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中国工程院院士谭天伟:绿色生物制造改变未来

2023-09-15   中国化工报   阅读量:298

    编者按 在不久前举办的2023年第七届全国化学工程与生物化工年会上,中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟作了题为《绿色生物制造》的主旨报告,提出生物制造是让工业绿色可持续发展最有希望的技术,可以重构制造业产业体系,特别是在“双碳”背景下,绿色生物制造将改变未来。就绿色生物制造的发展现状及前景等话题,本报记者在会议期间采访了谭天伟院士。

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图为谭天伟院士作题为《绿色生物制造》的主旨报告。

    生物经济是第四次产业浪潮

    记者:在“双碳”背景下,生物技术正在受到前所未有的关注,请问生物制造有什么特点和发展前景?

    谭天伟: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,生产目标产品的加工过程,产品包括生物基材料、化学品、生物能源等。生物制造是实现原料、过程及产品绿色化的新模式,具有高效、原料可再生、环境友好的特点。从1947年氨基酸的大规模发酵和生产,到2013年微生物合成青蒿素,到2018年酶定向进化获得诺贝尔化学奖,再到近几年合成生物技术快速发展……如今生物制造已经成为利用生物技术把产品工业化的一种重要制造模式。世界经合组织提出,生物制造是让工业可持续发展最有希望的技术,是将生物技术的创新产品推向商业规模的引擎。生物技术和生物制造催生生物经济,通过科技与产业革命,约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。生物经济是继农业经济、工业经济、数字经济之后的第四次产业浪潮。

    全球正处于一场新的源于生物技术和生物制造的工业革命,将生命系统的研究提升到“可预测、可再造、可调控”的新高度,人工智能、自动化、大数据和生物技术的不断加速融合,实现了生物可编程和新一代生物制造。

    记者:本次化学工程与生物化工年会的主题是“低碳经济下的绿色化工”,请问在新技术不断推动产业革命的大趋势下,传统产业该如何实现绿色发展、转型升级?

    谭天伟:我国是世界第一制造大国,生物制造从原料源头降低碳排放,是传统产业转型升级的“绿色动力”,也是“绿色发展”的重要突破口。我国的生物制造产业正处于技术攻坚和商业化应用开拓的关键阶段,因此抓住生物制造战略发展和机遇期,加快生物制造战略性布局和前瞻性技术创新,加快从基因组到工业合成技术和装备的突破,支撑生物基化学品、生物基材料、生物能源等重大产品的绿色生产,带动数万亿元规模的新兴生物产业,对于我国走新型工业化道路、实现经济绿色增长和社会经济可持续发展具有重大战略意义。

    化工行业是国民经济的支柱。实际上,化工行业不单是我国的支柱,在全世界也是这样。虽然化工行业目前可能还有一些不安全或者是不太绿色的地方,但是我们完全可以利用技术创新和管理创新的结合,使化工变得更加美丽。如果再用工业生物技术来进一步加工,特别是实现碳资源的循环利用,那么未来的化工行业将非常绿色环保。

    大家都在谈论碳中和,要从源头上减少碳排放,包括能源革命、资源革命、绿色工业与节能减排等都需要减碳。生物技术会在未来碳减排中发挥重要的作用。过去我们说的可再生碳是生物质碳,但生物质碳从哪里来?是生物体通过光合作用吸收大气中的二氧化碳而来。如果单纯靠植物、细菌、海藻等不能实现高效的转化,那么能否以工业化的模式来转化?这是一个具有巨大挑战的课题。

    生物质是通过太阳能光合作用来合成的物质。这种物质是自然生长起来的,年复一年,不断地产生这种生物质,属于可再生资源。工业生物技术跟传统的化学化工技术相比,有几点不同。第一,原料不同。过去的化学化工主要用的是石油基,或者煤基、矿石基原料,而工业生物技术主要是利用生物基原料。到底生物基的产品,有什么直接的不同?其实就看你穿的衣服就知道了。纯棉做的衣服,那就是生物基的,因为它是用生物质(棉花)做出来的;如果你穿的是纯化纤的衣服,那就是石油基的。

    第二,合成的化学条件不同。化学反应,有许多需要高温高压,合成氨反应就是一个典型的例子。压力越高,合成氨的产率越高。但是如果发生爆炸,那是很厉害的,所以它有安全隐患。而生物反应其实就是利用酶和微生物。酶和微生物,就跟人一样,它不适合于高温,100℃就死了。生物反应是常温常压下的反应,不会爆炸,很多都是水性体系,所以没有安全隐患。

    上百年的化学工业基本都是以石油和煤做原料的,这类化工最大的特点,就是原料不可再生。工业生物技术就是利用可再生的生物质做原料,用生物的手段,并结合化学工程技术,进行产品加工,或者提供相应的社会服务。

