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生物制造，是以工業生物技術為核心，利用酶、微生物細胞，結合化學工程技術進行目標產品的加工過程，包括生物基材料、化學品和生物質能源等。生物制造在碳減排方面有巨大潛力，還將帶來農業革命，重塑全球食品供應格局。OECD（經濟合作與發展組織）提出：“生物制造是工業可持續發展最有希望的技術之一。”據預測，在不遠的將來，全球70%的產品可以用生物法生產，有望創造30萬億美元的經濟價值，占全球制造業的1/3。

目前，世界主要經濟體都確定了生物制造戰略目標。美國2022年9月啟動了“國家生物技術和生物制造計劃”，確保未來幾十年美國在生物技術領域的領導地位和競爭力。我國2022年也將生物制造列入現代化產業體系建設，但自主創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新未來發展論壇上，中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉對生物制造進行了全面解讀，本版整理刊發部分觀點，敬請關注。

本版文字由本報記者 程強 整理

生物質顆粒燃料

在“細胞工廠”里用“分子機器”生產產品

為什么要發展生物制造？因為人類面臨人口、能源、環境、資源等共同的壓力。預計到2050年，全球人口規模將從目前約80億增長為近100億，城市人口占比將達70%，導致食品需求將增長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、更少的農藥來滿足食品與能源需求，同時還要提高生活品質，這就需要新的技術——生物制造。

從發展歷史來看，人類經歷了農業革命、工業革命、數字革命，如今正處于一場新的源于生物技術和生物制造的產業革命。

從上世紀50年代發現DNA雙螺旋結構和中心法則，到90年代啟動人類基因組計劃，再到本世紀生物體系的工業化和合成生物學，三次生物技術革命將生命系統的研究提升到“可預測、可再造、可調控”的新高度。現在，生物技術和人工智能、自動化、大數據等不斷加速融合，實現生物可編程和新一代生物智能制造技術，將會展現巨大能量。

未來，生物制造技術的原料不單是生物質。生物制造技術第一代是用糖，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，通過途徑設計及優化、標準化模塊、基因編輯及合成、蛋白質/酶工程，用“分子機器”在“細胞工廠”里可以生產出很多產品，包括醫藥、農業、食品、化工、材料等。

有分析認為，到本世紀末，全球70%的產品可以用生物法生產，有望創造30萬億美元的經濟價值，占全球制造業的1/3。

生物制造綠色工藝和創新產品對化學品、材料、醫藥、營養保健、農業、環境、食品等很多行業都具有很強的滲透性、輻射性，以及綠色轉型提升作用。如用生物法合成材料，利用生物質或者二氧化碳合成單體，與后續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

生物制造近年來發展迅速，是因為氣候目標引發零碳經濟的需求，不依賴化石資源的生物創新產品和制造過程，可以促進氣候目標和碳排放目標的實現。

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

生物制造在碳減排方面已經顯示出巨大的潛力。OECD（經濟合作與發展組織）對6個發達國家分析結果表明：生物制造技術的應用可以降低工業能耗15%~80%，減少原料消耗35%~75%、空氣污染50%~90%、水污染33%~80%，降低生產成本9%~90%。

如抗癲癇藥物普瑞巴林，用生物制造代替化學制造，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、醫藥中間體及新型抗氧劑的合成，用生物制造代替化學制造，原料消耗減少37%，能耗降低30%，碳排放減少63%。

世界基金委員會預測，到2030年，工業生物技術每年可降低碳排放25億噸。

生物制造可以實現可再生碳利用，可以支撐未來制造業可持續發展。如提供可持續的生物質原料、綠色工藝賦能可持續生產、開發低碳產品和塑料回收利用、將二氧化碳轉化為產品等。

生物制造目前已經在發酵工業、化學工業、輕工業、飼料工業、食品工業、醫藥工業廣泛應用，在生物新材料、農業、環境、能源等行業快速發展，在采油氣、冶金、采礦等行業也有巨大潛力。

生物制造可以生產更綠色的產品，如生物航空燃料，可以幫助交通運輸業脫碳。生物航空燃料在全生命周期內可以減少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，相當于植樹近3億棵。

