在全球綠色轉(zhuǎn)型浪潮與“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，生物制造正成為化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵引擎。生物制造以合成生物學(xué)為核心，并融合生物技術(shù)與工程化手段，憑借低碳環(huán)保工藝等優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)化工高能耗、高污染的發(fā)展困局，為化工行業(yè)開辟從“石化基”向“生物基”跨越的新路徑。當(dāng)下，越來越多化工企業(yè)以生物制造為突破口，加速技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)布局，推動行業(yè)向綠色化、高端化、智能化方向邁進(jìn)。

　　*本文刊登于《中國石油和化工》雜志第6期*

變革之力

生物制造重塑產(chǎn)業(yè)基因

　　傳統(tǒng)材料工業(yè)長期依賴化石資源，高能耗、高污染、高排放的發(fā)展模式難以為繼。聯(lián)合國官網(wǎng)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全世界每年生產(chǎn)超過4億噸塑料，而其中的一半只作一次性用途。而在這部分里，只有不到10%被回收。反觀生物基材料，以淀粉、纖維素、油脂等可再生物質(zhì)為原料，通過生物制造等技術(shù)實現(xiàn)“從生物中來，到生物中去”的循環(huán)閉環(huán)，從根本上改變“大量生產(chǎn)、大量消費、大量廢棄”的線性經(jīng)濟(jì)模式。

　　生物制造是指以生物質(zhì)為原料，通過生物技術(shù)手段制備的新型材料。與傳統(tǒng)石油基材料相比，生物基材料在生產(chǎn)過程中顯著降低碳排放，減少對化石資源的依賴，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。2022年，美國發(fā)布的“國家生物技術(shù)和生物制造計劃”顯示，在本世紀(jì)末之前，生物工程可能占全球制造業(yè)產(chǎn)出的1/3以上，價值接近30萬億美元。

　　記者從業(yè)內(nèi)專家處了解到，生物基材料不僅是技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)物，更是未來產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略高地，其發(fā)展不僅是技術(shù)革命，更是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重構(gòu)。中國工程院院士陳堅表示，生物制造具有綠色、高效、可持續(xù)特點，以生物質(zhì)等為原料，借助菌種、細(xì)胞、酶等生物體代謝機能或催化功能，結(jié)合工程學(xué)技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)加工。陳堅告訴記者，生物制造以淀粉(糖)、生物質(zhì)等，還有二氧化碳等低碳化合物為原料，通過合成生物學(xué)、精準(zhǔn)發(fā)酵等技術(shù)體系創(chuàng)制工程菌株并逐級放大培養(yǎng)，再對發(fā)酵液進(jìn)行分離純化，即可得到產(chǎn)物。其產(chǎn)品體系十分豐富，廣泛涵蓋食品、醫(yī)藥、化工(日用化學(xué)品)、農(nóng)業(yè)、酶制劑等領(lǐng)域。

　　例如備受關(guān)注的中科院人工合成淀粉技術(shù)，該技術(shù)具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率與合成速度，相比自然界數(shù)個月的合成時間，實驗室里只需約4個小時即可完成淀粉的合成，且相比玉米2%的理論能量轉(zhuǎn)化效率，該技術(shù)從太陽能到淀粉的轉(zhuǎn)化率為7%，提高了3.5倍，淀粉合成速率更是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

　　再如，由微生物合成的PHA(聚羥基脂肪酸酯)可完全降解為水和二氧化碳，在包裝、醫(yī)療等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)塑料。值得一提的是，PHA的高分子特性使其在聚合方式上具有多樣性，這種多樣性進(jìn)一步拓寬了PHA的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)PHA被用作精細(xì)化工產(chǎn)品時，它可以發(fā)揮出色的黏合劑和水乳膠體功能，為化工行業(yè)帶來新的選擇。同時，PHA生產(chǎn)過程綠色低碳，作為一種天然產(chǎn)物，可在1~3年內(nèi)于自然環(huán)境中完全降解，降解效率是傳統(tǒng)塑料的100倍，且不會在人體內(nèi)產(chǎn)生“微塑料”。據(jù)行業(yè)預(yù)測，2030年全球PHA市場規(guī)模有望突破百億美元。

創(chuàng)新之勢

生物制造的技術(shù)躍遷

　　當(dāng)前，傳統(tǒng)化工行業(yè)面臨資源與環(huán)境雙重挑戰(zhàn)，而生物制造正以其綠色、高效的獨特優(yōu)勢，逐漸成為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新方向。相關(guān)報道顯示，生物制造能改變傳統(tǒng)化學(xué)品的生產(chǎn)方式，顯著降低碳排放。例如，“三烯三苯”是傳統(tǒng)工業(yè)中重要的基礎(chǔ)原料，可通過生物制造過程獲得。而生物反應(yīng)過程中的乳酸、糠醛、琥珀酸、衣康酸、丙烯酸、己內(nèi)酰胺等平臺化合物，可衍生大量石化下游產(chǎn)品。

　　生物制造正不斷開辟多元場景新藍(lán)海，加速滲透至國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。“生物制造的技術(shù)核心在于合成生物學(xué)和精準(zhǔn)發(fā)酵技術(shù)。”陳堅介紹說，合成生物學(xué)的核心是通過設(shè)計、改造天然生物體或合成新生物體，而精準(zhǔn)發(fā)酵則是將“定制分子”的基因線路編碼植入微生物細(xì)胞工廠，精準(zhǔn)控制發(fā)酵全流程，定向生產(chǎn)蛋白質(zhì)、脂肪、維生素等目標(biāo)產(chǎn)物。