    生物制造已显示出巨大的碳中和潜力,在工业生产过程中,每使用1千克酶制剂能够减少约100千克的二氧化碳排放量。生物制造能提供可持续的生物质原料,赋能可持续的绿色生产过程,开发低碳产品,实现塑料回收利用,以及将二氧化碳转化成产品。

    世界经合组织对6个发达国家进行分析的结果表明,生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%~80%,降低原料消耗35%~75%,减少空气污染50%~90%和水污染33%~80%,生产成本降低9%~90%。世界基金委员会预测,到2030年,工业生物技术每年可降低25亿吨的二氧化碳排放量。

    生物制造已成大国竞争焦点

    记者:生物制造有巨大的产业吸引力,请问生物制造在国际上的地位如何?

    谭天伟:目前全世界已有超过20个国家制定了关于工业生物技术的国家发展战略。美国、欧盟等布局实施了“生命铸造厂”和“微生物细胞工厂”等行动计划。国外大型公司均投入大量人力和高额资金构建先进的菌种创制研发平台,打造核心菌种竞争优势。例如美国杜邦公司历时12年、投入4亿美元,成功突破了1,3-丙二醇的核心生产菌株,彻底颠覆了传统石化合成路线,至今垄断全球。日本味之素公司专门建立1700人的大规模研发队伍,年投入研发经费3亿美元,在氨基酸等核心菌种的技术水平长期保持国际领先优势。

    欧洲《工业生物技术2025远景规划》提出,到2025年,生物能源替代化石能源20%,化工原料替代率6%~12%,精细化学品替代率不低于30%。到2030年,使用可再生原料的比例占到:总体化学生产原料的30%,高附加值的化学品和聚合物的50%,大宗化学品的10%,运输能源的25%。美国《生物质技术路线图》提出,到2030年生物基产品将替代25%的有机化学品和20%的化石燃料。

    今年3月23日,美国政府公布了一份《美国生物技术和生物制造的明确目标》报告,设立了新的明确目标和优先事项,用以推进美国生物技术和生物制造发展。具体目标包括:5年内,生产超20种商业化生物产品,全生命周期减排70%;基于生物质或二氧化碳生产食品级蛋白质。7年内,生产30亿加仑的可持续航空燃料,全生命周期减排50%~70%。9年内,以低于100美元/吨的价格实现二氧化碳捕集。20年内,用生物基替代品取代90%以上的塑料,通过生物制造方式满足至少30%的化学品需求,收集和处理12亿吨生物质原料,转换6000万吨二氧化碳为燃料和产品等。

    生物制造的重要地位不次于芯片,美国前年开始已经把生物技术列为禁止出口的关键技术,并在减碳、增强农业和粮食创新等方面制定了生物技术和生物制造的具体行动计划。生物制造已经成为大国竞争的重要领域。在上游的催化剂设计包括基础数据库软件等方面,美国的优势比较明显,他们的短板是主要的企业已经外流,在供应链完整性上存在很大的问题。

    我国在生物制造方面起步较早,在2018年就确定了重大研发计划——绿色生物制造技术。当时确定的方案就是解决一些重大的“卡脖子”关键技术,比如酶和核心的菌种,要让这些关键的技术体系实现自主化,同时实现原料绿色化、过程绿色化、产品绿色化。我国生物基化学品与材料产业,受制于生产菌种,高端、精细化产品的生产能力与国外差距明显。例如我国发酵行业拥有3000亿元产值、3000万吨的规模,但很多关键装备和材料依然是短板,高端反应器、培养基和分离纯化介质仍被国外公司所垄断。

我国生物发酵产业情况

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    记者:中国生物制造的未来发展应该在哪些方面发力?

    谭天伟:从我国生物制造未来的发展方向来看,要聚焦解决核心菌种和工业酶“卡脖子”问题的目标,形成自主创新能力,构建国际一流的酶和菌种开发技术平台。面向重大战略性产品生物制造和污染行业绿色改造的需求,形成核心技术体系。

    未来我国生物制造重点发展方向聚焦3个方面。一是提高我国自主创新能力,二是保障产业支撑能力,三是攻克重大战略产品的核心关键技术。

    在提高我国自主创新能力方面,要构建具有自主知识产权的生物学设计工具及软件,突破工业酶设计、细胞设计、超高通量细胞筛选等核心底层技术,建立与工业环境适配的关键生物催化剂;推进生物大数据与数字细胞、蛋白质计算与理性设计改造、细胞重编程再造。在保障产业支撑能力方面,要建立新型生物制造原料体系,突破生物反应器、生物分离介质等关键设备和材料;开发生物学设计软件工具软件,实现超高通量细胞筛选。

    在重大战略产品的核心技术方面,要重点突破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关键技术。

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图为生物发酵反应器。

    生物技术重构产业体系

    记者:具体来讲,生物技术可以怎样改造提升传统产业?

