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独家丨中国工程院院士谭天伟:生物制造仍需解决酶和微生物制造两大问题

2022-01-12   网易

      近日,由深圳市发展和改革委员会、深圳市光明区人民政府、中国生物工程学会合成生物学分会、中国科学院深圳理工大学(筹)、中国科学院深圳先进技术研究院主办,深圳合成生物学创新研究院、中国科学院深圳理工大学(筹)合成生物学院、深圳市工程生物产业创新中心、深圳市合成生物学协会、亚洲合成生物学协会联合 DeepTech 承办的 “第三届工程生物创新大会” 在深圳光明科学城拉开帷幕。

      围绕探索无尽前沿,开启合成生物光明未来”为主题,产学研群星齐聚,探讨中国生物产业的发展现状和未来趋势,聚焦合成生物学颠覆性技术,解决合成生物学产学研一体化问题。

      其中,中国工程院院士谭天伟在此次大会上发表了以《生物制造制备化学品》为题的演讲。

图 | 中国工程院院士谭天伟(来源:受访人提供)

 

      以下是谭天伟的演讲实录,生辉进行了不改变原意的修改:

 

      尊敬的各位专家和同仁,大家下午好!我今天主要讲三部分内容。

      第一部分:绿色生物助力绿色经济。当前经济社会发展面临诸多挑战,如人口的急剧增加、土地和水资源的日益枯竭、全球变暖的逐渐加剧等,因此,构建更加绿色可持续的生产制造模式成为未来发展的必然趋势。而技术的发展,特别是生物制造技术的不断进步为实现这一转变提供了重要的动力。

      生物制造技术的发展主要经历了三个阶段,即以糖类生物质为原料的第一代生物制造技术、以木质纤维素为原料的第二代生物制造技术和以 C1 化合物为原料的第三代生物制造技术。由于第一代和第二代生物制造技术的生物质原料本质来源于环境中的二氧化碳,第三代生物制造技术则直接使用包括二氧化碳在内的 C1 化合物为原料实现产品制造,因此在制造领域广泛采用生物制造技术、特别是第三代生物制造技术,对于我国以及全世界范围内实现双碳目标具有重要意义。

      生物制造技术在减少化石资源使、实现碳减排中发挥重要作用的途径主要涵盖能源、产品和过程三个方面。能源方面,能源替代是最简单的方式,如生物乙醇替代化石资源;产品方面,每使用 1 吨的生物基化学品可减少约 300 吨的标煤的使用和近 800 公斤二氧化碳的排放;过程方面,在工业过程中每使用一公斤酶制剂,可减排 100 公斤二氧化碳,减排效果显著。

      鉴于生物制造技术在资源节约和碳减排中的重要作用,世界主要国家均积极推进生物制造技术的发展和应用。以美国为例,近年来美国生物制造发展非常快不仅依靠立法在全国推广使用生物燃料乙醇,对生物基化学品的普及也给予了很高的支持。生物能源不仅每年为美国经济贡献大量的 GDP,同时减少了美国对石油的依赖,减少的二氧化碳排放多达 5000 万吨。

      欧盟也十分重视生物制造产业发展,2014 年就把生物经济作为重点发展方向。从产品看,欧盟个人消费品如洗涤用品中的生物基产品占比已超过 50%,并宣称 2025 年生物能源要代替 20% 的化石能源。今年 6 月,欧盟又制定了新的生物经济行动方案,要在 2050 年用工业生物技术实现可持续发展与碳中和的目标。

      我国生物制造技术近年来快速发展,但仍然存在不少 “卡脖子” 的问题,特别是后疫情时代,美国对我国一系列相关技术进行了封锁。从中国的角度来看,我们必须科技自立自强。

      生物制造核心是高效的生物催化剂,即酶和菌种,而我国在上述两类生物制造核心催化剂方面的自主率仍然不足。近年来,随着我国合成生物学的快速发展,对生物制造核心催化剂的开发起到了助推作用,在农业、化学品、能源、食品、轻工业等领域都有着广泛的应用。

      第二部分:生物制造未来的发展潜力。

      生物制造未来发展的关键主要包括两部分。首先是能源绿色化。鉴于生物制造的物质流经过三代工业生物技术的发展已经初步实现了可循环利用 —— 如 LanzaTech 公司以二氧化碳作为原料实现产品制备等,因此问题的关键逐步聚焦在输入能源的来源是否是可再生的。

      自然界本就有很多储量丰富的可再生能源如太阳能、海洋能等,如果将这些可再生能源作为能源驱动生物制造技术中的微生物或酶来实现二氧化碳的转化,这个过程就真正实现了物质能量的双循环。 目前这种以二氧化碳为原料制成的生物塑料已用在宜家、惠普等产品,并开始推广应用。

      生物制造未来发展的另一个关键是过程绿色化,包括原料预处理、下游产物分离等,这是非常重要的一步。

      第三部分:怎样利用可再生能源?

      要达到碳中和,利用可再生能源必不可少。经国家电网计算,按照当前发展规模,我们国家想要在 2060 年达到碳中和,意味着可再生能源产生的电力占比要达到 80%。生物制造的过程中也需要能量,包括预处理、发酵和风力提取,这些能量也是从可再生能源获得的。

      目前芬兰、丹麦已经提出,2030 年会百分之百采用可再生能源的模式,当然对于不同的国家要求不同。目前在冰岛建了一个利用地热能通过化学催化驱动二氧化碳生产甲醇的工厂,这说明是完全有可能利用可再生能源驱动生物制造。

      未来生物制造的化学品种类将非常之多,目前生物制造化学品的市场容量已达 5000 多万吨,并且还在上升。以生物基塑料为例,除 PLA、PHA 等已有生物基塑料外,其它塑料如 PE、PBAT 也有可能用生物基产品来代替,目前国内已在开展这方面的研究,百分之百的生物基塑料是有可能做到的。

      航空燃料、尼龙、生物橡胶会是未来的重要市场。航空燃料的使用可以减少二氧化碳的释放,只要在传统航煤中加 30% 的航空燃料,一年就可减少将近 3000 万吨的排放。

      但我国目前生物基材料制造仍存在问题。至今为止生产尼龙 66 的技术,依然被国外 “卡脖子”,很多公司都在研究用生物基和发酵法的方法生产尼龙 66。

      除此之外,产量也是我们要解决的问题。从途径和理论的率来看,当前最佳途径是 1g 葡萄糖可以达到 0.6-0.8g 的己二酸,目前已初步打通了该途径,但是实际产量仍比较低,仍需要进行系统优化。

      目前可以用光 - 酶耦合体系或多酶偶联体系固定二氧化碳制备 L - 乳酸、二羟丙酮、乙醇酸等一系列产品。此外,最近我们也成功打通了酶法固定二氧化碳制备乙二醇的途径,产量接近克级,当然我们还希望做到几十克,这样将能够具备与化学法相竞争的潜力。

      总的来说,未来二氧化碳的转化虽然短期内可能无法达到经济化,但从长期来看,它将在实现碳中和的过程中发挥重要作用。

 

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