當前，生物技術不斷從醫藥、農業、食品向工業領域（如化工、材料及能源）轉移。汽油、柴油、塑料、橡膠、纖維及許多大宗傳統石油化工產品，正不斷被來自可再生原料的工業生物制造產品替代。高溫、高壓、高污染的化學工業過程，也正不斷向條件溫和、清潔環保的生物加工過程轉移。
生物制造是以工業生物技術為核心手段，通過改造現有制造過程或利用生物質、二氧化碳等可再生原料生產能源、材料與化學品，實現原料、過程及產品綠色化的新模式。作為生物技術產業的重要組成部分，生物制造是生物基產品實現產業化的基礎平臺，也是合成生物學等基礎科學創新在具體過程中的應用。
我國是世界第一制造大國，生物制造將從原料源頭上降低碳排放，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。隨著現代生物制造產業的加速形成與擴展，一個大規模的生物制造產業即將到來。
變革化工制造模式
化工產業是國民經濟和國防工業重要的基礎性行業，生物制造則是變革我國化工制造模式、破解石化原料瓶頸的重大方向。
受限于資源匱乏，我國化工原料對外依存度較高。2018年，石油、天然橡膠等對外依存度分別達到70%與76%，尼龍等對國民經濟有重大影響的高端產品高度依賴進口，這也折射出當前我國化工領域產品體系、技術體系、產業體系與知識產權體系存在的諸多問題，急需在新的綠色原料和技術路線方面取得突破。
使用生物質等綠色資源生產液體燃料和化學品，可為我國未來化工原料多元化戰略提供一個新的重要突破口。
理論上，90%的傳統石油化工產品都可以由生物制造獲得。建立以可再生生物質資源為原料的生物制造路線，實現化工產品生產原料向可再生原料轉移，不僅可節約數千萬噸輕質石腦油原料，同時也可以促進產業由中低端向中高端邁進，創造一個全新的化工產業鏈和經濟增長點，對實現我國化工產業可持續發展具有重要意義。
目前，生物燃料乙醇、重大化工產品1,3—丙二醇、生物可降解塑料聚乳酸和聚羥基烷酸酯等生物基產品已經實現規模化制造，聚酯材料、橡膠、合成纖維等傳統石化基高聚物單體的生物合成技術不斷創新。全球生物基產品占石化產品的比例已從2000年的不到1%增長到現在的10%，并以每年高于20%的速度增長，展現出生物基經濟強勁的發展勢頭。
生物制造還是促進我國實現“碳中和”發展目標的重要途徑。近年來隨著工業生物技術的發展，越來越多的企業開始使用可再生原料，例如玉米、農業和林業殘留物、能源作物甚至二氧化碳生產液體生物燃料和有機化學品。不斷涌現的新型碳捕集和利用技術，可以將工業排放中的廢碳（如鋼鐵行業工業尾氣，甚至空氣中的二氧化碳）用作化學品的原料，轉化為液體燃料和化學品，不僅減少了二氧化碳的工業排放量，還減少了化工過程的總碳足跡。
產業核心層面仍存短板
我國生物制造產業雖然起步較晚，但近年來發展迅速。
在生物發酵產業領域，我國正在加速由發酵工業大國向發酵強國轉變，產業發展平穩，產品產量于2018年達到2961.6萬噸，總產值2472億元，新型發酵產品品種和衍生新產品持續增多。
在生物基材料單體與聚合物產業領域，我國已形成以生物材料單體制備、生物基樹脂合成與改性、生物基材料應用為主的生物基材料產業鏈。目前已建成產能約2萬噸生物基1,3—丙二醇、生物基丁二酸生產線。聚乳酸（PLA）年產能1萬噸，位居世界第二。聚羥基脂肪酸酯（PHA）年總產能超過2萬噸，產品類型和產量國際領先。
在生物能源方面，自2017年《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》（簡稱“實施方案”）公布以來，我國燃料乙醇發展規模迅速擴大。作為世界上第三大生物乙醇生產國和應用國，我國目前已建成產能500萬噸，在建產能合計超過300萬噸。
然而，當前生物制造產業核心層面仍然存在短板，表現為關鍵核心技術和前瞻技術儲備不足、核心裝備研發落后、市場化程度低、競爭力不足。
當前，美國、丹麥、荷蘭、日本等國的企業在酶制劑等現代發酵行業中處于技術壟斷地位。我國在大宗發酵產品（氨基酸、有機酸、維生素等）等具備規模優勢的產業領域普遍存在工業生產催化劑知識產權侵權的隱患。丙二醇、尼龍等重大化學品也遭遇全方位的專利封鎖，尚未打破杜邦等國外大型化工集團的壟斷。與發達國家相比，我國科技戰略架構、底層核心技術、關鍵裝備還存在差距，產業發展仍面臨巨大挑戰。
抓住戰略發展機遇期
未來，生物制造將向原料利用多元化、生物轉化體系高效化、產品高值化等方向發展，構建從可再生原料到終端產品的全產業鏈。
原料方面，以淀粉和油脂為代表的第一代生物制造目前占據主導地位，處于成熟的商業化階段。以木質纖維素（如玉米秸稈）為原料的第二代生物制造將逐步進入中試和產業化示范階段。通過酶制劑的高效水解將纖維素制備成葡萄糖、木糖等可發酵糖，對于未來超大規模生物制造產業體系的建立具有決定性作用，是綠色制造的重要支撐。
以二氧化碳為原料的生物轉化是第三代的生物制造路線，可有效降低生物工業制造的原料成本，降低對化石資源的過分依賴，已引起世界各國政府的高度重視。歐盟、美國、加拿大、英國、澳大利亞等均制定了將二氧化碳作為工業生物技術的新型替代原料的相關技術發展路線圖。以二氧化碳生物利用為契機，建立以二氧化碳為原料的工業生物轉化新路線，加速推進我國生物制造產業的原料路線轉移，將有助于我國在生物經濟新一輪國際競爭中贏得先機。
需要突破的重點方向還包括：開發二氧化碳、甲烷有機碳原料的利用途徑，突破其生物轉化的物質與能量利用瓶頸；設計能夠將二氧化碳和電子源轉化為液體燃料和化學品的微生物；開發新型工具，實現二氧化碳固定器中碳濃度/固定途徑的工程設計，打造由碳原料出發，生產各種燃料和化學品的生物制造路線。
未來還應加快顛覆性技術創新，建立先進生物制造技術體系。生物制造的技術價值核心在于高效優質的生物催化劑（工業酶和菌種）及圍繞酶和菌種的一系列生產裝備、技術與體系。革命性的新一代酶和菌種、技術往往能完全改變整個產業的發展走勢，快速占領絕大多數市場份額，甚至開發出全新的市場。所以，自主的核心酶和菌種是生物制造產業的“芯片”。隨著工業生物研究逐漸進入大數據和人工智能時代，前沿生物技術與計算機、物理、化學等技術的結合將為工業酶創制、菌種合成與篩選等提供數據與技術支撐。
與此同時，我國還需要重點發展融合人工智能的工業酶和工業菌種的工程生物學創制，突破工業酶篩選與快速定向進化、過程大數據指導的生物合成快速工程化、生物制造裝備與系統集成等系列關鍵技術；建立利用不同生物質原料，實現高產率、高濃度生產可再生材料及高價值化學品的生物制造技術體系和產品體系。
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，一旦眾多產品的生物路線商業化，將會極大推動產業的快速發展。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、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，以生物制造推動“農業工業化、工業綠色化、產業國際化”，對于我國走新型工業化道路、實現財富綠色增長和社會經濟可持續發展具有重大戰略意義。
來源：《中國科學報》
