“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

[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1。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）。

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，2016—2020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。

二、 绿色生物制造产业对“碳减排”的贡献

绿色生物制造产业发展对“碳减排”的贡献受到全球关注。作为一种新兴产业形态，绿色生物制造产业利用生物技术和工程学等技术手段，生产高附加值的生物制品和生物能源。据OECD预测，至2030年，30%的化学品和其他工业品将出自绿色生物制造，2060年有望达到50%以上，每年将可降低25亿吨的二氧化碳排放[11]。在绿色生物制造产业中，生物质能源的利用、生物基材料的应用和生物碳捕集是促进“碳减排”的重要方向。本文将以上述3个方面为例，探讨绿色生物制造产业发展对“碳减排”的贡献，并通过数据加以说明。

1. 生物质能源利用

目前绿色生物制造已涉及国民经济大多数的行业，据国家能源局发布的《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1。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2。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3。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1.5°C之内，而碳捕集技术将贡献全球温室气体减排总量的近14%1。因此，中国科学技术部社会发展科技司和中国21世纪议程管理中心一致认为碳捕集、利用和封存（Carbon 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。

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。