合成生物将成为碳中和经济主要引擎
来源:bob天博体育 2022年09月27日 16:00 作者:维小尼
2022-09-27 16:00 来源:bob天博体育 作者:维小尼

国家规划指出,力争到2025年,我国生物经济总量达到22万亿元。合成生物制造过程兼具绿色环保与降本增效优势,是带动未来生物经济发展的关键力量。

据统计,在中国,100亿吨的碳总排放量中,发电和供热约占45亿吨,工业排放约占39亿吨,两者占84%,因此要实现碳中和,关键在于抓住能源替代和工业制造领域的碳减排。合成生物刚好可以在这两个领域发挥重要作用,有望在“双碳”目标背景下发展为绿色能源和绿色制造的主流思路之一。

合成生物学是一个将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域的交叉学科,其本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。与传统化学合成相比,合成生物学具有微型化、可循环、更安全的特点;与传统发酵工程相比,合成生物学对细胞的干预是定向的。

在合成生物的上半场,主要应用于制药、医疗和农业,已经催生了很多新业态。如在制药领域,通过改造细菌及酵母,达致低成本制药目的;在医疗领域,通过重整人类细胞,对抗一些癌症和遗传病,增强免疫力等;在农业方面,通过基因编辑育种,可带来更高丰硕收成,培育抗病能力以及抵抗极端或恶劣环境的农作物品种。

合成生物的下半场,一定是跟碳中和目标结合,在生物能源和绿色制造方面发挥作用。远景科技集团CEO张雷甚至指出,可再生能源技术、生物合成技术、数字技术是绿色工业革命的三个重要引擎。

据中科院天工所统计,和石化路线相比,目前合成生物制造产品平均节能减排30%-50%,未来潜力将达到50%-70%。世界自然基金会(WWF)预估,到2030年工业生物技术每年可降低10亿吨至25亿吨二氧化碳排放。这将对化石原料的替代、高能耗高物耗高排放工艺路线的替代及传统产业的升级产生重要的推动作用。

今年5月,国家发改委发布《“十四五”生物经济发展规划》,提出“十四五”期间,要推动生物技术和信息技术融合,加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业,做大做强生物经济。力争到2025年,我国生物经济总量达到22万亿元。

合成生物与制造业结合将催生一个巨大的市场机会,成为欧美、日本、加拿大等经济体战略布局和争夺重点。

美国工程生物学研究联盟(EBRC)发布的工程生物学研究路线图的技术主题与应用

合成生物的重点在生物制造

合成生物的一个重要应用场景,是生物制造。

据McKinsey统计,生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品,并在继续拓展边界、快速成长。预计到2025年,合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。

所谓生物制造,是利用生物体机能进行物质加工与合成的绿色生产方式,有望在能源、化工和医药等领域改变世界工业制造格局。从广义上讲,几乎所有的制造都是基于对能量的使用,如热或电,来改变物体的形式。而生物制造极大减少了这种能量需求,有利于通过自然反应进行生产。几乎所有生物制造都是基于一个相当普遍而古老的生物过程——发酵。发酵利用自然发生的微生物和酶来进行反应。

发酵,即一些食品的来源,如面包和啤酒。只不过通过合成生物技术可以改造和加快这个过程。通过合成生物技术制造来代替传统的合成、能源密集型工艺,这些工艺被用来制造包括塑料、橡胶、尼龙等产品。

具体来看,生物制造可以参与以下工业制造过程: 

?原材料生产:包括塑料、纸张和纺织品

?化工生产:利用发酵技术来开发肥皂、洗涤剂等

?能源生产:利用生物质发电

?食品强化和提高:通过自然过程,而不是添加剂和防腐剂

在上述例子基础上,生物制造已经影响到广泛的行业,这种影响有可能实现跨行业的生物制造。其中一些行业包括:

建筑和施工。除上面描述的发酵例子外,它在建筑行业的应用主要有两种方式:生物水泥:利用微生物使水泥更坚固;生物修复:利用微生物将有毒物质分解成可以安全处置的物质。

电子制造。在电子元件制造方面有很大想象空间——包括柔性印刷电路和触摸传感器以及内部和外部外壳组件。生物技术能够以传统材料的一小部分能源成本,生产出像纸一样薄的柔性塑料材料和电路。这可极大推动电力制造领域的重大创新。

消费产品。用于生产各种类型的消费品,如美容用品、塑料产品和部件、尼龙、纺织品、纸张等。在这些领域使用生物技术工艺可以在降低成本和减少废物方面产生重大效益。

食品制造。这已经在广泛使用的领域,通过酶和微生物反应来实现发酵。目前-已经在整个食品制造业中发现了一套不断扩大的用途,包括维生素和氨基酸的强化、改善消化系统的修改、可以延长食品的保质期和安全性的抗菌剂等。

制药。制药和医疗领域是生物技术的理想选择。该行业已经有了许多应用,如药品和疫苗生产、抗菌剂以及受控的、按需生产的分子等,甚至类似“3D打印”过程的人造器官。

因为生物制造,是一个用自然发生的过程取代了能源密集型过程,通常只需要阳光和受控环境就可以启动。较低的能源使用量和成本有利于环境以及制造商和消费者,可大大减少碳排放。

以1,3-丙二醇的生物制造为例,这是一种重要的化工原料,主要用作单体生产聚酯材料,可用于多种药物、新型聚酯PTT、医药中间体及新型抗氧剂的合成。与石油路线相比,通过合成生物生产1,3-丙二醇,原料成本下降37%,二氧化碳减排63%,能耗减少30%,创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的典型范例。再比如用生物可降解塑料PHA制造的吸管,能够把全生命周期碳排放降低90%,一根PHA吸管比PP吸管碳排放低180g

