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“双碳目标”驱动下绿色生物制造产业发展现状及集群发展的必要性探究王浩绮董维亮摘要绿色生物制造产业的建设和发展是建设制造强国的重要路径之一。我国绿色生物制造产业虽然起步较晚，但近年来发展迅速。本文基于大宗化学品全生命周期的碳排放数据，从绿色生物制造产业发展与实现“双碳目标”的态势出发，系统综述我国绿色生物制造产业发展现状、短板问题以及对“碳减排”的意义,剖析了我国绿色生物制造产品研发方向分散、附加值低、市场化程度低的问题,提出绿色生物制造产业亟须瞄准石化基大宗产品原料替代、高附加值精细产品生物合成等方向，建立“原料过程产品市场”一体化的产业集群的发展建议。关键词双碳目标；碳减排；绿色生物制造；产业集群一、引言在碳达峰、碳中和的国家战略背景下，国家明确了“3060”双碳目标和行动方案。我国制造业践行低碳化发展之路、进行战略性产业链重构迫在眉睫。绿色生物制造是以工业微生物技术为基础，利用废弃生物质等低附加值产品为原料，利用工业微生物和酶，实现化学品生物法合成的绿色发展路线1。绿色生物制造不仅可以降低对化石资源的依赖，还可以利用CO2等可再生原料以“碳负”的方式生产化学品2，是一种实现原料、过程、产品全流程绿色化的全新生产模式（图1）。图1化学合成路线和绿色生物制造路线的差异 资料来源于 节能增效、绿色降碳服务行动方案，国家节能中心官网，https:/ 总第343期现代管理科学现代管理科学MODERN MANAGEMENT SCIENCEDecember 2023No.6 Total No.343-55经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）预计全球有超过4万亿美元的产品由化工过程而来，而在未来的10 年，至少有8000亿美元的石化产品市场将由绿色生物制造过程替代。因此，抢先突破绿色生物制造的关键技术，占得先机，才能引领未来经济发展1。以生物基1,4-丁二醇（BDO）绿色生物制造产业为例，20162020年中国BDO总产量由109.9万吨增加至147.6万吨3。但从生产工艺来看，目前国内BDO产能大多为炔醛法，占比约90%3，该工艺属于能源密集型产业，会造成大量温室气体排放。意大利Novamont公司的LCA分析，与传统BDO相比，生物基BDO在其整个生命周期中减少了50%的碳足迹4。Adom等5的研究结果则表明，从玉米秸秆衍生的糖类中生产的生物基BDO的温室气体排放量比化石基对应物低约52%。近年来随着工业生物技术和合成生物学的发展，利用低劣生物质如木质纤维素、秸秆等可再生能源为原料，利用微生物发酵技术来生产如乙醇、丁二酸等大宗化学品的绿色生物制造工艺越来越多6-7。此外，一些研究利用微生物直接固定空气中的CO2合成淀粉等化学产品8-9。这些绿色生物制造过程在减少CO2总排放量的同时，还为农林废弃物的资源化利用提供了新方向。工业酶催化剂和工业菌株的设计和开发是绿色生物制造的核心要素10，国家也在大力支持绿色生物制造产业的发展。在科技部国家重点研发计划项目“绿色生物制造”等重大专项的重点支持和部署下，湖北大学、华东理工大学、天津科技大学等单位牵头，实施了包括工业酶的智能设计与催化应用、工业酶通用高效表达系统构建、轻工业核心酶的分子设计与酶制剂智造等多项针对绿色生物制造过程中的核心酶和菌株的研发项目（表1）。发掘并创制了多个适用于工业生产环境的高效菌株和酶，推动绿色生物制造过程朝着高效、经济、环保的方向快速发展，成为实现“双碳目标”的重要支撑。