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環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》  

摘要：國(guó)家規(guī)劃指出，力爭(zhēng)到2025年，我國(guó)生物經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到22萬(wàn)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(shì)，是帶動(dòng)未來生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵力量。

中國(guó)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(shí)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(gè)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(xué)是一個(gè)將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，其本質(zhì)是讓細(xì)胞為人類工作生產(chǎn)想要的物質(zhì)。與傳統(tǒng)化學(xué)合成相比，合成生物學(xué)具有微型化、可循環(huán)、更安全的特點(diǎn)；與傳統(tǒng)發(fā)酵工程相比，合成生物學(xué)對(duì)細(xì)胞的干預(yù)是定向的。

在合成生物的上半場(chǎng)，主要應(yīng)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(xì)菌及酵母，達(dá)致低成本制藥目的；在醫(yī)療領(lǐng)域，通過重整人類細(xì)胞，對(duì)抗一些癌癥和遺傳病，增強(qiáng)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(chǎng)，一定是跟碳中和目標(biāo)結(jié)合，在生物能源和綠色制造方面發(fā)揮作用。遠(yuǎn)景科技集團(tuán)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(gè)重要引擎。

據(jù)中科院天工所統(tǒng)計(jì)，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(dá)到50％-70％。世界自然基金會(huì)（WWF）預(yù)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(duì)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(jí)，產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。

今年5月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出十四五期間，要推動(dòng)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(qiáng)生物經(jīng)濟(jì)。力爭(zhēng)到2025年，我國(guó)生物經(jīng)濟(jì)總量達(dá)到22萬(wàn)億元。

合成生物與制造業(yè)的結(jié)合，將催生一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，也成為歐美、日本、加拿大等經(jīng)濟(jì)體戰(zhàn)略布局和爭(zhēng)奪重點(diǎn)。

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

來源：EBRC：《工程生物學(xué)：下一代生物經(jīng)濟(jì)研究路線圖》

01

合成生物的重點(diǎn)在生物制造

合成生物的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景，是生物制造。

據(jù) McKinsey 統(tǒng)計(jì)，生物制造的產(chǎn)品可以覆蓋 70%化學(xué)制造的產(chǎn)品，并在繼續(xù)拓展邊界、快速成長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到 2025 年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟(jì)影響將達(dá)到 1000 億美元。

所謂生物制造，是利用生物體機(jī)能進(jìn)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(duì)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(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)。幾乎所有的生物制造都是基于一個(gè)相當(dāng)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(jìn)行反應(yīng)。

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(gè)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(qiáng)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(chǔ)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(shí)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(yīng)用主要有兩種方式：

一是生物水泥：利用微生物使水泥更堅(jiān)固；

二是生物修復(fù)：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(dòng)電力制造領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

3/

消費(fèi)產(chǎn)品

用于生產(chǎn)各種類型的消費(fèi)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?gòu)U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(yīng)來實(shí)現(xiàn)發(fā)酵。目前-已經(jīng)在整個(gè)食品制造業(yè)中發(fā)現(xiàn)了一套不斷擴(kuò)大的用途，包括維生素和氨基酸的強(qiáng)化、改善消化系統(tǒng)的修改、可以延長(zhǎng)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(yīng)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?yàn)樯镏圃欤且粋€(gè)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(yáng)光和受控環(huán)境就可以啟動(dòng)。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(fèi)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(gè)化纖原料擺脫石油價(jià)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(gè)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?yàn)楹铣缮镏圃爝^程兼具綠色環(huán)保與降本增效優(yōu)勢(shì)，所以成為各國(guó)戰(zhàn)略布局重點(diǎn)。美國(guó)、歐盟、英國(guó)、日本、加拿大等經(jīng)濟(jì)體紛紛提出或更新國(guó)家與地區(qū)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，細(xì)致制定生物制造發(fā)展路線圖和行動(dòng)計(jì)劃。美國(guó)、歐盟等2019年以來提出的《工程生物學(xué)：下一代生物經(jīng)濟(jì)的研究路線圖》、《歐洲化學(xué)工業(yè)路線圖：面向生物經(jīng)濟(jì)》等生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，均以生物制造為重點(diǎn)方向。

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

圖說：合成生物在化工領(lǐng)域的市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)。

來源：華安證券研究所

02

中國(guó)各省市密集布局合成生物賽道

以合成生物為技術(shù)基礎(chǔ)的生物制造和生物經(jīng)濟(jì)，成為當(dāng)今最吸引人的技術(shù)之一。全球已有數(shù)十個(gè)國(guó)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(guó)也不例外，除了在國(guó)家層面進(jìn)行布局之外，中國(guó)各省市也紛紛出臺(tái)相關(guān)文件，支持生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

