“雙碳目標”驅動下綠色生物制造產業發展現狀及集群發展的必要性探究

王浩綺 董維亮

[摘要]綠色生物制造產業的建設和發展是建設制造強國的重要路徑之一。我國綠色生物制造產業雖然起步較晚，但近年來發展迅速。本文基于大宗化學品全生命周期的碳排放數據，從綠色生物制造產業發展與實現“雙碳目標”的態勢出發，系統綜述我國綠色生物制造產業發展現狀、短板問題以及對“碳減排”的意義，剖析了我國綠色生物制造產品研發方向分散、附加值低、市場化程度低的問題，提出綠色生物制造產業亟須瞄準石化基大宗產品原料替代、高附加值精細產品生物合成等方向，建立“原料—過程—產品—市場”一體化的產業集群的發展建議。

[關鍵詞]雙碳目標；碳減排；綠色生物制造；產業集群

一、 引言

在碳達峰、碳中和的國家戰略背景下，國家明確了“3060”雙碳目標和行動方案1。我國制造業踐行低碳化發展之路、進行戰略性產業鏈重構迫在眉睫。綠色生物制造是以工業微生物技術為基礎，利用廢棄生物質等低附加值產品為原料，利用工業微生物和酶，實現化學品生物法合成的綠色發展路線[1]。綠色生物制造不僅可以降低對化石資源的依賴，還可以利用CO2等可再生原料以“碳負”的方式生產化學品[2]，是一種實現原料、過程、產品全流程綠色化的全新生產模式（圖1）。

經濟合作與發展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）預計全球有超過4萬億美元的產品由化工過程而來，而在未來的10 年，至少有8000億美元的石化產品市場將由綠色生物制造過程替代。因此，搶先突破綠色生物制造的關鍵技術，占得先機，才能引領未來經濟發展[1]。以生物基1，4-丁二醇（BDO）綠色生物制造產業為例，2016—2020年中國BDO總產量由109.9萬噸增加至147.6萬噸[3]。但從生產工藝來看，目前國內BDO產能大多為炔醛法，占比約90%[3]，該工藝屬于能源密集型產業，會造成大量溫室氣體排放。意大利Novamont公司的LCA分析，與傳統BDO相比，生物基BDO在其整個生命周期中減少了50%的碳足跡[4]。Adom等[5]的研究結果則表明，從玉米秸稈衍生的糖類中生產的生物基BDO的溫室氣體排放量比化石基對應物低約52%。近年來隨著工業生物技術和合成生物學的發展，利用低劣生物質如木質纖維素、秸稈等可再生能源為原料，利用微生物發酵技術來生產如乙醇、丁二酸等大宗化學品的綠色生物制造工藝越來越多[6-7]。此外，一些研究利用微生物直接固定空氣中的CO2合成淀粉等化學產品[8-9]。這些綠色生物制造過程在減少CO2總排放量的同時，還為農林廢棄物的資源化利用提供了新方向。

工業酶催化劑和工業菌株的設計和開發是綠色生物制造的核心要素[10]，國家也在大力支持綠色生物制造產業的發展。在科技部國家重點研發計劃項目“綠色生物制造”等重大專項的重點支持和部署下，湖北大學、華東理工大學、天津科技大學等單位牽頭，實施了包括工業酶的智能設計與催化應用、工業酶通用高效表達系統構建、輕工業核心酶的分子設計與酶制劑智造等多項針對綠色生物制造過程中的核心酶和菌株的研發項目（表1）。發掘并創制了多個適用于工業生產環境的高效菌株和酶，推動綠色生物制造過程朝著高效、經濟、環保的方向快速發展，成為實現“雙碳目標”的重要支撐。

