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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》  

摘要：國家規(guī)劃指出，力爭到2025年，我國生物經(jīng)濟總量達到22萬億元。合成生物制造過程兼具綠色環(huán)保與降本增效優(yōu)勢，是帶動未來生物經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵力量。

中國100億噸的碳總排放量中，發(fā)電和供熱約占45億噸，工業(yè)排放約占39億噸，兩者占84%，所以，要實現(xiàn)碳中和，關(guān)鍵在于抓住能源替代和工業(yè)制造領(lǐng)域的碳減排。

合成生物剛好可以在這兩個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，有望在“雙碳轉(zhuǎn)型”背景下發(fā)展為綠色能源和綠色制造的主流思路之一。

合成生物學是一個將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域的交叉學科，其本質(zhì)是讓細胞為人類工作生產(chǎn)想要的物質(zhì)。與傳統(tǒng)化學合成相比，合成生物學具有微型化、可循環(huán)、更安全的特點；與傳統(tǒng)發(fā)酵工程相比，合成生物學對細胞的干預是定向的。

在合成生物的上半場，主要應用于制藥、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)，已經(jīng)催生了很多新業(yè)態(tài)。比如在制藥領(lǐng)域，通過改造細菌及酵母，達致低成本制藥目的；在醫(yī)療領(lǐng)域，通過重整人類細胞，對抗一些癌癥和遺傳病，增強免疫力等；在農(nóng)業(yè)方面，通過基因編輯育種，可帶來更高豐碩收成，培育抗病能力以及抵抗極端或惡劣環(huán)境的農(nóng)作物品種。

合成生物的下半場，一定是跟碳中和目標結(jié)合，在生物能源和綠色制造方面發(fā)揮作用。遠景科技集團CEO張雷甚至指出，可再生能源技術(shù)、生物合成技術(shù)、數(shù)字技術(shù)，是綠色工業(yè)革命的三個重要引擎。

據(jù)中科院天工所統(tǒng)計，和石化路線相比，目前合成生物制造產(chǎn)品平均節(jié)能減排30％-50％，未來潛力將達到50％-70％。世界自然基金會（WWF）預估，到2030年工業(yè)生物技術(shù)每年可降低10億至25億噸二氧化碳排放。

這將對化石原料的替代、高能耗高物耗高排放工藝路線的替代以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，產(chǎn)生重要的推動作用。

今年5月，國家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，提出十四五期間，要推動生物技術(shù)和信息技術(shù)融合，加快發(fā)展生物醫(yī)藥、生物育種、生物材料、生物能源等產(chǎn)業(yè)，做大做強生物經(jīng)濟。力爭到2025年，我國生物經(jīng)濟總量達到22萬億元。

合成生物與制造業(yè)的結(jié)合，將催生一個巨大的市場機會，也成為歐美、日本、加拿大等經(jīng)濟體戰(zhàn)略布局和爭奪重點。

圖說：美國工程生物學研究聯(lián)盟（EBRC）發(fā)布的工程生物學研究路線圖的技術(shù)主題與應用

來源：EBRC：《工程生物學：下一代生物經(jīng)濟研究路線圖》

01

合成生物的重點在生物制造

合成生物的一個重要應用場景，是生物制造。

據(jù) McKinsey 統(tǒng)計，生物制造的產(chǎn)品可以覆蓋 70%化學制造的產(chǎn)品，并在繼續(xù)拓展邊界、快速成長。預計到 2025 年，合成生物學與生物制造的經(jīng)濟影響將達到 1000 億美元。

所謂生物制造，是利用生物體機能進行物質(zhì)加工與合成的綠色生產(chǎn)方式，有望在能源、化工和醫(yī)藥等領(lǐng)域改變世界工業(yè)制造格局。

從廣義上講，幾乎所有的制造都是基于對能量的使用，如熱或電，來改變物體的形式。而生物制造極大地減少了這種能量需求，有利于通過自然反應進行生產(chǎn)。幾乎所有的生物制造都是基于一個相當普遍而古老的生物過程——發(fā)酵。發(fā)酵利用自然發(fā)生的微生物和酶來進行反應。