今年5月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，這是我國(guó)首部生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域頂層設(shè)計(jì)文件。

除了國(guó)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(jìn)生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)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(dòng)發(fā)展的生物經(jīng)濟(jì)核心區(qū)；五基地為洛陽(yáng)、濮陽(yáng)、南陽(yáng)、商丘、周口等五個(gè)生物經(jīng)濟(jì)基地）為主體的生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展布局，到“十四五”末全省生物經(jīng)濟(jì)增加值超過5000億元。

今年4月，《黑龍江省“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出“十大行動(dòng)”推進(jìn)生物經(jīng)濟(jì)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(xué)工程以及生物服務(wù)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(gè)省市的生物經(jīng)濟(jì)更值得關(guān)注。分別是海南、深圳、上海和天津。這幾個(gè)地方正在建設(shè)零碳生物制造產(chǎn)業(yè)集群，包括鼓勵(lì)基礎(chǔ)研究、促進(jìn)創(chuàng)新賽事和論壇活動(dòng)、加大投融資支持、推動(dòng)專業(yè)人才引進(jìn)和保障等。

海南因?yàn)楠?dú)特的地理位置，在發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)方面有得天獨(dú)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(xì)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(jì)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(dǎo)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(yuǎn)景科技集團(tuán)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(jìn)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(shì)和綠色資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)海南自貿(mào)港雙碳戰(zhàn)略達(dá)成。

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

而遠(yuǎn)景科技集團(tuán)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(shí)現(xiàn)真正的全球自由貿(mào)易。

海南的合成生物經(jīng)濟(jì)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(jì)、旅游康養(yǎng)等結(jié)合起來，再加上自貿(mào)港的優(yōu)勢(shì)，海南的生物經(jīng)濟(jì)將迎來騰飛。

另一個(gè)合成生物實(shí)力比較雄厚的城市是深圳。深圳在光明區(qū)正打造一個(gè)合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，2020年啟動(dòng)建設(shè)，2023年開展試運(yùn)營(yíng)和驗(yàn)收。

這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施將打造用戶“云端實(shí)驗(yàn)室”和運(yùn)營(yíng)者“智能實(shí)驗(yàn)室”二位一體的合成生物研究平臺(tái)，同時(shí)對(duì)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界開放。重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容包括設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)平臺(tái)、合成測(cè)試平臺(tái)、用戶檢測(cè)平臺(tái)三大平臺(tái)。

商業(yè)轉(zhuǎn)化方面，光明區(qū)已認(rèn)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(duì)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(duì)合成生物領(lǐng)域提出三點(diǎn)規(guī)劃：

（1）推動(dòng)多學(xué)科交叉融合，在人工生物設(shè)計(jì)、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(fù)等取得突破；

（2）在基因編輯、DNA組裝、定向進(jìn)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(dǎo)體合成生物學(xué)、功能性微生物機(jī)器人等新方向。

天津的國(guó)家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心，是由中國(guó)科學(xué)院與天津市政府共建，位于天津?yàn)I海新區(qū)，2020年正式啟動(dòng)建設(shè)，2022年投入使用。

這個(gè)創(chuàng)新中心的目的是打造國(guó)際尖端的生物科技研發(fā)平臺(tái)，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(yùn)營(yíng)四位一體的新型研發(fā)體系，同時(shí)已經(jīng)成立天津合成生物學(xué)海河實(shí)驗(yàn)室、國(guó)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(jī)構(gòu)。

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

世界經(jīng)合組織（OECD）報(bào)告曾預(yù)測(cè)，至2030年，OECD國(guó)家將形成基于可再生資源的生物經(jīng)濟(jì)形態(tài)，生物制造的經(jīng)濟(jì)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(jì)中的貢獻(xiàn)率達(dá)到39%?？梢灶A(yù)期，以合成生物為主的生物制造，將是帶動(dòng)未來生物經(jīng)濟(jì)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(bào)告：合成生物學(xué)——屬于未來的生產(chǎn)方式

[5]遠(yuǎn)景科技集團(tuán)：遠(yuǎn)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(guó)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(jì)重點(diǎn)發(fā)展方向

[7]經(jīng)濟(jì)參考報(bào)：生物經(jīng)濟(jì)頂層設(shè)計(jì)文件發(fā)布 地方加速布局

[8]經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)  ：生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代加速到來

[9]中華工商時(shí)報(bào)社：生物經(jīng)濟(jì)：催化新業(yè)態(tài) 加速釋放潛能

注：首圖來源于Industryglobalnews24