綠色生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

綠色生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

譚天偉，生物化工專家，中國(guó)工程院院士。1986年畢業(yè)于清華大學(xué)化工系。1993年獲得清華大學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任北京化工大學(xué)教授，校長(zhǎng)。

主要從事生物化工研究，在脂肪酶及酶催化合成化學(xué)品上進(jìn)行了大量研究，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)合成用脂肪酶的生產(chǎn)和酶工業(yè)催化的應(yīng)用；建立了基于標(biāo)志代謝物控制的發(fā)酵放大新方法，并用于酵母發(fā)酵產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)；開(kāi)發(fā)了發(fā)酵廢菌絲體綜合利用工業(yè)化應(yīng)用新工藝。先后獲國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利30余項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文200余篇，EI收錄200多篇。獲2項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和4項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（第一完成人）。獲得何梁何利科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、談家楨生命科學(xué)獎(jiǎng)、亞洲青年生物技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)（YABEC award）等。國(guó)家教學(xué)名師，培養(yǎng)博士和碩士研究生100余名。

1 全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

生物制造是生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化的“最后一公里”。目前全球生物制造加速發(fā)展的階段，生物基產(chǎn)品市場(chǎng)已在美國(guó)超過(guò)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2.2%。據(jù)安捷倫科技公司估計(jì)，美國(guó)2012年僅來(lái)自工業(yè)生物技術(shù)的企業(yè)對(duì)企業(yè)收入貢獻(xiàn)就達(dá)到了至少1250億美元，生物基化工產(chǎn)品的應(yīng)用約占660億美元，而這其中有300億美元的增長(zhǎng)是依靠生物燃料。歐盟委員會(huì)估計(jì)，歐洲生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值（不包括醫(yī)療應(yīng)用）已達(dá)到每年2萬(wàn)億歐元以上，并雇用2150萬(wàn)以上員工。隨著合成生物學(xué)和工業(yè)生物技術(shù)的突破以及下游商業(yè)化應(yīng)用的不斷開(kāi)拓，預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年將加速增長(zhǎng)，年均增速將超過(guò)15%。

2 合成生物學(xué)的進(jìn)步加速生物制造產(chǎn)業(yè)化

生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化將帶來(lái)化學(xué)、燃料及材料的應(yīng)用中新分子的產(chǎn)生，通過(guò)合成生物學(xué)可獲得通過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)合成無(wú)法獲得的新的高價(jià)值化工產(chǎn)品。合成生物學(xué)利用重組DNA的科學(xué)和讀寫(xiě)能力的優(yōu)勢(shì)，并編輯微生物的DNA，使新的、更高效的代謝途徑的設(shè)計(jì)與建造成為可能。這是目前通過(guò)化石燃料來(lái)源或傳統(tǒng)制造所不能達(dá)到的。植物化學(xué)藥物與保健品的植物提取正在轉(zhuǎn)向生物合成制造，天然藥物對(duì)珍稀自然資源的依賴和破壞的局面將被逐漸扭轉(zhuǎn)，新的創(chuàng)造和市場(chǎng)創(chuàng)新的潛力仍然相當(dāng)可觀。美國(guó)科技調(diào)研機(jī)構(gòu)BCC研究公司（BCC Research）研究的一項(xiàng)研究表明，到2016年，化工產(chǎn)品的合成生物學(xué)市場(chǎng)將增長(zhǎng)到110億美元。而根據(jù)麥肯錫全球研究所的一個(gè)廣泛研究表明，合成生物學(xué)和生物產(chǎn)業(yè)化將提供一套顛覆性的技術(shù)，到2025年產(chǎn)生至少1000億美元以上的經(jīng)濟(jì)影響。因此，一個(gè)強(qiáng)大的和顛覆性的新產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正在形成。即使在現(xiàn)在這一早期階段，美國(guó)合成生物學(xué)商業(yè)公司的數(shù)量已經(jīng)從2009年的54家增加到2013年的131家，出現(xiàn)了大量新創(chuàng)公司，而它們中的大部分已通過(guò)首次公開(kāi)募股成功上市。但是由于在廣泛的領(lǐng)域中一些較大的公司的快速吸收和利潤(rùn)，這些數(shù)據(jù)低估了合成生物學(xué)的全部經(jīng)濟(jì)影響。因此，先進(jìn)化工產(chǎn)品制造廣泛應(yīng)用于能源、醫(yī)療、先進(jìn)消費(fèi)產(chǎn)品、農(nóng)業(yè)、食品、化妝品和環(huán)境，這些應(yīng)用有望在可溯源的全球市場(chǎng)機(jī)會(huì)中帶來(lái)數(shù)萬(wàn)億美元的收益。巨大的市場(chǎng)規(guī)模和增長(zhǎng)率使得各國(guó)政府和跨國(guó)企業(yè)紛紛布局合成生物學(xué)技術(shù)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)。