表1“绿色生物制造”重点专项2021年度拟立项项目公示清单1234567891011121314151617181920212223工业酶的智能设计与催化应用工业酶通用高效表达系统构建医药与食品工业酶创制与催化轻工业核心酶的分子设计与酶制剂智造高效微生物细胞工厂的设计原理与构建方法微生物药物工业底盘构建与适配性优化重要工业化学品生物制造菌种的新一代网络模型构建与应用工业菌种基因组人工重排技术重要氨基酸工业菌种系统改造与产业示范原料药工业菌种改造关键技术及产业示范生物反应器与智能生物制造面向生物乙醇制造的高效膜分离技术与成套装备木质纤维素类生物质高效制糖及综合利用关键技术人造肉高效生物制造技术天然活性产物生物制造技术纤维素乙醇生物炼制与产业示范全生物合成生物聚合物的绿色制造与产业示范生物基聚酰胺单体及材料的高效绿色生产与工业示范生物基聚氨酯多元醇新产品及其绿色制造技术的开发与产业化示范手性化学品绿色生物制造与产业化示范重大疾病防治原料药生物制造产业化示范高盐有机废水高效处理及资源化技术示范医药与食品用功能糖工业酶创制与催化湖北大学中国农业科学院北京畜牧兽医研究所华东理工大学天津科技大学山东大学上海交通大学北京化工大学天津大学江南大学浙江工业大学华东理工大学南京工业大学上海交通大学江南大学西北大学华南农业大学南京工业大学中国科学院微生物研究所南京工业大学中国科学院天津工业生物技术研究所浙江工业大学江南大学天津大学33333333443333344444443序号项目名称项目牵头承担单位项目实施周期（年）-56242526轻工业用关键氧化还原酶的分子设计与高效生产工业微生物基因组大片段DNA的设计原理与操纵方法丝状真菌工业底盘与重要药物生物合成途径的适配与优化中国农业科学院北京畜牧兽医研究所天津大学中国科学院青岛生物能源与过程研究所333续表1：序号项目名称项目牵头承担单位项目实施周期（年）注：资料来源于国家科技管理信息系统公共服务平台，https:/ 2021年能源工作指导意见，到2025年，我国将实现生物质能源消费总量超过1亿吨标准煤。这意味着生物质能源将成为我国能源消费的重要组成部分，这对减少化石燃料的使用、降低碳排放具有重要作用。以生物能源的制造工艺为例，根据中国农业科学院农业资源与农业区划研究所发布的数据，2021年我国农作物秸秆资源总量约为7.34亿吨，其中可利用量约为6.47亿吨。通过将农作物秸秆转化为生物能源，如生物乙醇的利用量稳定在6000多万吨。生物乙醇是一种可再生的绿色能源，生物乙醇的燃烧过程中释放的二氧化碳量较低。每消耗1吨生物乙醇可以减少约3.5吨二氧化碳排放，相当于每年减排二氧化碳21000万吨。除生物乙醇以，生物航空煤油在“碳减排”中也展现出巨大潜力。1吨传统航煤燃烧后将排放3.2吨二氧化碳，我国目前的航煤消费量约3000万吨，如全部以生物航煤替代，以每吨生物航煤至少减排30%来计算，一年可减排约3300万吨二氧化碳，相当于近2000万辆经济型轿车停开一年12。2.生物基材料应用以废塑料的绿色生物制造工艺为例，每生产1吨的塑料制品就要排放5.1吨的二氧化碳，而物理回收1吨的废塑料，最理想的情况下二氧化碳排放仅为0.1吨，因此回收1吨塑料可以减少5吨的二氧化碳排放13。一些品质较低的废弃塑料虽然无法进行物理回收后再利用，但可以借助绿色生物制造技术将废塑料解聚形成塑料单体小分子14，小分子可以作为原料被分离纯化使用，也可以用作微生物的底物用于合成其他具有较高附加值的化学品14-15，进一步减少碳排放。此外，在工业生物催化过程中，使用1公斤酶制剂能够减少约100公斤的二氧化碳排放量。到2030年，纺织、造纸和洗涤等传统行业中生物技术应用全面渗透市场，预计每年可节省6500万吨二氧化碳当量16，食品行业酶应用的潜在总减排量每年为1.14亿吨至1.66亿吨二氧化碳16。因此，推动绿色生物制造产业的发展，有望在产品的生产、回收、再造的全生命周期中减少二氧化碳的排放，对“双碳”目标的实现具有重要意义。3.