二、 綠色生物制造產業對“碳減排”的貢獻

綠色生物制造產業發展對“碳減排”的貢獻受到全球關注。作為一種新興產業形態，綠色生物制造產業利用生物技術和工程學等技術手段，生產高附加值的生物制品和生物能源。據OECD預測，至2030年，30%的化學品和其他工業品將出自綠色生物制造，2060年有望達到50%以上，每年將可降低25億噸的二氧化碳排放[11]。在綠色生物制造產業中，生物質能源的利用、生物基材料的應用和生物碳捕集是促進“碳減排”的重要方向。本文將以上述3個方面為例，探討綠色生物制造產業發展對“碳減排”的貢獻，并通過數據加以說明。

1. 生物質能源利用

目前綠色生物制造已涉及國民經濟大多數的行業，據國家能源局發布的《2021年能源工作指導意見》，到2025年，我國將實現生物質能源消費總量超過1億噸標準煤1。這意味著生物質能源將成為我國能源消費的重要組成部分，這對減少化石燃料的使用、降低碳排放具有重要作用。以生物能源的制造工藝為例，根據中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所發布的數據，2021年我國農作物秸稈資源總量約為7.34億噸，其中可利用量約為6.47億噸2。通過將農作物秸稈轉化為生物能源，如生物乙醇的利用量穩定在6000多萬噸。生物乙醇是一種可再生的綠色能源，生物乙醇的燃燒過程中釋放的二氧化碳量較低。每消耗1噸生物乙醇可以減少約3.5噸二氧化碳排放，相當于每年減排二氧化碳21000萬噸3。除生物乙醇以，生物航空煤油在“碳減排”中也展現出巨大潛力。1噸傳統航煤燃燒后將排放3.2噸二氧化碳，我國目前的航煤消費量約3000萬噸，如全部以生物航煤替代，以每噸生物航煤至少減排30%來計算，一年可減排約3300萬噸二氧化碳，相當于近2000萬輛經濟型轎車停開一年[12]。

2. 生物基材料應用

以廢塑料的綠色生物制造工藝為例，每生產1噸的塑料制品就要排放5.1噸的二氧化碳，而物理回收1噸的廢塑料，最理想的情況下二氧化碳排放僅為0.1噸，因此回收1噸塑料可以減少5噸的二氧化碳排放[13]。一些品質較低的廢棄塑料雖然無法進行物理回收后再利用，但可以借助綠色生物制造技術將廢塑料解聚形成塑料單體小分子[14]，小分子可以作為原料被分離純化使用，也可以用作微生物的底物用于合成其他具有較高附加值的化學品[14-15]，進一步減少碳排放。此外，在工業生物催化過程中，使用1公斤酶制劑能夠減少約100公斤的二氧化碳排放量。到2030年，紡織、造紙和洗滌等傳統行業中生物技術應用全面滲透市場，預計每年可節省6500萬噸二氧化碳當量[16]，食品行業酶應用的潛在總減排量每年為1.14億噸至1.66億噸二氧化碳[16]。因此，推動綠色生物制造產業的發展，有望在產品的生產、回收、再造的全生命周期中減少二氧化碳的排放，對“雙碳”目標的實現具有重要意義。

3. 生物碳捕集

國際可再生能源署預測，到2050年，全球氣溫較工業化前水平升幅應控制在1.5°C之內，而碳捕集技術將貢獻全球溫室氣體減排總量的近14%1。因此，中國科學技術部社會發展科技司和中國21世紀議程管理中心一致認為碳捕集、利用和封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術是化石能源大規模低碳化利用的有效途徑。CCUS是指把生產過程中排放的二氧化碳進行捕獲提純，繼而投入到新的生產過程中進行循環再利用或封存的一種技術。以微藻為例，通過微藻固碳合成化合物技術的攻關和突破，有望建立以CO2為原料、以太陽能為能源，規?；a大宗食物、能源、化學品和醫藥保健品的新興綠色生物制造產業[17]。其中利用微藻轉化CO2合成丙二醇、生物乙醇、生物柴油、生物氫等技術已經具備工業化條件[17]。碳捕集技術還可以將工業排放中的廢碳（如鋼鐵行業工業尾氣，甚至空氣中的二氧化碳）用作化學品的原料，轉化為液體燃料和化學品，不僅減少了二氧化碳的工業排放量，還減少了化工過程的總碳足跡。