    谭天伟:生物制造是促进传统产业绿色转型升级,提升工业制造竞争力的重要途径。生物制造本身具有原料可再生、过程清洁高效等特征,可从根本上改变化工、医药、能源、轻工等传统制造业高度依赖化石原料和“高污染、高排放”的加工模式,通过生物技术的介导,能够促进产业的转型、升级及新业态的出现。生物制造技术可以赋能各行业的绿色转型升级,包括化学品、材料、食品、医药、营养保健、农业、环境等。

    化工行业可持续发展面临结构性制约,主要包括原料受限高、过程污染大、高端产品少,需要新的原料路线和绿色工艺,生物制造技术可助力化工行业绿色化转型。举例来说,从生物基材料的角度来看,发展生物基材料,可降低化石资源依存度,我国85%的塑料有可能被生物基代替。1吨石油基的塑料排放二氧化碳约3.1吨,生物基塑料仅排放二氧化碳0.6吨。聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)和1,4-丁二醇(BDO)等生物基塑料和聚合物的生命周期温室气体排放量减少80%。据统计,我国每年消耗塑料在7000万~8000万吨,假设有1/3石油基的塑料能被生物基的塑料替代,那么减少的碳排放是相当可观的。

    采用生物技术可实现重大化工产品产业技术体系构建,例如丁二酸、乙二酸、丁二醇生物制造路线。2013年,生物基琥珀酸已经开始工业化,其合成路径是通过酵母或细菌在低pH值环境下发酵生产丁二酸或微生物利用甘油发酵生产丁二酸。以最简单的1,3-丙二醇为例,原来是使用巴斯夫化学法生产的,如今杜邦公司用生物法通过大肠杆菌制作成功,并且已经申请了专利。我们团队又设计出一套新的路线,目前已经做到了中试阶段。

    再如异戊二烯是天然橡胶的单体,是橡胶树乳液的主要成分。合成橡胶出现后,大部分异戊二烯均从石油基中分离出来。但是现在看来,又要回归用天然的材料。目前,我国云南、海南等地大概种植了几千万亩的天然橡胶林。橡胶树本身就含有异戊二烯聚合酶,如果把这些聚合酶巧妙地组合在一起,通过人工的工厂化就能实现生产,从而可以节省大量的土地。我们完全有可能实现这一想法,现在正在开展相关研究工作。

    此外,我们已经设计出生物基己二酸的合成路线,理论值是消耗1摩尔葡萄糖能得到0.87摩尔己二酸,如能实现,未来己二酸成本可以大幅度下降。

    二氧化碳的合成转化技术也非常重要。用不了多久,全新的生物制造路线——由二氧化碳到乙二醇、乙醇酸,整个新的原料路线将会重构,会影响未来的产业。

    我们最初使用生物质,后来开始使用化石资源,现在又回过头来利用生物质,这是源于其利用技术更高、效率更高,而且未来持续的发展将重塑我们的制造业。未来最有前景的就是第三代生物技术。

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图为谭天伟院士在国家重点研发计划燃料乙醇项目现场。

    第三代生物技术重塑世界

    记者:什么是第三代生物技术?其原料是什么?发展前景如何?

    谭天伟:第三代生物技术的原料就是二氧化碳。二氧化碳非常稳定,所以让它转化需要额外的能量,又会产生新的二氧化碳的排放。但如果驱动能源来自可再生能源,比如太阳能,就有可能实现。

    以生物制造为代表的第三代生物技术,将来可以生产很多的产品。这种产品能源从哪里来?来自太阳能。如果我们能将光合作用设计,再超越传统的植物,用工业化方式实现生产,是完全可能的。这是未来生物制造一个非常具有挑战性的课题。

    把二氧化碳进行生物转化,可实现碳循环利用,即以二氧化碳及其衍生物(一碳原料)为底物,用风光电等可再生能源进行能量的供给,采用生物法进行化学品及燃料的生产。

    同时,生物化学耦合体系、整个产业链上下游的贯通,也是非常重要的。

    在电菌耦合转化二氧化碳制备化学品方面,我国已经有很好的成果。例如多酶级联生产甲醇和C?/C?化学品,电酶耦合生产氨基酸和淀粉,光酶耦合转化二氧化碳制备甲酸,光菌耦合转化二氧化碳生产乙酸、醇类、葡萄糖及燃料、食品和燃料法尼烯等。

    未来我们要用生物质,用二氧化碳,用第三代生物技术来重塑我们的世界,绿色生物制造将会在整个制造业中发挥越来越重要的作用。绿色生物制造将改变未来!

    (图片由北京化工大学提供)