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編者按 在不久前舉辦的2023年第七屆全國化學工程與生物化工年會上，中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉作了題為《綠色生物制造》的主旨報告，提出生物制造是讓工業綠色可持續發展最有希望的技術，可以重構制造業產業體系，特別是在“雙碳”背景下，綠色生物制造將改變未來。就綠色生物制造的發展現狀及前景等話題，中國化工報記者在會議期間采訪了譚天偉院士。

生物經濟是第四次產業浪潮

記者：在“雙碳”背景下，生物技術正在受到前所未有的關注，請問生物制造有什么特點和發展前景?

譚天偉：生物制造是以工業生物技術為核心，利用酶、微生物細胞，結合化學工程技術，生產目標產品的加工過程，產品包括生物基材料、化學品、生物能源等。生物制造是實現原料、過程及產品綠色化的新模式，具有高效、原料可再生、環境友好的特點。從1947年氨基酸的大規模發酵和生產，到2013年微生物合成青蒿素，到2018年酶定向進化獲得諾貝爾化學獎，再到近幾年合成生物技術快速發展……如今生物制造已經成為利用生物技術把產品工業化的一種重要制造模式。世界經合組織提出，生物制造是讓工業可持續發展最有希望的技術，是將生物技術的創新產品推向商業規模的引擎。生物技術和生物制造催生生物經濟，通過科技與產業革命，約70%的產品可以用生物法生產，有望創造30萬億美元的經濟價值，占全球制造業的1/3。生物經濟是繼農業經濟、工業經濟、數字經濟之后的第四次產業浪潮。

全球正處于一場新的源于生物技術和生物制造的工業革命，將生命系統的研究提升到“可預測、可再造、可調控”的新高度，人工智能、自動化、大數據和生物技術的不斷加速融合，實現了生物可編程和新一代生物制造。

記者：本次化學工程與生物化工年會的主題是“低碳經濟下的綠色化工”，請問在新技術不斷推動產業革命的大趨勢下，傳統產業該如何實現綠色發展、轉型升級?

譚天偉：我國是世界第一制造大國，生物制造從原料源頭降低碳排放，是傳統產業轉型升級的“綠色動力”，也是“綠色發展”的重要突破口。我國的生物制造產業正處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段，因此抓住生物制造戰略發展和機遇期，加快生物制造戰略性布局和前瞻性技術創新，加快從基因組到工業合成技術和裝備的突破，支撐生物基化學品、生物基材料、生物能源等重大產品的綠色生產，帶動數萬億元規模的新興生物產業，對于我國走新型工業化道路、實現經濟綠色增長和社會經濟可持續發展具有重大戰略意義。

化工行業是國民經濟的支柱。實際上，化工行業不單是我國的支柱，在全世界也是這樣。雖然化工行業目前可能還有一些不安全或者是不太綠色的地方，但是我們完全可以利用技術創新和管理創新的結合，使化工變得更加美麗。如果再用工業生物技術來進一步加工，特別是實現碳資源的循環利用，那么未來的化工行業將非常綠色環保。

大家都在談論碳中和，要從源頭上減少碳排放，包括能源革命、資源革命、綠色工業與節能減排等都需要減碳。生物技術會在未來碳減排中發揮重要的作用。過去我們說的可再生碳是生物質碳，但生物質碳從哪里來?是生物體通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳而來。如果單純靠植物、細菌、海藻等不能實現高效的轉化，那么能否以工業化的模式來轉化?這是一個具有巨大挑戰的課題。

生物質是通過太陽能光合作用來合成的物質。這種物質是自然生長起來的，年復一年，不斷地產生這種生物質，屬于可再生資源。工業生物技術跟傳統的化學化工技術相比，有幾點不同。第一，原料不同。過去的化學化工主要用的是石油基，或者煤基、礦石基原料，而工業生物技術主要是利用生物基原料。到底生物基的產品，有什么直接的不同?其實就看你穿的衣服就知道了。純棉做的衣服，那就是生物基的，因為它是用生物質(棉花)做出來的;如果你穿的是純化纖的衣服，那就是石油基的。

第二，合成的化學條件不同。化學反應，有許多需要高溫高壓，合成氨反應就是一個典型的例子。壓力越高，合成氨的產率越高。但是如果發生爆炸，那是很厲害的，所以它有安全隱患。而生物反應其實就是利用酶和微生物。酶和微生物，就跟人一樣，它不適合于高溫，100℃就死了。生物反應是常溫常壓下的反應，不會爆炸，很多都是水性體系，所以沒有安全隱患。

上百年的化學工業基本都是以石油和煤做原料的，這類化工最大的特點，就是原料不可再生。工業生物技術就是利用可再生的生物質做原料，用生物的手段，并結合化學工程技術，進行產品加工，或者提供相應的社會服務。