生物碳捕集国际可再生能源署预测，到2050年，全球气温较工业化前水平升幅应控制在1.5C之内，而碳捕集技术 资料来源于 2021年能源工作指导意见，国家能源局官网，https:/ 全国农作物秸秆综合利用情况报告，中国政府网，https:/ 生物液体燃料：变废物为绿能，让环境和经济双赢，新华网，http:/ Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术是化石能源大规模低碳化利用的有效途径。CCUS是指把生产过程中排放的二氧化碳进行捕获提纯，继而投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存的一种技术。以微藻为例，通过微藻固碳合成化合物技术的攻关和突破，有望建立以CO2为原料、以太阳能为能源，规模化生产大宗食物、能源、化学品和医药保健品的新兴绿色生物制造产业17。其中利用微藻转化CO2合成丙二醇、生物乙醇、生物柴油、生物氢等技术已经具备工业化条件17。碳捕集技术还可以将工业排放中的废碳（如钢铁行业工业尾气，甚至空气中的二氧化碳）用作化学品的原料，转化为液体燃料和化学品，不仅减少了二氧化碳的工业排放量，还减少了化工过程的总碳足迹。三、当前绿色生物制造产业面临的问题1.绿色制造产业间协同不足绿色生物制造是一个由众多生产环节耦合而成的系统性工程，低成本、稳定的原料供应是产业快速发展的基础。目前，我国生物制造原料以淀粉等可发酵糖为主，90%以上来源于玉米等谷物粮食，存在严重的“与民争粮”的问题，按每年可用于工业加工玉米量3000万5000万吨计，难以支撑生物制造产业的规模发展18。因此建立与非粮生物质高效糖化、非粮生物质综合利用产业的协同是绿色生物制造产业可持续发展的关键（图2）。当前，我国木质纤维素、甲醇、CO2、合成气等储量巨大，它们是优良的生物制造候选原料，但现阶段存在转化效率低、技术经济性难以与石化炼制产品竞争等问题，尚不能支撑大规模生物制造。因此，建立可持续的原料供应体系，加强与原料供应企业间的协同，已成为保障我国生物制造产业发展的重要任务。图2绿色生物制造过程的一般路线2.绿色生物制造产业选品同质化严重绿色生物制造作为一种依赖生物技术的创新制造模式，在选择绿色生物制造的产品过程中容易出现盲目跟风的现象，一些企业由于自身研发能力不足，通常采用在已报道的技术上进行优化的方式进行生产，导致我国绿色生物制造产业选品同质化严重。一些合成生物初创企业在一些“现成”的产品和技术的基础上做优化，以此快速生产。但下游应用厂商注重产品价格和品质，同质化的生产技术和产品只会形成内耗。处在上游生产原料的合成生物学企业需要通过研发和工艺改进建立成本和品质优势，处于下游的厂商要准确把握自己擅长的技术，不盲目跟风，不做自己不擅长的领域，在整个绿色生物制造的过程中瞄准某一环节，同时与下游厂商建立互信关系，建立协同发展模式。3.绿色生物制造产品缺乏深加工过程当前一些大型的绿色生物制造企业以生产大宗化学品为主，大宗化学品可能利润较低但是市场需求大可以为企业带来稳定的收益。然而，大宗化学品的绿色生物制造工艺的研发对成本控制、产业化能力要求很高，需要花费巨额的资金，且经历很长时间才能量产，初创企业很难承受如此高成本的持续资金和时间投入。当前，绿色生物制造企业的产品管线单一且缺乏深加工过程以拓展产品的种类，其核心原因是因为新产品的研发成本太高。因此，通过企业间的协同，对绿色生物制造产品进行深加工，开发多元化产品，提高产品的附 资料来源于CCUS in Clean Energy Transitions，国际能源署官网（IEA），https:/www.iea.org/reports/ccus-in-clean-energy-transitions。-58加值，是提升绿色生物制造产业的整体价值的重要途径。四、绿色生物制造产业集群发展的必要性由于绿色生物制造产业路线和工艺的复杂性，企业独立完成整个产品的生产和深加工过程的难度大且成本高，因此发挥不同企业的优势形成集群效应，增强各个生产环节衔接的紧密性建立集群发展模式，不仅可以提高绿色生物制造过程的效率，降低成本，还可以减少地域分割导致的物流运输过程产生的碳排放19。