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生物制造，是以工業(yè)生物技術(shù)為核心，利用酶、微生物細(xì)胞，結(jié)合化學(xué)工程技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)品的加工過程，包括生物基材料、化學(xué)品和生物質(zhì)能源等。生物制造在碳減排方面有巨大潛力，還將帶來農(nóng)業(yè)革命，重塑全球食品供應(yīng)格局。OECD（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織）提出：“生物制造是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)之一?！睋?jù)預(yù)測，在不遠(yuǎn)的將來，全球70%的產(chǎn)品可以用生物法生產(chǎn)，有望創(chuàng)造30萬億美元的經(jīng)濟(jì)價值，占全球制造業(yè)的1/3。

目前，世界主要經(jīng)濟(jì)體都確定了生物制造戰(zhàn)略目標(biāo)。美國2022年9月啟動了“國家生物技術(shù)和生物制造計劃”，確保未來幾十年美國在生物技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和競爭力。我國2022年也將生物制造列入現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，但自主創(chuàng)新能力和保障支撐能力都亟待提升。

在前不久舉辦的中國石化科技創(chuàng)新未來發(fā)展論壇上，中國工程院院士、北京化工大學(xué)校長譚天偉對生物制造進(jìn)行了全面解讀，本版整理刊發(fā)部分觀點(diǎn)，敬請關(guān)注。

本版文字由本報記者 程強(qiáng) 整理

生物質(zhì)顆粒燃料

在“細(xì)胞工廠”里用“分子機(jī)器”生產(chǎn)產(chǎn)品

為什么要發(fā)展生物制造？因為人類面臨人口、能源、環(huán)境、資源等共同的壓力。預(yù)計到2050年，全球人口規(guī)模將從目前約80億增長為近100億，城市人口占比將達(dá)70%，導(dǎo)致食品需求將增長30%、能源需求將增長50%，而人類要用更少的土地、更少的水、更少的肥料、更少的農(nóng)藥來滿足食品與能源需求，同時還要提高生活品質(zhì)，這就需要新的技術(shù)——生物制造。

從發(fā)展歷史來看，人類經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)革命、工業(yè)革命、數(shù)字革命，如今正處于一場新的源于生物技術(shù)和生物制造的產(chǎn)業(yè)革命。

從上世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和中心法則，到90年代啟動人類基因組計劃，再到本世紀(jì)生物體系的工業(yè)化和合成生物學(xué)，三次生物技術(shù)革命將生命系統(tǒng)的研究提升到“可預(yù)測、可再造、可調(diào)控”的新高度?，F(xiàn)在，生物技術(shù)和人工智能、自動化、大數(shù)據(jù)等不斷加速融合，實現(xiàn)生物可編程和新一代生物智能制造技術(shù)，將會展現(xiàn)巨大能量。

未來，生物制造技術(shù)的原料不單是生物質(zhì)。生物制造技術(shù)第一代是用糖，第二代是用纖維素，第三代是用二氧化碳，目前已經(jīng)用二氧化碳制造出了淀粉。未來利用二氧化碳等低碳化合物，通過途徑設(shè)計及優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化模塊、基因編輯及合成、蛋白質(zhì)/酶工程，用“分子機(jī)器”在“細(xì)胞工廠”里可以生產(chǎn)出很多產(chǎn)品，包括醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、化工、材料等。

有分析認(rèn)為，到本世紀(jì)末，全球70%的產(chǎn)品可以用生物法生產(chǎn)，有望創(chuàng)造30萬億美元的經(jīng)濟(jì)價值，占全球制造業(yè)的1/3。

生物制造綠色工藝和創(chuàng)新產(chǎn)品對化學(xué)品、材料、醫(yī)藥、營養(yǎng)保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品等很多行業(yè)都具有很強(qiáng)的滲透性、輻射性，以及綠色轉(zhuǎn)型提升作用。如用生物法合成材料，利用生物質(zhì)或者二氧化碳合成單體，與后續(xù)的化工過程可以完全對接。

上海石油華劍站員工為車輛加注B5柴油。陸佳宏 攝

生物制造在碳減排方面潛力巨大

生物制造近年來發(fā)展迅速，是因為氣候目標(biāo)引發(fā)零碳經(jīng)濟(jì)的需求，不依賴化石資源的生物創(chuàng)新產(chǎn)品和制造過程，可以促進(jìn)氣候目標(biāo)和碳排放目標(biāo)的實現(xiàn)。

要實現(xiàn)巴黎協(xié)定氣溫升高2攝氏度的目標(biāo)，到2050年全球1/3的石油儲量、1/2的天然氣儲量和80%以上的煤炭儲量應(yīng)保持未使用狀態(tài)。

生物制造在碳減排方面已經(jīng)顯示出巨大的潛力。OECD（經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織）對6個發(fā)達(dá)國家分析結(jié)果表明：生物制造技術(shù)的應(yīng)用可以降低工業(yè)能耗15%~80%，減少原料消耗35%~75%、空氣污染50%~90%、水污染33%~80%，降低生產(chǎn)成本9%~90%。