三、 當前綠色生物制造產業面臨的問題

1. 綠色制造產業間協同不足

綠色生物制造是一個由眾多生產環節耦合而成的系統性工程，低成本、穩定的原料供應是產業快速發展的基礎。目前，我國生物制造原料以淀粉等可發酵糖為主，90%以上來源于玉米等谷物糧食，存在嚴重的“與民爭糧”的問題，按每年可用于工業加工玉米量3000萬～5000萬噸計，難以支撐生物制造產業的規模發展[18]。因此建立與非糧生物質高效糖化、非糧生物質綜合利用產業的協同是綠色生物制造產業可持續發展的關鍵（圖2）。當前，我國木質纖維素、甲醇、CO2、合成氣等儲量巨大，它們是優良的生物制造候選原料，但現階段存在轉化效率低、技術經濟性難以與石化煉制產品競爭等問題，尚不能支撐大規模生物制造。因此，建立可持續的原料供應體系，加強與原料供應企業間的協同，已成為保障我國生物制造產業發展的重要任務。

2. 綠色生物制造產業選品同質化嚴重

綠色生物制造作為一種依賴生物技術的創新制造模式，在選擇綠色生物制造的產品過程中容易出現盲目跟風的現象，一些企業由于自身研發能力不足，通常采用在已報道的技術上進行優化的方式進行生產，導致我國綠色生物制造產業選品同質化嚴重。一些合成生物初創企業在一些“現成”的產品和技術的基礎上做優化，以此快速生產。但下游應用廠商注重產品價格和品質，同質化的生產技術和產品只會形成內耗。處在上游生產原料的合成生物學企業需要通過研發和工藝改進建立成本和品質優勢，處于下游的廠商要準確把握自己擅長的技術，不盲目跟風，不做自己不擅長的領域，在整個綠色生物制造的過程中瞄準某一環節，同時與下游廠商建立互信關系，建立協同發展模式。

3. 綠色生物制造產品缺乏深加工過程

當前一些大型的綠色生物制造企業以生產大宗化學品為主，大宗化學品可能利潤較低但是市場需求大可以為企業帶來穩定的收益。然而，大宗化學品的綠色生物制造工藝的研發對成本控制、產業化能力要求很高，需要花費巨額的資金，且經歷很長時間才能量產，初創企業很難承受如此高成本的持續資金和時間投入。當前，綠色生物制造企業的產品管線單一且缺乏深加工過程以拓展產品的種類，其核心原因是因為新產品的研發成本太高。因此，通過企業間的協同，對綠色生物制造產品進行深加工，開發多元化產品，提高產品的附加值，是提升綠色生物制造產業的整體價值的重要途徑。

四、 綠色生物制造產業集群發展的必要性

由于綠色生物制造產業路線和工藝的復雜性，企業獨立完成整個產品的生產和深加工過程的難度大且成本高，因此發揮不同企業的優勢形成集群效應，增強各個生產環節銜接的緊密性建立集群發展模式，不僅可以提高綠色生物制造過程的效率，降低成本，還可以減少地域分割導致的物流運輸過程產生的碳排放[19]。

產業集群，是一種由產業鏈上的相關企業所組成的跨行業、跨地域的產業組織形態[20]。創新型產業集群的建設和發展是建設制造強國的重要路徑之一，對我國經濟增長、制造強國建設有著重要影響[21-22]。創新產業集群可以促進相關產業在同一區域內形成產業鏈條和協同效應，利用各自的資源和技術優勢相互補充和協調，實現整個產業鏈的高效互通[23-24]。綠色生物制造產業形成集群后，集群內企業可以實現高效銜接，有效避免企業間的地域分割和選品同質化，強化綠色生物制造產品的深加工過程，從而最大限度發揮綠色生物制造產業的優勢。