3 我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求分析

3.1 保障國(guó)家能源安全需求，促進(jìn)化工原料多元化

目前，全世界的石油化工工業(yè)都處于技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要轉(zhuǎn)折期，以新材料與新能源產(chǎn)品為主的高端化工制造業(yè)是未來(lái)新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和新增長(zhǎng)點(diǎn)。目前我國(guó)通過(guò)原油煉制路線制備大宗化學(xué)品，因環(huán)境、技術(shù)、資源、安全等諸多因素，形式嚴(yán)峻。部分產(chǎn)品在原料方面高度依賴進(jìn)口，自主保障率低，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程能耗高、污染重。其中，2013年原油對(duì)外依存度為58%，烯烴對(duì)外依存度為30%～50%，天然橡膠對(duì)外依存為75%等。這對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。例如，2014年我國(guó)對(duì)二甲苯（PX）、天然橡膠對(duì)外依存度分別高達(dá)51%和80%，尤其“PX項(xiàng)目”多次引起廣泛爭(zhēng)議，遭遇“抵制散步”，不得不被無(wú)限期擱置，嚴(yán)重制約了材料、精細(xì)化工等下游產(chǎn)業(yè)大發(fā)展，已成為威脅到國(guó)家戰(zhàn)略安全的重大問(wèn)題。歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)征收過(guò)境航空“碳排放稅”，使得我國(guó)生物航煤的研發(fā)迫在眉睫。而國(guó)外已經(jīng)積極開(kāi)發(fā)大宗化學(xué)品的生物制造，爭(zhēng)奪戰(zhàn)略制高點(diǎn)。杜邦公司和固特異(Goodyear)公司，聯(lián)合開(kāi)發(fā)利用生物基異戊二烯路線替代合成橡膠，并推出了生物輪胎?？煽诳蓸?lè)公司、Virent公司合作用生物PX路線替代傳統(tǒng)PX路線，已經(jīng)進(jìn)入中試。由于新的原料路線和新型綠色生產(chǎn)技術(shù)多被國(guó)外壟斷，無(wú)法從根本上支撐我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，導(dǎo)致引領(lǐng)發(fā)展能力不足，難以搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。生物基液體燃料和化學(xué)品采用綠色生物工藝，為我國(guó)未來(lái)化工原料多元化戰(zhàn)略中提供一個(gè)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。通過(guò)提升可再生能源比重，利用生物質(zhì)生產(chǎn)生物燃?xì)夂鸵后w燃料補(bǔ)充石油燃料，以生物基化學(xué)品補(bǔ)充石油化學(xué)品，降低對(duì)進(jìn)口石油和燃?xì)獾囊蕾嚕瑸槲覈?guó)未來(lái)化工原料多元化戰(zhàn)略中提供一個(gè)新的重要突破口，有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命，保障國(guó)家能源安全。同時(shí)可以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)由中低端向中高端邁進(jìn)，形成生物橡膠、生物航煤和生物PX等戰(zhàn)略性新型化工產(chǎn)業(yè)鏈和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

3.2 促進(jìn)工業(yè)綠色低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

環(huán)境污染和溫室氣體排放形勢(shì)嚴(yán)峻，倒逼化工行業(yè)走生態(tài)發(fā)展新路，推動(dòng)化工行業(yè)從高排放、高消耗，向低排放、低消耗、高效益轉(zhuǎn)變，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大需求。習(xí)近平總書(shū)記反復(fù)強(qiáng)調(diào)指出“綠水青山就是‘金山銀山’”。李克強(qiáng)總理在《政府工作報(bào)告》中指出，環(huán)境污染是民生之患、民心之痛，要鐵腕治理。而我國(guó)環(huán)境污染中，化學(xué)污染占各類污染的80%～90%。化工企業(yè)排出的未經(jīng)處理的高毒污水對(duì)水質(zhì)、土壤的污染，導(dǎo)致幾百個(gè)癌癥村的產(chǎn)生，嚴(yán)重危害人民的健康。隨著2015年新環(huán)保法的實(shí)施，傳統(tǒng)化工行業(yè)面臨更嚴(yán)格的法律和制度約束。生物制造工藝具有資源消耗小、污染排放少的特點(diǎn)，它的發(fā)展與傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)改造相結(jié)合，是改變化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式，綠色革命及保證我國(guó)社會(huì)可持續(xù)健康發(fā)展的必由之路。例如，生物工藝應(yīng)用在高耗能和“三廢排放”的重點(diǎn)行業(yè)紙漿和造紙過(guò)程中，能在漂白過(guò)程中降低40%的能耗，減少10%～15%的氯排放；在紡織后整理環(huán)節(jié)使用酶，能達(dá)到節(jié)能9%～14%，節(jié)水17%～18%；在制革行業(yè)、采礦與勘探行業(yè)可以減少眾多有害物質(zhì)排放，如：硫化氫及含氰廢水。生物制造產(chǎn)業(yè)可以通過(guò)生物方法合成自然界中稀少的天然提取物，為其大規(guī)模工廠化生產(chǎn)提供了一個(gè)途徑。通過(guò)生物方法能合成新型的功能性產(chǎn)品，替代現(xiàn)有添加劑，應(yīng)用到各種食品、保健品、醫(yī)藥品等產(chǎn)品中，更好地滿足人們對(duì)食品安全、營(yíng)養(yǎng)與健康的更高訴求。