如抗癲癇藥物普瑞巴林，用生物制造代替化學(xué)制造，溶劑用量減少88%，鎳催化劑用量減少85%，原料消耗減少85%。再如1,3-丙二醇，可用于多種藥物、新型聚酯PTT、醫(yī)藥中間體及新型抗氧劑的合成，用生物制造代替化學(xué)制造，原料消耗減少37%，能耗降低30%，碳排放減少63%。

世界基金委員會預(yù)測，到2030年，工業(yè)生物技術(shù)每年可降低碳排放25億噸。

生物制造可以實現(xiàn)可再生碳利用，可以支撐未來制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展。如提供可持續(xù)的生物質(zhì)原料、綠色工藝賦能可持續(xù)生產(chǎn)、開發(fā)低碳產(chǎn)品和塑料回收利用、將二氧化碳轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品等。

生物制造目前已經(jīng)在發(fā)酵工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輕工業(yè)、飼料工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)廣泛應(yīng)用，在生物新材料、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等行業(yè)快速發(fā)展，在采油氣、冶金、采礦等行業(yè)也有巨大潛力。

生物制造可以生產(chǎn)更綠色的產(chǎn)品，如生物航空燃料，可以幫助交通運(yùn)輸業(yè)脫碳。生物航空燃料在全生命周期內(nèi)可以減少96%的溫室氣體排放，且無氮無硫，可以減少70%的顆粒物排放。我國年航煤消費(fèi)量約3000萬噸，全部用生物航煤替代，年可減排二氧化碳3300萬噸，相當(dāng)于植樹近3億棵。

發(fā)展生物基材料可以降低化石資源的對外依存度。約85%的塑料可以被生物基塑料替代；利用石油制造1噸塑料，排放二氧化碳3.1噸，而生物基塑料僅排放0.6噸；生物基塑料和聚合物全生命周期溫室氣體排放量可減少80%。

全球每年生產(chǎn)塑料3.2億噸，中國每年生產(chǎn)0.75億噸，回收只有0.17億噸，產(chǎn)生的大量廢棄塑料，可以用生物方法降解，實驗室已經(jīng)驗證，生物降解過程溫和，且選擇性比較好，正準(zhǔn)備中試。

二氧化碳生物轉(zhuǎn)化可以實現(xiàn)固碳和碳的循環(huán)利用，即用可再生能源提供能量，利用生物法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品及燃料，關(guān)鍵是能否實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。比如光酶耦合可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳，也可以轉(zhuǎn)化為甲酸。電酶耦合可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇、氨基酸、淀粉、碳二及碳四等產(chǎn)品。甲酸供能供碳，可以實現(xiàn)大腸桿菌的自養(yǎng)生長。光菌耦合，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸、蘋果酸等，還可以固氮固碳。電菌耦合，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為醇類、食品、葡萄糖及燃料、法尼烯等。

未來食品供應(yīng)將因生物制造而重塑

人們熟知的抗瘧藥物青蒿素，是我國首先發(fā)現(xiàn)的。過去，我國一直占據(jù)全球青蒿素主要市場。我國生產(chǎn)青蒿素，是種植青蒿再從中提取青蒿素，青蒿一年只能種一茬，是靠天吃飯的。這種生產(chǎn)方式要放大只能是平面，從1畝地到1000畝乃至1萬畝地，占用大量耕地。國外利用生物制造技術(shù)，在釀酒酵母中高效半合成青蒿素。這種生產(chǎn)方式的放大是立體放大，從1升反應(yīng)器放大到100升，且全年全天候都可以生產(chǎn)。生產(chǎn)方式的革命等原因，導(dǎo)致中國在全球青蒿素市場占有率快速跌至不足10%。

所以，生物制造技術(shù)工業(yè)化后會帶來農(nóng)業(yè)上的革命。數(shù)千平方米的發(fā)酵車間可以取代數(shù)十萬畝的耕地。人造肉、人造奶、人造油脂等未來食品車間制造可以解決全球耕地、化肥和糧食安全等問題。

我國每年進(jìn)口1億噸大豆和3000萬噸玉米，從大豆中提取出2000萬噸油脂，產(chǎn)生8000萬噸豆粕用作飼料，而玉米的主要用途也是飼料。這些飼料再轉(zhuǎn)化為雞肉、豬肉等，如果大豆和玉米進(jìn)口受限，肉的供應(yīng)就會成問題。利用不同部位肉的細(xì)胞培養(yǎng)，可以生物制造出不同口味的人造肉，還可以加入不同的營養(yǎng)物質(zhì)，同時起到固氮、固碳作用，這樣的工業(yè)化生產(chǎn)模式在未來實現(xiàn)后，還能解決瘋牛病、豬瘟、禽流感等安全問題。所以，未來的全球食品供應(yīng)將會因生物制造而重塑。