發(fā)酵我們比較熟悉，是一些食品的來源，如面包和啤酒。只不過通過合成生物技術(shù)，可以改造和加快這個過程。

通過合成生物技術(shù)制造來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合成、能源密集型工藝，這些工藝被用來制造包括塑料、橡膠、尼龍等產(chǎn)品。

具體來看，生物制造可以參與以下工業(yè)制造過程： 

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原材料生產(chǎn)：包括塑料、紙張和紡織品

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化工生產(chǎn)：利用發(fā)酵技術(shù)來開發(fā)肥皂、洗滌劑等

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能源生產(chǎn)：利用生物質(zhì)發(fā)電

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食品強化和提高：通過自然過程，而不是添加劑和防腐劑

在上述例子基礎上，生物制造已經(jīng)影響到廣泛的行業(yè)，這種影響有可能實現(xiàn)跨行業(yè)的生物制造。其中一些行業(yè)包括：

1/

建筑和施工

除了上面描述的發(fā)酵例子，它在建筑行業(yè)的應用主要有兩種方式：

一是生物水泥：利用微生物使水泥更堅固；

二是生物修復：利用微生物將有毒物質(zhì)分解成可以安全處置的物質(zhì)。

2/

電子制造

在電子元件制造方面有很大想象空間——包括柔性印刷電路和觸摸傳感器以及內(nèi)部和外部外殼組件。生物技術(shù)能夠以傳統(tǒng)材料的一小部分能源成本，生產(chǎn)出像紙一樣薄的柔性塑料材料和電路。這可極大推動電力制造領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

3/

消費產(chǎn)品

用于生產(chǎn)各種類型的消費品，例如，美容用品、塑料產(chǎn)品和部件、尼龍、紡織品、紙張等。在這些領(lǐng)域使用生物技術(shù)工藝可以在降低成本和減少廢物方面產(chǎn)生重大效益。

4/

食品制造

這是已經(jīng)在廣泛使用的領(lǐng)域，通過酶和微生物反應來實現(xiàn)發(fā)酵。目前-已經(jīng)在整個食品制造業(yè)中發(fā)現(xiàn)了一套不斷擴大的用途，包括維生素和氨基酸的強化、改善消化系統(tǒng)的修改、可以延長食品的保質(zhì)期和安全性的抗菌劑等。

5/

制藥

制藥和醫(yī)療領(lǐng)域是生物技術(shù)的理想選擇。該行業(yè)已經(jīng)有了許多應用，如藥品和疫苗生產(chǎn)、抗菌劑以及受控的、按需生產(chǎn)的分子等，甚至類似“3D打印”過程的人造器官。

因為生物制造，是一個用自然發(fā)生的過程取代了能源密集型過程，通常只需要陽光和受控環(huán)境就可以啟動。較低的能源使用量和成本有利于環(huán)境以及制造商和消費者，可大大減少碳排放。

以1,3-丙二醇的生物制造為例，這是一種重要的化工原料，主要用作單體生產(chǎn)聚酯材料， 可用于多種藥物、新型聚酯PTT、醫(yī)藥中間體及新型抗氧劑的合成。與石油路線相比，通過合成生物生產(chǎn)1,3-丙二醇，原料成本下降37%，二氧化碳減排63%，能耗減少30%，創(chuàng)造了一個化纖原料擺脫石油價格體系的典型范例。 

再比如用生物可降解塑料PHA制造的吸管，能夠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。

更關(guān)鍵的是，生物制造的產(chǎn)品更容易和更安全低回收和處理，這是一個可持續(xù)的過程，能夠解決目前許多廢物處理和有毒材料的問題。

正因為合成生物制造過程兼具綠色環(huán)保與降本增效優(yōu)勢，所以成為各國戰(zhàn)略布局重點。美國、歐盟、英國、日本、加拿大等經(jīng)濟體紛紛提出或更新國家與地區(qū)生物經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，細致制定生物制造發(fā)展路線圖和行動計劃。美國、歐盟等2019年以來提出的《工程生物學：下一代生物經(jīng)濟的研究路線圖》、《歐洲化學工業(yè)路線圖：面向生物經(jīng)濟》等生物經(jīng)濟戰(zhàn)略，均以生物制造為重點方向。