生物制造已顯示出巨大的碳中和潛力，在工業生產過程中，每使用1千克酶制劑能夠減少約100千克的二氧化碳排放量。生物制造能提供可持續的生物質原料，賦能可持續的綠色生產過程，開發低碳產品，實現塑料回收利用，以及將二氧化碳轉化成產品。

世界經合組織對6個發達國家進行分析的結果表明，生物制造技術的應用可以降低工業能耗15%～80%，降低原料消耗35%～75%，減少空氣污染50%～90%和水污染33%～80%，生產成本降低9%～90%。世界基金委員會預測，到2030年，工業生物技術每年可降低25億噸的二氧化碳排放量。

生物制造已成大國競爭焦點

記者：生物制造有巨大的產業吸引力，請問生物制造在國際上的地位如何?

譚天偉：目前全世界已有超過20個國家制定了關于工業生物技術的國家發展戰略。美國、歐盟等布局實施了“生命鑄造廠”和“微生物細胞工廠”等行動計劃。國外大型公司均投入大量人力和高額資金構建先進的菌種創制研發平臺，打造核心菌種競爭優勢。例如美國杜邦公司歷時12年、投入4億美元，成功突破了1,3-丙二醇的核心生產菌株，徹底顛覆了傳統石化合成路線，至今壟斷全球。日本味之素公司專門建立1700人的大規模研發隊伍，年投入研發經費3億美元，在氨基酸等核心菌種的技術水平長期保持國際領先優勢。

歐洲《工業生物技術2025遠景規劃》提出，到2025年，生物能源替代化石能源20%，化工原料替代率6%～12%，精細化學品替代率不低于30%。到2030年，使用可再生原料的比例占到：總體化學生產原料的30%，高附加值的化學品和聚合物的50%，大宗化學品的10%，運輸能源的25%。美國《生物質技術路線圖》提出，到2030年生物基產品將替代25%的有機化學品和20%的化石燃料。

今年3月23日，美國政府公布了一份《美國生物技術和生物制造的明確目標》報告，設立了新的明確目標和優先事項，用以推進美國生物技術和生物制造發展。具體目標包括：5年內，生產超20種商業化生物產品，全生命周期減排70%；基于生物質或二氧化碳生產食品級蛋白質。7年內，生產30億加侖的可持續航空燃料，全生命周期減排50%～70%。9年內，以低于100美元/噸的價格實現二氧化碳捕集。20年內，用生物基替代品取代90%以上的塑料，通過生物制造方式滿足至少30%的化學品需求，收集和處理12億噸生物質原料，轉換6000萬噸二氧化碳為燃料和產品等。

生物制造的重要地位不次于芯片，美國前年開始已經把生物技術列為禁止出口的關鍵技術，并在減碳、增強農業和糧食創新等方面制定了生物技術和生物制造的具體行動計劃。生物制造已經成為大國競爭的重要領域。在上游的催化劑設計包括基礎數據庫軟件等方面，美國的優勢比較明顯，他們的短板是主要的企業已經外流，在供應鏈完整性上存在很大的問題。

我國在生物制造方面起步較早，在2018年就確定了重大研發計劃——綠色生物制造技術。當時確定的方案就是解決一些重大的“卡脖子”關鍵技術，比如酶和核心的菌種，要讓這些關鍵的技術體系實現自主化，同時實現原料綠色化、過程綠色化、產品綠色化。我國生物基化學品與材料產業，受制于生產菌種，高端、精細化產品的生產能力與國外差距明顯。例如我國發酵行業擁有3000億元產值、3000萬噸的規模，但很多關鍵裝備和材料依然是短板，高端反應器、培養基和分離純化介質仍被國外公司所壟斷。

我國生物發酵產業情況

記者：中國生物制造的未來發展應該在哪些方面發力?

譚天偉：從我國生物制造未來的發展方向來看，要聚焦解決核心菌種和工業酶“卡脖子”問題的目標，形成自主創新能力，構建國際一流的酶和菌種開發技術平臺。面向重大戰略性產品生物制造和污染行業綠色改造的需求，形成核心技術體系。

未來我國生物制造重點發展方向聚焦3個方面。一是提高我國自主創新能力，二是保障產業支撐能力，三是攻克重大戰略產品的核心關鍵技術。

在提高我國自主創新能力方面，要構建具有自主知識產權的生物學設計工具及軟件，突破工業酶設計、細胞設計、超高通量細胞篩選等核心底層技術，建立與工業環境適配的關鍵生物催化劑;推進生物大數據與數字細胞、蛋白質計算與理性設計改造、細胞重編程再造。在保障產業支撐能力方面，要建立新型生物制造原料體系，突破生物反應器、生物分離介質等關鍵設備和材料；開發生物學設計軟件工具軟件，實現超高通量細胞篩選。

在重大戰略產品的核心技術方面，要重點突破二氧化碳生物轉化利用、未來食品制造、天然藥物和生命健康創新產品的生物合成、可再生化工材料、先進生物航空燃料等關鍵技術。

生物技術重構產業體系

記者：具體來講，生物技術可以怎樣改造提升傳統產業?