　　為更好地進(jìn)行說明，陳堅向記者進(jìn)行了形象化的比喻。他表示，合成生物學(xué)將每個細(xì)胞視作一個自動化的工廠，底盤細(xì)胞如同廠房，內(nèi)含由生物元件(基因)組裝成的眾多生產(chǎn)線(代謝途徑)。“合成生物學(xué)有兩個目標(biāo)，一是通過更換元件對已有生產(chǎn)線升級改造，以提高其產(chǎn)能。二是設(shè)計搭建出一條人工定制的新生產(chǎn)線。”陳堅告訴記者。

　　2015年，屠呦呦因青蒿素治療瘧疾的發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。青蒿素是從中藥青蒿中提取的抗瘧疾藥物，在原植物中青蒿素含量很低，僅為1%左右。但通過生物制造的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)青蒿素的商業(yè)化生產(chǎn)。“只用一個100立方米的發(fā)酵罐，一年的產(chǎn)量相當(dāng)于提取5萬畝青蒿。”陳堅表示。

　　作為生物制造的優(yōu)勢領(lǐng)域，化妝品行業(yè)將迎來新的產(chǎn)業(yè)變革。據(jù)介紹，化妝品原來主要包括植物提取和化學(xué)合成兩種方法。前者是從天然植物組織中提取有效成分，但缺點是有效成分含量低，同時分離難、成本高，且易受原材料限制。化學(xué)合成則主要是利用簡單分子，通過一系列化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行合成，包括表面活性劑、增稠劑、防腐劑、香精香料、防曬劑和合成保濕劑等。具有高純度、成本低、可控性強等優(yōu)點，但也存在環(huán)境負(fù)擔(dān)大、能耗高、消費者接受度低等缺點。而以淀粉、木質(zhì)素、農(nóng)林/畜禽廢棄物等生物質(zhì)為原料合成化妝品原料，具有成本低且綠色環(huán)保等優(yōu)勢。陳堅認(rèn)為，生物質(zhì)是化妝品原料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

融合之勢

生物制造的化工實踐

　　記者了解到，隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物制造從實驗室走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，開始重塑化工產(chǎn)業(yè)格局。不少傳統(tǒng)化工企業(yè)紛紛投身生物制造領(lǐng)域，通過技術(shù)創(chuàng)新與跨界合作，探索可持續(xù)發(fā)展的新路徑，在傳統(tǒng)與創(chuàng)新的交融中，開啟化工行業(yè)發(fā)展新篇章。

　　在轉(zhuǎn)型生物制造方面，央企、民企均有業(yè)務(wù)布局。2023年，北京微構(gòu)工場生物技術(shù)有限公司宣布完成3.59億元A+輪融資。本輪融資正是由中國石油集團(tuán)昆侖資本有限公司(中石油昆侖資本)領(lǐng)投。據(jù)悉，微構(gòu)工場是一家專注于合成生物學(xué)與生物制造前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新科技公司，依托自主研發(fā)、全球首創(chuàng)的嗜鹽菌底盤體系，開發(fā)多種創(chuàng)新型PHA解決方案。

　　此外，國內(nèi)精細(xì)化工龍頭新和成，多年來以“化工+”“生物+”為核心技術(shù)平臺，在國內(nèi)率先實現(xiàn)維生素A、E等產(chǎn)品關(guān)鍵中間體的產(chǎn)業(yè)化，在維生素、蛋氨酸、香精香料、PPS等領(lǐng)域構(gòu)筑了領(lǐng)先的技術(shù)實力。

　　目前，我國生物制造產(chǎn)業(yè)已形成區(qū)域化、集群化發(fā)展態(tài)勢。長三角地區(qū)依托科研和人才優(yōu)勢，成為重點企業(yè)聚集地;北京、廣東等地在原始技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域領(lǐng)先;華北、華中和西部地區(qū)則聚焦特色天然產(chǎn)物和食品配料的生產(chǎn)。這種多區(qū)域協(xié)同發(fā)展的模式，為生物基材料的全面推廣奠定了堅實基礎(chǔ)。

破局之路

生物制造的產(chǎn)業(yè)化攻堅

　　2024年、2025年，生物制造連續(xù)兩年寫入政府工作報告，標(biāo)志著這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)正式上升為國家戰(zhàn)略，成為繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)之后的“第四次產(chǎn)業(yè)浪潮”。與此同時，我國密集出臺政策支持生物制造發(fā)展。中央層面，國家發(fā)改委等部門出臺《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出“依托生物制造技術(shù)，實現(xiàn)化工原料和過程的生物技術(shù)替代”目標(biāo)，且2024年中央財政專項撥款超300億元支持關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。地方上，廣東省最新發(fā)布的《加快建設(shè)生物制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地行動方案》提出，到2027年產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)5000億元，2035年突破萬億元，打造具有全球競爭力的產(chǎn)業(yè)集群。

　　盡管前景廣闊，生物基材料產(chǎn)業(yè)化仍面臨不少挑戰(zhàn)。核心技術(shù)方面，復(fù)雜化合物的合成路徑優(yōu)化、細(xì)胞工廠代謝調(diào)控機制尚未完全明晰;生產(chǎn)成本方面，部分生物基材料生產(chǎn)成本較傳統(tǒng)材料高10%～20%;產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同方面，從原料種植到加工應(yīng)用的全鏈條標(biāo)準(zhǔn)化體系待完善。

　　破局之道在于構(gòu)建“政產(chǎn)學(xué)研用”深度融合的創(chuàng)新生態(tài)。陳堅表示，通過“大學(xué)搞基礎(chǔ)創(chuàng)新、企業(yè)抓應(yīng)用轉(zhuǎn)化”的模式，建成從“基因元件挖掘—細(xì)胞工廠構(gòu)建—中試放大—產(chǎn)業(yè)化”的全鏈條研發(fā)體系，可有效解決傳統(tǒng)產(chǎn)學(xué)研“兩張皮”問題。