今年9月12日，美國總統(tǒng)拜登又簽署了一項關(guān)于國家生物技術(shù)和生物制造的行政命令，旨在促進制藥業(yè)以及農(nóng)業(yè)、塑料和能源等行業(yè)的美國生物制造，意在重構(gòu)美國的生物材料、生物制造、生物醫(yī)藥等生物新經(jīng)濟。

圖說：合成生物在化工領(lǐng)域的市場空間預測。

來源：華安證券研究所

02

中國各省市密集布局合成生物賽道

以合成生物為技術(shù)基礎的生物制造和生物經(jīng)濟，成為當今最吸引人的技術(shù)之一。全球已有數(shù)十個國家和地區(qū)發(fā)布了與生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)相關(guān)的戰(zhàn)略政策和規(guī)劃。

中國也不例外，除了在國家層面進行布局之外，中國各省市也紛紛出臺相關(guān)文件，支持生物經(jīng)濟的發(fā)展。

今年5月，國家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，這是我國首部生物經(jīng)濟領(lǐng)域頂層設計文件。

除了國家層面的部署，包括河南、黑龍江、湖北等多地也在密集布局這一新賽道。

今年8月，《河南省促進生物經(jīng)濟發(fā)展實施方案》印發(fā)，明確提出將著力構(gòu)建“一核、五基地”（一核為鄭州、新鄉(xiāng)聯(lián)動發(fā)展的生物經(jīng)濟核心區(qū)；五基地為洛陽、濮陽、南陽、商丘、周口等五個生物經(jīng)濟基地）為主體的生物經(jīng)濟發(fā)展布局，到“十四五”末全省生物經(jīng)濟增加值超過5000億元。

今年4月，《黑龍江省“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》提出“十大行動”推進生物經(jīng)濟發(fā)展。

去年11月，《湖北省生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，到2025年，生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學工程以及生物服務業(yè)等生物核心產(chǎn)業(yè)總規(guī)模突破6500億元。

除了這些省份外，有四個省市的生物經(jīng)濟更值得關(guān)注。分別是海南、深圳、上海和天津。這幾個地方正在建設零碳生物制造產(chǎn)業(yè)集群，包括鼓勵基礎研究、促進創(chuàng)新賽事和論壇活動、加大投融資支持、推動專業(yè)人才引進和保障等。

海南因為獨特的地理位置，在發(fā)展生物經(jīng)濟方面有得天獨厚的自然條件。海南位于熱帶，生態(tài)環(huán)境和自然條件好，有利于微生物和細胞的培育，有利于生物制造中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的發(fā)酵。光照、濕地和海洋等資源，也是生物經(jīng)濟不可多得的先天條件。

海南很早就把生物醫(yī)藥作為四大主導產(chǎn)業(yè)之一，《海南省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》把現(xiàn)代生物醫(yī)藥列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

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，遠景科技集團與海南省政府簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將在生物合成產(chǎn)業(yè)、新能源裝備等領(lǐng)域進行深度合作，共同構(gòu)建綠色新工業(yè)體系，將海南的自貿(mào)港優(yōu)勢和綠色資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，推進海南自貿(mào)港雙碳戰(zhàn)略達成。

海南省省長馮飛表示，生物技術(shù)的工業(yè)化應用未來可期。全球生物經(jīng)濟方興未艾，海南借助生物合成技術(shù)，可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的跨越式發(fā)展。

