生物制造：一场新的产业革命

阅读提示

生物制造，是以工业生物技术为核心，利用酶、微生物细胞，结合化学工程技术进行目标产品的加工过程，包括生物基材料、化学品和生物质能源等。生物制造在碳减排方面有巨大潜力，还将带来农业革命，重塑全球食品供应格局。OECD（经济合作与发展组织）提出：“生物制造是工业可持续发展最有希望的技术之一。”据预测，在不远的将来，全球70%的产品可以用生物法生产，有望创造30万亿美元的经济价值，占全球制造业的1/3。

目前，世界主要经济体都确定了生物制造战略目标。美国2022年9月启动了“国家生物技术和生物制造计划”，确保未来几十年美国在生物技术领域的领导地位和竞争力。我国2022年也将生物制造列入现代化产业体系建设，但自主创新能力和保障支撑能力都亟待提升。

在前不久举办的中国石化科技创新未来发展论坛上，中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟对生物制造进行了全面解读，本版整理刊发部分观点，敬请关注。

本版文字由本报记者 程强 整理

生物质颗粒燃料

在“细胞工厂”里用“分子机器”生产产品

为什么要发展生物制造？因为人类面临人口、能源、环境、资源等共同的压力。预计到2050年，全球人口规模将从目前约80亿增长为近100亿，城市人口占比将达70%，导致食品需求将增长30%、能源需求将增长50%，而人类要用更少的土地、更少的水、更少的肥料、更少的农药来满足食品与能源需求，同时还要提高生活品质，这就需要新的技术——生物制造。

从发展历史来看，人类经历了农业革命、工业革命、数字革命，如今正处于一场新的源于生物技术和生物制造的产业革命。

从上世纪50年代发现DNA双螺旋结构和中心法则，到90年代启动人类基因组计划，再到本世纪生物体系的工业化和合成生物学，三次生物技术革命将生命系统的研究提升到“可预测、可再造、可调控”的新高度。现在，生物技术和人工智能、自动化、大数据等不断加速融合，实现生物可编程和新一代生物智能制造技术，将会展现巨大能量。

未来，生物制造技术的原料不单是生物质。生物制造技术第一代是用糖，第二代是用纤维素，第三代是用二氧化碳，目前已经用二氧化碳制造出了淀粉。未来利用二氧化碳等低碳化合物，通过途径设计及优化、标准化模块、基因编辑及合成、蛋白质/酶工程，用“分子机器”在“细胞工厂”里可以生产出很多产品，包括医药、农业、食品、化工、材料等。

有分析认为，到本世纪末，全球70%的产品可以用生物法生产，有望创造30万亿美元的经济价值，占全球制造业的1/3。

生物制造绿色工艺和创新产品对化学品、材料、医药、营养保健、农业、环境、食品等很多行业都具有很强的渗透性、辐射性，以及绿色转型提升作用。如用生物法合成材料，利用生物质或者二氧化碳合成单体，与后续的化工过程可以完全对接。

上海石油华剑站员工为车辆加注B5柴油。陆佳宏 摄

生物制造在碳减排方面潜力巨大

生物制造近年来发展迅速，是因为气候目标引发零碳经济的需求，不依赖化石资源的生物创新产品和制造过程，可以促进气候目标和碳排放目标的实现。

要实现巴黎协定气温升高2摄氏度的目标，到2050年全球1/3的石油储量、1/2的天然气储量和80%以上的煤炭储量应保持未使用状态。

生物制造在碳减排方面已经显示出巨大的潜力。OECD（经济合作与发展组织）对6个发达国家分析结果表明：生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%~80%，减少原料消耗35%~75%、空气污染50%~90%、水污染33%~80%，降低生产成本9%~90%。

如抗癫痫药物普瑞巴林，用生物制造代替化学制造，溶剂用量减少88%，镍催化剂用量减少85%，原料消耗减少85%。再如1,3-丙二醇，可用于多种药物、新型聚酯PTT、医药中间体及新型抗氧剂的合成，用生物制造代替化学制造，原料消耗减少37%，能耗降低30%，碳排放减少63%。

世界基金委员会预测，到2030年，工业生物技术每年可降低碳排放25亿吨。

生物制造可以实现可再生碳利用，可以支撑未来制造业可持续发展。如提供可持续的生物质原料、绿色工艺赋能可持续生产、开发低碳产品和塑料回收利用、将二氧化碳转化为产品等。

生物制造目前已经在发酵工业、化学工业、轻工业、饲料工业、食品工业、医药工业广泛应用，在生物新材料、农业、环境、能源等行业快速发展，在采油气、冶金、采矿等行业也有巨大潜力。

生物制造可以生产更绿色的产品，如生物航空燃料，可以帮助交通运输业脱碳。生物航空燃料在全生命周期内可以减少96%的温室气体排放，且无氮无硫，可以减少70%的颗粒物排放。我国年航煤消费量约3000万吨，全部用生物航煤替代，年可减排二氧化碳3300万吨，相当于植树近3亿棵。

发展生物基材料可以降低化石资源的对外依存度。约85%的塑料可以被生物基塑料替代；利用石油制造1吨塑料，排放二氧化碳3.1吨，而生物基塑料仅排放0.6吨；生物基塑料和聚合物全生命周期温室气体排放量可减少80%。

全球每年生产塑料3.2亿吨，中国每年生产0.75亿吨，回收只有0.17亿吨，产生的大量废弃塑料，可以用生物方法降解，实验室已经验证，生物降解过程温和，且选择性比较好，正准备中试。