不只是人造肉，多細(xì)胞的組織都可以生物制造出來。未來植物可以立體化營養(yǎng)液無土栽培，立體化曬不著光可以加光源，還可以提高二氧化碳濃度進(jìn)而提高產(chǎn)量，通過工廠化的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)生物制造。

自主創(chuàng)新能力與保障支撐能力亟待提升

現(xiàn)在很多藥物，包括抗體、疫苗、核酸/基因治療藥物、生物制劑、細(xì)胞治療藥物、蛋白/多肽治療藥物等的生產(chǎn)都是生物制造。我國生物醫(yī)藥與生命健康產(chǎn)品需求很大，但進(jìn)口依賴高。如奶粉的關(guān)鍵功能原料母乳脂肪、母乳低聚糖等主要依賴進(jìn)口。

我國發(fā)酵工業(yè)核心酶制劑75%以上來自國外公司，缺少關(guān)鍵酶；主要發(fā)酵產(chǎn)品的菌種自給率，抗生素不到10%，維生素不到20%，氨基酸不到5%，益生菌不到10%；工業(yè)菌種設(shè)計所需生物元件庫、酶資源庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等軟件全部依靠國外。

生物制造的關(guān)鍵裝備和材料也存在短板。如超高通量自動化平臺、高端生物反應(yīng)器、疫苗/抗體高效分離介質(zhì)等均被國外壟斷。類似光刻膠，生物藥物制造所需無異源或無血清細(xì)胞培養(yǎng)基90%依賴國外公司。

目前，世界主要經(jīng)濟(jì)體都制定了生物制造戰(zhàn)略目標(biāo)。歐洲的目標(biāo)是，到2025年，生物質(zhì)能源替代20%的化石能源，化工原料替代率在6%~12%，精細(xì)化學(xué)品替代率不低于30%；到2030年，可再生原料占到總體化學(xué)生產(chǎn)原料的30%、高附加值化學(xué)品和聚合物的50%、大宗化學(xué)品的10%、運(yùn)輸能源的25%，農(nóng)村生物煉制使農(nóng)民收入增長40%，實現(xiàn)農(nóng)村二次工業(yè)化。

美國2022年9月啟動了“國家生物技術(shù)和生物制造計劃”，宣布提供20多億美元的資金加速生物技術(shù)創(chuàng)新，確保未來幾十年內(nèi)美國在生物技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和競爭力。今年3月23日，白宮又公布《美國生物技術(shù)和生物制造的明確目標(biāo)》，涵蓋氣候變化解決方案、增強(qiáng)糧食和農(nóng)業(yè)創(chuàng)新、提高供應(yīng)鏈彈性、推進(jìn)交叉領(lǐng)域進(jìn)展等21個主題49個具體目標(biāo)，提出5年內(nèi)，基于生物質(zhì)或二氧化碳生產(chǎn)食品級蛋白質(zhì)，3周完成小分子或酶設(shè)計，30天內(nèi)構(gòu)建和測量單細(xì)胞，3個月將生物工藝擴(kuò)大至商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模；20年內(nèi)，用生物基替代品取代90%以上的塑料，生物制造滿足至少30%的化學(xué)品需求，收集和處理12億噸生物質(zhì)原料，轉(zhuǎn)化6000萬噸二氧化碳為燃料和產(chǎn)品等。

生物技術(shù)是繼IT技術(shù)后中美科技競爭的又一個焦點(diǎn)。合成生物、腦科學(xué)等技術(shù)在2018年被美國商務(wù)部列入出口管制技術(shù)清單。日前，生物技術(shù)企業(yè)華大基因被列入投資清單，意味著美國對中國的技術(shù)限制已經(jīng)從芯片擴(kuò)大到了生物技術(shù)領(lǐng)域。2020年，我國生物技術(shù)產(chǎn)品逆差達(dá)30億美元。

我國基礎(chǔ)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展對綠色技術(shù)包括生物制造技術(shù)有重大需求，化工等基礎(chǔ)制造業(yè)原料對外依存度高，而我國主要生物基化學(xué)品專利全球占比不到1%，美國占比達(dá)57.8%。此外，我國可持續(xù)工業(yè)原料和糧食安全問題也依賴生物制造的創(chuàng)新。2022年中央經(jīng)濟(jì)工作會已將生物制造列入現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，支持綠色制造新產(chǎn)業(yè)。

未來生物制造重點(diǎn)發(fā)展方向，一是要提高我國自主創(chuàng)新能力，包括生物大數(shù)據(jù)和數(shù)字細(xì)胞、蛋白質(zhì)計算與理性設(shè)計改造、細(xì)胞重編程再造等；二是要增強(qiáng)保障支撐能力，包括生物學(xué)設(shè)計工具軟件、生物反應(yīng)器、超高通量細(xì)胞篩選、生物分離介質(zhì)等；三是攻克重大戰(zhàn)略產(chǎn)品的關(guān)鍵核心技術(shù)，包括二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用、未來食品制造、天然藥物和生命健康創(chuàng)新產(chǎn)品的生物合成、可再生化工材料、先進(jìn)生物航空燃料等。