而遠景科技集團CEO張雷則表示，在海南自貿(mào)港打造零碳生物合成產(chǎn)業(yè)園，是“零碳”和“零稅”的結(jié)合，在日趨形成的“碳關(guān)稅”的挑戰(zhàn)下，實現(xiàn)真正的全球自由貿(mào)易。

海南的合成生物經(jīng)濟剛剛起步，如果通過生物合成，把生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)育種、海洋經(jīng)濟、旅游康養(yǎng)等結(jié)合起來，再加上自貿(mào)港的優(yōu)勢，海南的生物經(jīng)濟將迎來騰飛。

另一個合成生物實力比較雄厚的城市是深圳。深圳在光明區(qū)正打造一個合成生物研究重大科技基礎設施，2020年啟動建設，2023年開展試運營和驗收。

這個基礎設施將打造用戶“云端實驗室”和運營者“智能實驗室”二位一體的合成生物研究平臺，同時對學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開放。重點建設內(nèi)容包括設計學習平臺、合成測試平臺、用戶檢測平臺三大平臺。

商業(yè)轉(zhuǎn)化方面，光明區(qū)已認定合成生物企業(yè)有新如諾微環(huán)、厚存納米、賽橋生物、茵冠生物、拓普生物等14家公司。

上海對合成生物也全力支持，并建立了上海南大合成生物產(chǎn)業(yè)園，2021年9月成立，位于上海寶山。

在政策支持方面，上海市政府對合成生物領(lǐng)域提出三點規(guī)劃：

（1）推動多學科交叉融合，在人工生物設計、藥物人工生物合成、新結(jié)構(gòu)與新功能藥物的人工生物高效創(chuàng)制、環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)生物修復等取得突破；

（2）在基因編輯、DNA組裝、定向進化方面研發(fā)原創(chuàng)核心技術(shù)，建成多種高效人工生物制造系統(tǒng)；

（3）探索半導體合成生物學、功能性微生物機器人等新方向。

天津的國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心，是由中國科學院與天津市政府共建，位于天津濱海新區(qū)，2020年正式啟動建設，2022年投入使用。

這個創(chuàng)新中心的目的是打造國際尖端的生物科技研發(fā)平臺，構(gòu)建起合成生物技術(shù)領(lǐng)域集核心技術(shù)研發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、企業(yè)培育、資本運營四位一體的新型研發(fā)體系，同時已經(jīng)成立天津合成生物學海河實驗室、國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心等合成生物領(lǐng)域的研究機構(gòu)。

合成生物已經(jīng)成為一種新的生產(chǎn)方式，很多國家把合成生物學列為21世紀優(yōu)先發(fā)展的顛覆性技術(shù)之一。

世界經(jīng)合組織（OECD）報告曾預測，至2030年，OECD國家將形成基于可再生資源的生物經(jīng)濟形態(tài)，生物制造的經(jīng)濟和環(huán)境效益將超過生物農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)藥，在生物經(jīng)濟中的貢獻率達到39%。可以預期，以合成生物為主的生物制造，將是帶動未來生物經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵力量。

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參考資料：

[1]https://www.advancedtech.com/blog/future-of-biology-in-manufacturing/

[2]https://www.biopharma-reporter.com/Article/2022/09/12/biden-announces-boost-for-us-biotech-and-biomanufacturing

[3]CNAS：Regenerate：Biotechnology and U.S. Industrial Policy

[4]華安證券報告：合成生物學——屬于未來的生產(chǎn)方式

[5]遠景科技集團：遠景同海南省簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，打造零碳生物合成產(chǎn)業(yè)園

[6]國家發(fā)改委網(wǎng)站：馬延和生物制造產(chǎn)業(yè)是生物經(jīng)濟重點發(fā)展方向

[7]經(jīng)濟參考報：生物經(jīng)濟頂層設計文件發(fā)布 地方加速布局

[8]經(jīng)濟日報  ：生物經(jīng)濟時代加速到來

[9]中華工商時報社：生物經(jīng)濟：催化新業(yè)態(tài) 加速釋放潛能

注：首圖來源于Industryglobalnews24