二氧化碳生物转化可以实现固碳和碳的循环利用，即用可再生能源提供能量，利用生物法将二氧化碳转化为化学品及燃料，关键是能否实现工业化规模生产。比如光酶耦合可以将二氧化碳转化为一氧化碳，也可以转化为甲酸。电酶耦合可以将二氧化碳转化为甲醇、氨基酸、淀粉、碳二及碳四等产品。甲酸供能供碳，可以实现大肠杆菌的自养生长。光菌耦合，可以将二氧化碳转化为乙酸、苹果酸等，还可以固氮固碳。电菌耦合，可以将二氧化碳转化为醇类、食品、葡萄糖及燃料、法尼烯等。

未来食品供应将因生物制造而重塑

人们熟知的抗疟药物青蒿素，是我国首先发现的。过去，我国一直占据全球青蒿素主要市场。我国生产青蒿素，是种植青蒿再从中提取青蒿素，青蒿一年只能种一茬，是靠天吃饭的。这种生产方式要放大只能是平面，从1亩地到1000亩乃至1万亩地，占用大量耕地。国外利用生物制造技术，在酿酒酵母中高效半合成青蒿素。这种生产方式的放大是立体放大，从1升反应器放大到100升，且全年全天候都可以生产。生产方式的革命等原因，导致中国在全球青蒿素市场占有率快速跌至不足10%。

所以，生物制造技术工业化后会带来农业上的革命。数千平方米的发酵车间可以取代数十万亩的耕地。人造肉、人造奶、人造油脂等未来食品车间制造可以解决全球耕地、化肥和粮食安全等问题。

我国每年进口1亿吨大豆和3000万吨玉米，从大豆中提取出2000万吨油脂，产生8000万吨豆粕用作饲料，而玉米的主要用途也是饲料。这些饲料再转化为鸡肉、猪肉等，如果大豆和玉米进口受限，肉的供应就会成问题。利用不同部位肉的细胞培养，可以生物制造出不同口味的人造肉，还可以加入不同的营养物质，同时起到固氮、固碳作用，这样的工业化生产模式在未来实现后，还能解决疯牛病、猪瘟、禽流感等安全问题。所以，未来的全球食品供应将会因生物制造而重塑。

不只是人造肉，多细胞的组织都可以生物制造出来。未来植物可以立体化营养液无土栽培，立体化晒不着光可以加光源，还可以提高二氧化碳浓度进而提高产量，通过工厂化的精准控制，实现生物制造。

自主创新能力与保障支撑能力亟待提升

现在很多药物，包括抗体、疫苗、核酸/基因治疗药物、生物制剂、细胞治疗药物、蛋白/多肽治疗药物等的生产都是生物制造。我国生物医药与生命健康产品需求很大，但进口依赖高。如奶粉的关键功能原料母乳脂肪、母乳低聚糖等主要依赖进口。

我国发酵工业核心酶制剂75%以上来自国外公司，缺少关键酶；主要发酵产品的菌种自给率，抗生素不到10%，维生素不到20%，氨基酸不到5%，益生菌不到10%；工业菌种设计所需生物元件库、酶资源库等基础数据库，以及蛋白质结构预测等软件全部依靠国外。

生物制造的关键装备和材料也存在短板。如超高通量自动化平台、高端生物反应器、疫苗/抗体高效分离介质等均被国外垄断。类似光刻胶，生物药物制造所需无异源或无血清细胞培养基90%依赖国外公司。

目前，世界主要经济体都制定了生物制造战略目标。欧洲的目标是，到2025年，生物质能源替代20%的化石能源，化工原料替代率在6%~12%，精细化学品替代率不低于30%；到2030年，可再生原料占到总体化学生产原料的30%、高附加值化学品和聚合物的50%、大宗化学品的10%、运输能源的25%，农村生物炼制使农民收入增长40%，实现农村二次工业化。

美国2022年9月启动了“国家生物技术和生物制造计划”，宣布提供20多亿美元的资金加速生物技术创新，确保未来几十年内美国在生物技术领域的领导地位和竞争力。今年3月23日，白宫又公布《美国生物技术和生物制造的明确目标》，涵盖气候变化解决方案、增强粮食和农业创新、提高供应链弹性、推进交叉领域进展等21个主题49个具体目标，提出5年内，基于生物质或二氧化碳生产食品级蛋白质，3周完成小分子或酶设计，30天内构建和测量单细胞，3个月将生物工艺扩大至商业生产规模；20年内，用生物基替代品取代90%以上的塑料，生物制造满足至少30%的化学品需求，收集和处理12亿吨生物质原料，转化6000万吨二氧化碳为燃料和产品等。

生物技术是继IT技术后中美科技竞争的又一个焦点。合成生物、脑科学等技术在2018年被美国商务部列入出口管制技术清单。日前，生物技术企业华大基因被列入投资清单，意味着美国对中国的技术限制已经从芯片扩大到了生物技术领域。2020年，我国生物技术产品逆差达30亿美元。

我国基础制造业可持续发展对绿色技术包括生物制造技术有重大需求，化工等基础制造业原料对外依存度高，而我国主要生物基化学品专利全球占比不到1%，美国占比达57.8%。此外，我国可持续工业原料和粮食安全问题也依赖生物制造的创新。2022年中央经济工作会已将生物制造列入现代化产业体系建设，支持绿色制造新产业。

未来生物制造重点发展方向，一是要提高我国自主创新能力，包括生物大数据和数字细胞、蛋白质计算与理性设计改造、细胞重编程再造等；二是要增强保障支撑能力，包括生物学设计工具软件、生物反应器、超高通量细胞筛选、生物分离介质等；三是攻克重大战略产品的关键核心技术，包括二氧化碳生物转化利用、未来食品制造、天然药物和生命健康创新产品的生物合成、可再生化工材料、先进生物航空燃料等。