更为关键的是,生物制造的产品更容易和更安全低回收和处理,这是一个可持续的过程,能够解决目前许多废物处理和有毒材料的问题。

正因为合成生物制造过程兼具绿色环保与降本增效优势,所以成为各国战略布局重点。如美国、欧盟等2023年以来提出的《工程生物学:下一代生物经济的研究路线图》《欧洲化学工业路线图:面向生物经济》等生物经济战略,均以生物制造为重点方向。

今年9月12日,美国总统拜登又签署了一项关于国家生物技术和生物制造的行政命令,旨在促进制药业以及农业、塑料和能源等行业的美国生物制造,意在重构美国的生物材料、生物制造、生物医药等生物新经济。

合成生物在化工领域的市场空间预测。(来源:华安证券研究所)

中国各省市密集布局合成生物赛道

以合成生物为技术基础的生物制造和生物经济,成为当今最吸引人的技术之一。全球已有数十个国家和地区发布了与生物技术和生物产业相关的战略政策和规划。中国也不例外,除在国家层面进行布局外,中国各省市也纷纷出台相关文件,支持生物经济的发展。

今年5月,国家发改委发布《“十四五”生物经济发展规划》,这是我国首部生物经济领域顶层设计文件。

除国家层面的部署外,包括河南、黑龙江、湖北等多地也在密集布局这一新赛道。

今年8月,《河南省促进生物经济发展实施方案》印发,明确提出将着力构建“一核、五基地”(一核为郑州、新乡联动发展的生物经济核心区;五基地为洛阳、濮阳、南阳、商丘、周口等五个生物经济基地)为主体的生物经济发展布局,到“十四五”末全省生物经济增加值超过5000亿元。

今年4月,《黑龙江省“十四五”生物经济发展规划》提出“十大行动”推进生物经济发展。

去年11月,《湖北省生物产业发展“十四五”规划》提出,到2025年,生物医药、生物农业、生物医学工程以及生物服务业等生物核心产业总规模突破6500亿元。

此外,有四个省市的生物经济更值得关注,分别是海南、深圳、上海和天津。这几个地方正在建设零碳生物制造产业集群,包括鼓励基础研究、促进创新赛事和论坛活动、加大投融资支持、推动专业人才引进和保障等。

海南因为独特的地理位置,在发展生物经济方面有得天独厚的自然条件。海南位于热带,生态环境和自然条件好,有利于微生物和细胞的培育,有利于生物制造中关键环节的发酵。光照、湿地和海洋等资源,也是生物经济不可多得的先天条件。

海南很早就把生物医药作为四大主导产业之一,《海南省高新技术产业“十四五”发展规划》把现代生物医药列为战略性新兴产业。

除此之外,海南最近又在生物制造方面加大招商力度。

9月21日,远景科技集团与海南省政府签署战略合作协议,双方将在生物合成产业、新能源装备等领域进行深度合作,共同构建绿色新工业体系,将海南的自贸港优势和绿色资源优势转变为现代产业优势,推进海南自贸港双碳战略达成。

海南省省长冯飞表示,生物技术的工业化应用未来可期。全球生物经济方兴未艾,海南借助生物合成技术,可以实现产业经济的跨越式发展。

远景科技集团CEO张雷则表示,在海南自贸港打造零碳生物合成产业园,是“零碳”和“零税”的结合,在日趋形成的“碳关税”的挑战下,实现真正的全球自由贸易。海南的合成生物经济刚刚起步,如果通过生物合成,把生物医药、农业育种、海洋经济、旅游康养等结合起来,再加上自贸港的优势,海南的生物经济将迎来腾飞。

另一个合成生物实力比较雄厚的城市是深圳。深圳在光明区正打造一个合成生物研究重大科技基础设施,2023年启动建设,2023年开展试运营和验收。这个基础设施将打造用户“云端实验室”和运营者“智能实验室”二位一体的合成生物研究平台,同时对学术界和产业界开放。重点建设内容包括设计学习平台、合成测试平台、用户检测平台三大平台。商业转化方面,光明区已认定合成生物企业有新如诺微环、厚存纳米、赛桥生物、茵冠生物、拓普生物等14家公司。

上海对合成生物也全力支持,并建立了上海南大合成生物产业园,2023年9月成立,位于上海宝山。在政策支持方面,上海市政府对合成生物领域提出三点规划:

推动多学科交叉融合,在人工生物设计、药物人工生物合成、新结构与新功能药物的人工生物高效创制、环境生态系统生物修复等取得突破;在基因编辑、DNA组装、定向进化方面研发原创核心技术,建成多种高效人工生物制造系统;探索半导体合成生物学、功能性微生物机器人等新方向。

天津的国家合成生物技术创新中心,是由中国科学院与天津市政府共建,位于天津滨海新区,2023年正式启动建设,2022年投入使用。这个创新中心的目的是打造国际尖端的生物科技研发平台,构建起合成生物技术领域集核心技术研发、技术转移转化、企业培育、资本运营四位一体的新型研发体系,同时已经成立天津合成生物学海河实验室、国家合成生物技术创新中心等合成生物领域的研究机构。

合成生物已经成为一种新的生产方式,很多国家把合成生物学列为21世纪优先发展的颠覆性技术之一。世界经合组织(OECD)报告曾预测,至2030年,OECD国家将形成基于可再生资源的生物经济形态,生物制造的经济和环境效益将超过生物农业和生物医药,在生物经济中的贡献率达到39%。可以预期,以合成生物为主的生物制造,将是带动未来生物经济发展的关键力量。


【责任编辑:陶青 】

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