产业集群，是一种由产业链上的相关企业所组成的跨行业、跨地域的产业组织形态20。创新型产业集群的建设和发展是建设制造强国的重要路径之一，对我国经济增长、制造强国建设有着重要影响21-22。创新产业集群可以促进相关产业在同一区域内形成产业链条和协同效应，利用各自的资源和技术优势相互补充和协调，实现整个产业链的高效互通23-24。绿色生物制造产业形成集群后，集群内企业可以实现高效衔接，有效避免企业间的地域分割和选品同质化，强化绿色生物制造产品的深加工过程，从而最大限度发挥绿色生物制造产业的优势。绿色生物制造产业集群发展有利于加强品牌建设和市场拓展，扩大产业规模和提高产品质量，促进绿色生态经济的发展。同时，绿色生物制造产业集群的发展可以吸引相关产业的人才和资本集聚，形成产业聚集效应，吸引更多、更专业领域的人才加盟集群内的企业，还可以为高校和科研院所的原始创新型的绿色生物制造项目提供孵化平台，进一步培育绿色生物制造创新型产业，扩大集群规模。五、绿色生物制造产业集群发展的可选模式我国当下的创新型产业集群和创新型培育集群主要集中于先进制造行业，如互联网、电子电路、新能源汽车等传统行业21,25。作为近些年刚刚兴起的绿色生物制造产业，其发展时间较短，目前国内生物产业相关的全国试点（培育）创新型产业集群共有19家（表2）。但是从其分布情况来看，多数产业集群还是围绕生物与医药产业发展，其集群发展模式多为按照产品类型的集群26。绿色生物制造产业的集群发展模式可能还处于探索期，寻找适合绿色生物制造行业发展的集群模式尤为关键。未来，根据绿色生物制造终端产品的不同，绿色生物制造产业的集群的发展可以采用多种集群方式。1.生产链集群，加强产业协同生产链集群以产品为导向，通过在一定范围内对该产品生产路线上的企业进行集群，从而提高生产该产品的效率，是目前集群发展模式中应用广泛的模式之一。对于绿色生物制造产业而言，按照生产链集群的方式一般可以用于废弃资源回收及高值化转化等生产工艺较复杂的领域，如秸秆回收利用生产乙醇、废塑料回收进转化等产业。以秸秆资源化利用为例，该工艺包含秸秆的预处理、发酵生产、产品分离、发酵残渣的进一步利用等工艺环节，且不同环节的工艺侧重点不同。其中预处理工艺偏向材料与化学工程，而发酵生产又涉及微生物学、发酵工程等生物学领域知识，是一个多工艺过程、多学科交叉、多企业协同的生物制造过程，因此需要推广实施生产链集群发展模式。2.产品类型集群，避免企业“内卷”采用该类型的企业集群发展模式的优势在于集群内企业可以形成群体品牌效应。由于绿色生物制造过程的创新性强，同一种化学品的不同的生物制造路线差异大且各具特色。因此，生产技术路线不同的企业间可以进行产品类型的集群发展模式。例如，表面活性剂产业集群、抗生素药物产业集群、微生物动物饲料产业集群等。以表面活性剂产业集群为例，该集群可以包括槐糖脂生产企业、鼠李糖脂生产企业、氨基酸生产企业等众表面活性剂生产企业。虽然这些产品通常具有相似的功能、用途、特性和价格，但是其应用领域各不相同。集群发展有利于其形成品牌效应、提高市场竞争力。此外，产品类型集群发展模式还应该要不断开发差异化的新产品，避免集群内同质化产品的过度竞争，不断拓展全球市场，加强自主知识产权保护，培育主导产业的国际著名品牌。-593.设备需求集群，促进产品深加工作为一种依赖生物技术、生物工程、合成生物学等学科平台的新兴生物制造技术，绿色生物制造对深加工的分离、提纯设备和大规模发酵平台的需求较大。然而，目前服务于绿色生物制造产业的相关科研设备主要集中于高校和科院院所，大型分离、提纯设备价格昂贵，对操作人员的专业素养要求较高。因此，绿色生物制造集群发展也需要按照高精尖深加工设备需求进行集群，建设统一的公共深加工平台，提高设备的使用率，降低使用成本。