發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%。

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

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

未來食品供應將因生物制造而重塑

人們熟知的抗瘧藥物青蒿素，是我國首先發現的。過去，我國一直占據全球青蒿素主要市場。我國生產青蒿素，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，在釀酒酵母中高效半合成青蒿素。這種生產方式的放大是立體放大，從1升反應器放大到100升，且全年全天候都可以生產。生產方式的革命等原因，導致中國在全球青蒿素市場占有率快速跌至不足10%。

所以，生物制造技術工業化后會帶來農業上的革命。數千平方米的發酵車間可以取代數十萬畝的耕地。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。這些飼料再轉化為雞肉、豬肉等，如果大豆和玉米進口受限，肉的供應就會成問題。利用不同部位肉的細胞培養，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物質，同時起到固氮、固碳作用，這樣的工業化生產模式在未來實現后，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將會因生物制造而重塑。

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

自主創新能力與保障支撐能力亟待提升

現在很多藥物，包括抗體、疫苗、核酸/基因治療藥物、生物制劑、細胞治療藥物、蛋白/多肽治療藥物等的生產都是生物制造。我國生物醫藥與生命健康產品需求很大，但進口依賴高。如奶粉的關鍵功能原料母乳脂肪、母乳低聚糖等主要依賴進口。

我國發酵工業核心酶制劑75%以上來自國外公司，缺少關鍵酶；主要發酵產品的菌種自給率，抗生素不到10%，維生素不到20%，氨基酸不到5%，益生菌不到10%；工業菌種設計所需生物元件庫、酶資源庫等基礎數據庫，以及蛋白質結構預測等軟件全部依靠國外。

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

目前，世界主要經濟體都制定了生物制造戰略目標。歐洲的目標是，到2025年，生物質能源替代20%的化石能源，化工原料替代率在6%~12%，精細化學品替代率不低于30%；到2030年，可再生原料占到總體化學生產原料的30%、高附加值化學品和聚合物的50%、大宗化學品的10%、運輸能源的25%，農村生物煉制使農民收入增長40%，實現農村二次工業化。

美國2022年9月啟動了“國家生物技術和生物制造計劃”，宣布提供20多億美元的資金加速生物技術創新，確保未來幾十年內美國在生物技術領域的領導地位和競爭力。今年3月23日，白宮又公布《美國生物技術和生物制造的明確目標》，涵蓋氣候變化解決方案、增強糧食和農業創新、提高供應鏈彈性、推進交叉領域進展等21個主題49個具體目標，提出5年內，基于生物質或二氧化碳生產食品級蛋白質，3周完成小分子或酶設計，30天內構建和測量單細胞，3個月將生物工藝擴大至商業生產規模；20年內，用生物基替代品取代90%以上的塑料，生物制造滿足至少30%的化學品需求，收集和處理12億噸生物質原料，轉化6000萬噸二氧化碳為燃料和產品等。

生物技術是繼IT技術后中美科技競爭的又一個焦點。合成生物、腦科學等技術在2018年被美國商務部列入出口管制技術清單。日前，生物技術企業華大基因被列入投資清單，意味著美國對中國的技術限制已經從芯片擴大到了生物技術領域。2020年，我國生物技術產品逆差達30億美元。

我國基礎制造業可持續發展對綠色技術包括生物制造技術有重大需求，化工等基礎制造業原料對外依存度高，而我國主要生物基化學品專利全球占比不到1%，美國占比達57.8%。此外，我國可持續工業原料和糧食安全問題也依賴生物制造的創新。2022年中央經濟工作會已將生物制造列入現代化產業體系建設，支持綠色制造新產業。

未來生物制造重點發展方向，一是要提高我國自主創新能力，包括生物大數據和數字細胞、蛋白質計算與理性設計改造、細胞重編程再造等；二是要增強保障支撐能力，包括生物學設計工具軟件、生物反應器、超高通量細胞篩選、生物分離介質等；三是攻克重大戰略產品的關鍵核心技術，包括二氧化碳生物轉化利用、未來食品制造、天然藥物和生命健康創新產品的生物合成、可再生化工材料、先進生物航空燃料等。