預(yù)計(jì)到2030年，通過(guò)重大化工產(chǎn)品生物制造平臺(tái)的發(fā)展將使相關(guān)技術(shù)滲透到包括能源、材料、醫(yī)藥、食品、環(huán)境保護(hù)等多達(dá)十幾萬(wàn)億元的多個(gè)國(guó)民支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)也將起到極為重要的作用。

3.3 改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化

中國(guó)目前已經(jīng)成為全球最大的溫室氣體排放國(guó)，預(yù)計(jì)到2020中國(guó)溫室氣體排放還會(huì)增長(zhǎng)20%（比2011年），在國(guó)際上面臨巨大的減排壓力。生物液體燃料能夠有效降低機(jī)動(dòng)車空氣污染物排放和溫室氣體排放。例如，根據(jù)美國(guó)能源部北美國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部對(duì)黑龍江肇東、哈爾濱以及廣西北海、南寧四個(gè)使用混合了10%燃料乙醇的E10乙醇汽油的地區(qū)大氣監(jiān)測(cè)研究表明，E10乙醇汽油能夠降低機(jī)動(dòng)車34.8%的一氧化碳、42.7%的揮發(fā)性碳水化合物排放，以及6%～10%的溫室氣體排放。生物航空煤油的添加比例能夠達(dá)到50%，可以降低65%～85%的溫室氣體排放。另外，以纖維素乙醇為代表的以農(nóng)林廢棄物為原料的下一代生物液體燃料即將進(jìn)入商業(yè)化，將有助于解決秸稈焚燒這一難癥。

4 生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)方向建議

4.1 重點(diǎn)發(fā)展對(duì)消費(fèi)者健康有明顯影響或?qū)Ρ仁肪€有明顯優(yōu)勢(shì)的新型生物基產(chǎn)品及其衍生物的產(chǎn)業(yè)化,重點(diǎn)解決產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和上下游問(wèn)題。①積極培育具有重大戰(zhàn)略意義的生物基大宗化學(xué)品的新型原料和轉(zhuǎn)化路線，注重與現(xiàn)有化工材料如塑料、纖維、橡膠等主流產(chǎn)業(yè)的銜接，形成生物橡膠、生物航煤、生物PX等新的產(chǎn)業(yè)鏈。②大力推進(jìn)生物基材料相關(guān)單體、聚合物及加工助劑的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，加強(qiáng)應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)解決產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如產(chǎn)品類型、配比和應(yīng)用等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生物基樹(shù)脂、生物基聚氨酯、生物尼龍、生物基增塑劑基下游PVC制品等產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)化示范。

4.2 生物基精細(xì)化學(xué)品方面，大力推動(dòng)特種食品、醫(yī)藥和添加劑、酶制劑等具有高附加值的生物基精細(xì)化學(xué)品的產(chǎn)品研發(fā)、工藝改進(jìn)和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；推動(dòng)下游食品、保健品、醫(yī)藥、化妝品、飼料企業(yè)的終端產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。實(shí)現(xiàn)化工園區(qū)的生物技術(shù)改造，改善化工園區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

4.3 突破纖維素乙醇商業(yè)化，在纖維乙醇發(fā)展所建立的纖維素糖的基礎(chǔ)上，集成各類糖工程技術(shù)，進(jìn)一步向更高附加值的先進(jìn)生物液體燃料、生物基精細(xì)化學(xué)品和生物基材料的開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)丁醇、有機(jī)酸、表面活性劑、PX、PMMA等更高附加值的產(chǎn)品，以最大化生物質(zhì)的價(jià)值利用。初步解決生物質(zhì)原料如農(nóng)業(yè)廢料、畜牧業(yè)養(yǎng)殖業(yè)廢物等的深度加工利用技術(shù)，達(dá)到減少排放和環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。

4.4 加強(qiáng)與生物制造相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)科研和過(guò)程工業(yè)技術(shù)的研究，重點(diǎn)突破合成生物學(xué)、工業(yè)酶催化和生物技術(shù)裝備等核心技術(shù)。加強(qiáng)與生物制造相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)科研和過(guò)程工業(yè)技術(shù)的研究。

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