同时还可以配备专业操作人员，服务产业集群内的企业。表2生物制造产业全国试点（培育）创新型产业集群名单省份广东广西河南湖北江苏江西辽宁青海山东上海云南城市广州市珠海市南宁市新乡市天门市南京市泰州市抚州市沈阳市营口市西宁市济南市德州市菏泽市烟台市淄博市上海市昆明市玉溪市产业集群广州个体化医疗与生物医药产业集群珠海三灶生物医药产业集群南宁亚热带生物资源开发利用产业集群新乡高新区生物医药创新型产业集群天门生物医药产业集群杨凌示范区生物产业集群泰州生物医药创新型产业集群抚州生物医药创新型产业集群沈阳生物医药和健康医疗创新型产业集群营口高新区生物降解材料及制品创新型产业集群青藏高原特色生物资源与中藏药创新型产业集群济南高新区生物制品产业集群德州生物制造创新型产业集群菏泽生物医药大健康创新型产业集群烟台海洋生物与医药创新型产业集群淄博高新区生物医药与生物医学工程创新型产业集群张江生物医药产业集群昆明市生物医药产业集群玉溪高新区生物医药创新型产业集群建设单位广州高新区管委会珠海高新区三灶科技园南宁高新区管委会新乡高新区管委会天门经开区管委会杨凌农高区管委会泰州高新区管委会抚州高新区管委会沈阳高新区管委会营口高新区管委会青海高新区管委会济南高新区管委会德州高新区管委会菏泽高新区管委会烟台高新区管委会淄博高新区管委会上海市浦东新区科学技术委员会昆明高新区管委会玉溪高新区管委会注：资料来源于中国科协企业创新服务中心网站，http:/ 谭天伟,陈必强,张会丽,等.加快推进绿色生物制造助力实现“碳中和”J.化工进展,2021,40（3）:1137-1141.2 李俊夫.双碳背景下循环经济发展的机遇、挑战与策略J.现代管理科学,2022,335（4）:15-23.3 黄佩佩.1,4-丁二醇的生产现状和发展J.当代化工研究,2022（1）:48-50.4 Forte A,Zucaro A,Basosi R,et al.LCA of 1,4-Butanediol Produced via Direct Fermenta-tion of Sugars from Wheat Straw Feedstock within a Territorial BiorefineryJ.Materials,2016,9（7）:563.5 Adom F,Dunn J B,Han J,et al.Life-Cycle Fossil Energy Consumption and Greenhouse GasEmissions of Bioderived Chemicals and Their Conventional CounterpartsJ.EnvironmentalScience Technology,2014,48（24）:14624-14631.6 李振宇,李顶杰,黄格省,等.燃料乙醇发展现状及思考J.化工进展,2013,32（7）:1457-1467.7 王梦,田晓俊,陈必强,等.生物燃料乙醇产业未来发展的新模式J.中国工程科学,2020,22（2）:47-54.8 王凯,刘子鹤,陈必强,等.微生物利用二氧化碳合成燃料及化学品第三代生物炼制J.合成生物学,2020,1（1）:60-70.9 Cai T,Sun H,Qiao J,et al.Cell-free Chemoenzymatic Starch Synthesis from Carbon DioxideJ.Science,2021,373（6562）:1523-1527.10 陈坚,刘龙,堵国成.中国酶制剂产业的现状与未来展望J.食品与生物技术学报,2012,31（1）:1-7.-6111 Scown C D.Prospects for Carbon-negative BiomanufacturingJ.Trends 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