譚天偉：生物制造是促進傳統產業綠色轉型升級，提升工業制造競爭力的重要途徑。生物制造本身具有原料可再生、過程清潔高效等特征，可從根本上改變化工、醫藥、能源、輕工等傳統制造業高度依賴化石原料和“高污染、高排放”的加工模式，通過生物技術的介導，能夠促進產業的轉型、升級及新業態的出現。生物制造技術可以賦能各行業的綠色轉型升級，包括化學品、材料、食品、醫藥、營養保健、農業、環境等。

化工行業可持續發展面臨結構性制約，主要包括原料受限高、過程污染大、高端產品少，需要新的原料路線和綠色工藝，生物制造技術可助力化工行業綠色化轉型。舉例來說，從生物基材料的角度來看，發展生物基材料，可降低化石資源依存度，我國85%的塑料有可能被生物基代替。1噸石油基的塑料排放二氧化碳約3.1噸，生物基塑料僅排放二氧化碳0.6噸。聚乳酸(PLA)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)和1,4-丁二醇(BDO)等生物基塑料和聚合物的生命周期溫室氣體排放量減少80%。據統計,我國每年消耗塑料在7000萬～8000萬噸，假設有1/3石油基的塑料能被生物基的塑料替代，那么減少的碳排放是相當可觀的。

采用生物技術可實現重大化工產品產業技術體系構建，例如丁二酸、乙二酸、丁二醇生物制造路線。2013年，生物基琥珀酸已經開始工業化，其合成路徑是通過酵母或細菌在低pH值環境下發酵生產丁二酸或微生物利用甘油發酵生產丁二酸。以最簡單的1,3-丙二醇為例，原來是使用巴斯夫化學法生產的，如今杜邦公司用生物法通過大腸桿菌制作成功，并且已經申請了專利。我們團隊又設計出一套新的路線，目前已經做到了中試階段。

再如異戊二烯是天然橡膠的單體，是橡膠樹乳液的主要成分。合成橡膠出現后，大部分異戊二烯均從石油基中分離出來。但是現在看來，又要回歸用天然的材料。目前，我國云南、海南等地大概種植了幾千萬畝的天然橡膠林。橡膠樹本身就含有異戊二烯聚合酶，如果把這些聚合酶巧妙地組合在一起，通過人工的工廠化就能實現生產，從而可以節省大量的土地。我們完全有可能實現這一想法，現在正在開展相關研究工作。

此外，我們已經設計出生物基己二酸的合成路線，理論值是消耗1摩爾葡萄糖能得到0.87摩爾己二酸，如能實現，未來己二酸成本可以大幅度下降。

二氧化碳的合成轉化技術也非常重要。用不了多久，全新的生物制造路線——由二氧化碳到乙二醇、乙醇酸，整個新的原料路線將會重構，會影響未來的產業。

我們最初使用生物質，后來開始使用化石資源，現在又回過頭來利用生物質，這是源于其利用技術更高、效率更高，而且未來持續的發展將重塑我們的制造業。未來最有前景的就是第三代生物技術。

第三代生物技術重塑世界

記者：什么是第三代生物技術?其原料是什么?發展前景如何?

譚天偉：第三代生物技術的原料就是二氧化碳。二氧化碳非常穩定，所以讓它轉化需要額外的能量，又會產生新的二氧化碳的排放。但如果驅動能源來自可再生能源，比如太陽能，就有可能實現。

以生物制造為代表的第三代生物技術，將來可以生產很多的產品。這種產品能源從哪里來?來自太陽能。如果我們能將光合作用設計，再超越傳統的植物，用工業化方式實現生產，是完全可能的。這是未來生物制造一個非常具有挑戰性的課題。

把二氧化碳進行生物轉化，可實現碳循環利用，即以二氧化碳及其衍生物(一碳原料)為底物，用風光電等可再生能源進行能量的供給，采用生物法進行化學品及燃料的生產。

同時，生物化學耦合體系、整個產業鏈上下游的貫通，也是非常重要的。

在電菌耦合轉化二氧化碳制備化學品方面，我國已經有很好的成果。例如多酶級聯生產甲醇和C?/C?化學品，電酶耦合生產氨基酸和淀粉，光酶耦合轉化二氧化碳制備甲酸，光菌耦合轉化二氧化碳生產乙酸、醇類、葡萄糖及燃料、食品和燃料法尼烯等。

未來我們要用生物質，用二氧化碳，用第三代生物技術來重塑我們的世界，綠色生物制造將會在整個制造業中發揮越來越重要的作用。綠色生物制造將改變未來!