)濟(jì)五年規(guī)劃——《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確生物經(jīng)濟(jì)是實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的重要方向，提出依托生物制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化工原料和過程的生物技術(shù)替代，推動化工、醫(yī)藥、材料、輕工等重要工業(yè)產(chǎn)品制造與生物技術(shù)深度融合。到2025年，生物經(jīng)濟(jì)總量規(guī)模邁上新臺階，科技綜合實(shí)力得到新提升。今年1月，工信部等六部門印發(fā)《加快非糧生物基材料創(chuàng)新發(fā)展三年行動方案》，提出到2025年，非糧生物質(zhì)原料利用和應(yīng)用技術(shù)基本成熟，部分非糧生物基產(chǎn)品競爭力與化石基產(chǎn)品相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來歷史機(jī)遇。

　　生物制造產(chǎn)品競爭優(yōu)勢初顯

　　生物制造能改變傳統(tǒng)化學(xué)品的生產(chǎn)方式，顯著降低碳排放。例如，“三烯三苯”是傳統(tǒng)工業(yè)中重要的基礎(chǔ)原料，可通過生物制造過程獲得。而生物反應(yīng)過程中的乳酸、糠醛、琥珀酸、衣康酸、丙烯酸、己內(nèi)酰胺等平臺化合物，可衍生大量石化下游產(chǎn)品。巴西Braskem公司早在2010年便推出由甘蔗乙醇生產(chǎn)的生物基聚乙烯（PE）產(chǎn)品，隨后陸續(xù)推出生物基乙烯醋酸乙烯酯（EVA）、生物基PE蠟等，目前產(chǎn)能20萬噸/年，計(jì)劃到2030年擴(kuò)大至100萬噸/年。相比傳統(tǒng)化學(xué)工藝，甘蔗—乙烯技術(shù)可減少約60%的能耗和40%的溫室氣體排放；生物基1，4-丁二醇（BDO）可減少超過70%的溫室氣體排放；纖維素基聚羥基脂肪酸酯（PHA）對溫室氣體減排的貢獻(xiàn)甚至超過90%。

　　生物技術(shù)還能使傳統(tǒng)工藝或產(chǎn)品的效率、性能明顯提升。尼龍6，12的重要縮聚單體十二烷二酸（DDDA），在傳統(tǒng)石化路線中需在高溫高壓條件下經(jīng)歷4個步驟獲得，而生物路線僅需1—2步反應(yīng)即可得到。用厭氧氨氧化菌等微生物配合同步短程硝化工藝，可使高氮、高磷、高鹽廢水處理效率提升2至4倍，污泥減少60%—80%。

　　除此之外，生物技術(shù)能創(chuàng)造具有良好生物相容性和表面自修復(fù)性等特殊功能的新型化學(xué)品，在人造軟骨、紡絲纖維、人工血管、電子產(chǎn)品、軍工特種材料等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。經(jīng)合組織（OECD）預(yù)測，2030年，約35%的碳基化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品將來自生物制造，2060年有望達(dá)到50%以上。

　　多項(xiàng)核心技術(shù)不斷取得突破

　　我國生物制造發(fā)展需要用好非糧原料，而技術(shù)突破是降低原料處理成本、提高產(chǎn)品競爭力的重要途徑。目前我國非糧生物質(zhì)原料主要包括廢棄油脂、農(nóng)林業(yè)廢棄物、水生植物、禽畜糞便、城市生活垃圾、鋼廠尾氣等。在廢棄油脂利用方面，中國石化石科院開發(fā)了異構(gòu)選擇性好的新型催化劑RBI-30以及擁有合適孔結(jié)構(gòu)的分子篩，使生物航煤收率從44%提高至56.9%。在秸稈木質(zhì)素利用方面，中科院大連化物所提出木質(zhì)素自供氫解聚新思路，通過對催化材料表界面活性位的構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)C-O、C-C鍵的精準(zhǔn)活化與重構(gòu)，得到芳香酮、磷光材料、芐胺衍生物等高附加值產(chǎn)品。

　　合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得更多化學(xué)品能夠通過精確設(shè)計(jì)和改造而獲得。中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所通過設(shè)計(jì)11步生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉的人工合成，且效率達(dá)到玉米淀粉生物合成的8.5倍。譚天偉院士團(tuán)隊(duì)基于合成生物學(xué)和代謝工程技術(shù)開發(fā)出新型生物燃料、精細(xì)化學(xué)品、酶制劑和蛋白類藥物等。元英進(jìn)院士團(tuán)隊(duì)建立了酵母基因組混菌標(biāo)簽缺陷定位方法和雙標(biāo)靶向精準(zhǔn)修復(fù)方法，以及化學(xué)雙重誘導(dǎo)的基因組重排精準(zhǔn)調(diào)控方法，解決了菌株退化的難題。

