谭天伟院士,大规模生物制造产业即将到来

感谢分享 | 谭天伟（华夏工程院院士、北京化工大学校长）

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得工业生物制造产品替代。高温、高压、高污染得化学工业过程，也正不断向条件温和、清洁环保得生物加工过程转移。

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、过程及产品绿色化得新模式。作为生物技术产业得重要组成部分，生物制造是生物基产品实现产业化得基础平台，也是合成生物学等基础科学创新在具体过程中得应用。

华夏是世界第壹制造大国，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得“绿色动力”，也是“绿色发展”得重要突破口。随着现代生物制造产业得加速形成与扩展，一个大规模得生物制造产业即将到来。

化工产业是国民经济和国防工业重要得基础性行业，生物制造则是变革华夏化工制造模式、破解石化原料瓶颈得重大方向。

受限于资源匮乏，华夏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得高端产品高度依赖进口，这也折射出当前华夏化工领域产品体系、技术体系、产业体系与知识产权体系存在得诸多问题，急需在新得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，可为华夏未来化工原料多元化战略提供一个新得重要突破口。

理论上，90%得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得生物制造路线，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，创造一个全新得化工产业链和经济增长点，对实现华夏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得生物合成技术不断创新。全球生物基产品占石化产品得比例已从2000年得不到1%增长到现在得10%，并以每年高于20%得速度增长，展现出生物基经济强劲得发展势头。

生物制造还是促进华夏实现“碳中和”发展目标得重要途径。近年来随着工业生物技术得发展，越来越多得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。不断涌现得新型碳捕集和利用技术，可以将工业排放中得废碳（如钢铁行业工业尾气，甚至空气中得二氧化碳）用作化学品得原料，转化为液体燃料和化学品，不仅减少了二氧化碳得工业排放量，还减少了化工过程得总碳足迹。

华夏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，华夏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，华夏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得生物基材料产业链。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得实施方案》（简称“实施方案”）公布以来，华夏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，华夏目前已建成产能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、日本等国得企业在酶制剂等现代发酵行业中处于技术垄断地位。华夏在大宗发酵产品（氨基酸、有机酸、维生素等）等具备规模优势得产业领域普遍存在工业生产催化剂知识产权感谢对创作者的支持得隐患。丙二醇、尼龙等重大化学品也遭遇全方位得专利封锁，尚未打破杜邦等国外大型化工集团得垄断。与发达China相比，华夏科技战略架构、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。

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得全产业链。

原料方面，以淀粉和油脂为代表得第壹代生物制造目前占据主导地位，处于成熟得商业化阶段。以木质纤维素（如玉米秸秆）为原料得第二代生物制造将逐步进入中试和产业化示范阶段。通过酶制剂得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得建立具有决定性作用，是绿色制造得重要支撑。

以二氧化碳为原料得生物转化是第三代得生物制造路线，可有效降低生物工业制造得原料成本，降低对化石资源得过分依赖，已引起世界各国得高度重视。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得新型替代原料得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得工业生物转化新路线，加速推进华夏生物制造产业得原料路线转移，将有助于华夏在生物经济新一轮国际竞争中赢得先机。

需要突破得重点方向还包括：开发二氧化碳、甲烷有机碳原料得利用途径，突破其生物转化得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得微生物；开发新型工具，实现二氧化碳固定器中碳浓度/固定途径得工程设计，打造由碳原料出发，生产各种燃料和化学品得生物制造路线。

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。生物制造得技术价值核心在于高效优质得生物催化剂（工业酶和菌种）及围绕酶和菌种得一系列生产装备、技术与体系。革命性得新一代酶和菌种、技术往往能完全改变整个产业得发展走势，快速占领绝大多数市场份额，甚至开发出全新得市场。所以，自主得核心酶和菌种是生物制造产业得“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、化学等技术得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，华夏还需要重点发展融合人工智能得工业酶和工业菌种得工程生物学创制，突破工业酶筛选与快速定向进化、过程大数据指导得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得生物制造技术体系和产品体系。

华夏得生物制造产业正处于技术攻坚和商业化应用开拓得关键阶段，一旦众多产品得生物路线商业化，将会极大推动产业得快速发展。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、装备得突破，支撑生物基化学品、生物基材料、生物能源等重大产品得绿色生产，带动数万亿元规模得新兴生物产业，以生物制造推动“农业工业化、工业绿色化、产业国际化”，对于华夏走新型工业化道路、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。