　　我國生物制造仍需直面挑戰(zhàn)

　　當(dāng)前，隨著生物技術(shù)革命浪潮席卷全球，生物產(chǎn)業(yè)不斷壯大，為生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了必要基礎(chǔ)。但我國生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍存在一些亟待突破的瓶頸。

　　首先需直面原料潛力問題。隨著1，3-丙二醇、琥珀酸、1，4-丁二醇等重要化學(xué)品通過生物制造成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，許多材料已開始嘗試用生物技術(shù)生產(chǎn)。但原料，特別是非糧原料的供應(yīng)問題，是一項(xiàng)不可回避的挑戰(zhàn)。相比于當(dāng)前化石基化學(xué)品及基礎(chǔ)材料的龐大體量，根據(jù)OECD的預(yù)測，若2030年35%左右的碳基化學(xué)品來自生物制造，即使不考慮生物質(zhì)利用的技術(shù)難度和成本競爭力，單是原料的可持續(xù)供應(yīng)就是一大難題。

　　其次是技術(shù)瓶頸問題。目前我國生物制造產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)和前瞻技術(shù)儲備不足。核心菌種80%以上來自國外大型公司的非授權(quán)使用，酶制劑80%以上依賴進(jìn)口。而核心菌種和酶制劑是生物制造技術(shù)的價(jià)值核心，其技術(shù)水平直接關(guān)系到我國生物基產(chǎn)品的生產(chǎn)能力與競爭力。

　　此外，還要解決標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識的問題。對于替代傳統(tǒng)化學(xué)品的生物基產(chǎn)品，目前我國研發(fā)平臺較為分散，產(chǎn)業(yè)鏈及應(yīng)用所需的整體技術(shù)支撐尚未全面形成，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、檢測評價(jià)方法、標(biāo)識溯源體系等方面仍存在缺失，檢測能力也與行業(yè)快速增長的需求不匹配。

　　多維統(tǒng)籌推動生物制造發(fā)展

　　當(dāng)前，生物技術(shù)和生物制造廣泛影響著經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展，需要從原料、產(chǎn)品、技術(shù)、保障體系等多維度統(tǒng)籌謀劃，系統(tǒng)推進(jìn)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　首先，既要重視原料多元化，也要注重產(chǎn)品高值化。二氧化碳作為第三代生物制造路線的重要原料，拓展了傳統(tǒng)非糧生物質(zhì)的原料范疇。但幾乎各代生物質(zhì)原料的規(guī)?；镁嬖诔杀靖叩膯栴}。因此，選擇適合的產(chǎn)品方向十分重要?？煽紤]與化學(xué)路線相比更具成本或技術(shù)優(yōu)勢的生物制造路線產(chǎn)品，或附加值較高、減排意義較大的產(chǎn)品。對于前者，可參考1，3-丙二醇、生物基癸二酸、衣康酸等；對于后者，可參考生物航煤、生物基丁二醇（BDO）、戊二胺等。

　　其次，技術(shù)攻關(guān)要立足當(dāng)前，更要著眼長遠(yuǎn)，重視前端及前沿技術(shù)儲備。工業(yè)酶、菌種是生物制造技術(shù)體系的關(guān)鍵，是生物制造產(chǎn)業(yè)的前端技術(shù)。我國生物制造需要在底盤菌株構(gòu)建、改造以及與其相關(guān)的生產(chǎn)裝備研發(fā)、技術(shù)體系建設(shè)等方面加快步伐。其中以二氧化碳為原料的工業(yè)生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，基于人工智能、大數(shù)據(jù)的工業(yè)酶、工業(yè)菌種的工程生物學(xué)創(chuàng)制技術(shù)，與塑料、纖維、橡膠等現(xiàn)有化工材料主流產(chǎn)業(yè)相銜接的關(guān)鍵產(chǎn)品技術(shù)，以及生物合成快速工程化、系統(tǒng)集成等技術(shù)值得重點(diǎn)關(guān)注。

　　再次，產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速需要有力的保障體系。目前，我國在生物技術(shù)特別是合成生物學(xué)領(lǐng)域加大了支持力度，合成生物技術(shù)已被多地列入“十四五”規(guī)劃中，一批瞄準(zhǔn)化石基產(chǎn)品替代的生物制造項(xiàng)目已落地。此時亟須加快建立并完善生物基產(chǎn)品評價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)及管理體系、產(chǎn)品溯源服務(wù)或認(rèn)證制度，以及“原料—制備—制品—流通—用戶—處置”全鏈條精細(xì)化管理機(jī)制等，為生物基含量測定、產(chǎn)品降解性能、重點(diǎn)產(chǎn)品碳排放核算、低碳產(chǎn)品評價(jià)、產(chǎn)品溯源等提供基礎(chǔ)保障。

　　轉(zhuǎn)自：中國石油報(bào)

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