綠色生物制造產業集群發展有利于加強品牌建設和市場拓展，擴大產業規模和提高產品質量，促進綠色生態經濟的發展。同時，綠色生物制造產業集群的發展可以吸引相關產業的人才和資本集聚，形成產業聚集效應，吸引更多、更專業領域的人才加盟集群內的企業，還可以為高校和科研院所的原始創新型的綠色生物制造項目提供孵化平臺，進一步培育綠色生物制造創新型產業，擴大集群規模。

五、 綠色生物制造產業集群發展的可選模式

我國當下的創新型產業集群和創新型培育集群主要集中于先進制造行業，如互聯網、電子電路、新能源汽車等傳統行業[21， 25]。作為近些年剛剛興起的綠色生物制造產業，其發展時間較短，目前國內生物產業相關的全國試點（培育）創新型產業集群共有19家（表2）。但是從其分布情況來看，多數產業集群還是圍繞生物與醫藥產業發展，其集群發展模式多為按照產品類型的集群[26]。綠色生物制造產業的集群發展模式可能還處于探索期，尋找適合綠色生物制造行業發展的集群模式尤為關鍵。未來，根據綠色生物制造終端產品的不同，綠色生物制造產業的集群的發展可以采用多種集群方式。

1. 生產鏈集群，加強產業協同

生產鏈集群以產品為導向，通過在一定范圍內對該產品生產路線上的企業進行集群，從而提高生產該產品的效率，是目前集群發展模式中應用廣泛的模式之一。對于綠色生物制造產業而言，按照生產鏈集群的方式一般可以用于廢棄資源回收及高值化轉化等生產工藝較復雜的領域，如秸稈回收利用生產乙醇、廢塑料回收進轉化等產業。以秸稈資源化利用為例，該工藝包含秸稈的預處理、發酵生產、產品分離、發酵殘渣的進一步利用等工藝環節，且不同環節的工藝側重點不同。其中預處理工藝偏向材料與化學工程，而發酵生產又涉及微生物學、發酵工程等生物學領域知識，是一個多工藝過程、多學科交叉、多企業協同的生物制造過程，因此需要推廣實施生產鏈集群發展模式。

2. 產品類型集群，避免企業“內卷”

采用該類型的企業集群發展模式的優勢在于集群內企業可以形成群體品牌效應。由于綠色生物制造過程的創新性強，同一種化學品的不同的生物制造路線差異大且各具特色。因此，生產技術路線不同的企業間可以進行產品類型的集群發展模式。例如，表面活性劑產業集群、抗生素藥物產業集群、微生物動物飼料產業集群等。以表面活性劑產業集群為例，該集群可以包括槐糖脂生產企業、鼠李糖脂生產企業、氨基酸生產企業等眾表面活性劑生產企業。雖然這些產品通常具有相似的功能、用途、特性和價格，但是其應用領域各不相同。集群發展有利于其形成品牌效應、提高市場競爭力。此外，產品類型集群發展模式還應該要不斷開發差異化的新產品，避免集群內同質化產品的過度競爭，不斷拓展全球市場，加強自主知識產權保護，培育主導產業的國際著名品牌。

3. 設備需求集群，促進產品深加工

作為一種依賴生物技術、生物工程、合成生物學等學科平臺的新興生物制造技術，綠色生物制造對深加工的分離、提純設備和大規模發酵平臺的需求較大。然而，目前服務于綠色生物制造產業的相關科研設備主要集中于高校和科院院所，大型分離、提純設備價格昂貴，對操作人員的專業素養要求較高。因此，綠色生物制造集群發展也需要按照高精尖深加工設備需求進行集群，建設統一的公共深加工平臺，提高設備的使用率，降低使用成本。同時還可以配備專業操作人員，服務產業集群內的企業。

目前，我國的綠色生物制造產業正處于快速發展階段，當前階段的主要特征是出現了大量具有市場前景的產品及其相應合成路線，如生物基丁二酸、生物可降解塑料、人工淀粉等，但是目前真正將綠色生物制造技術轉化成產品的案例較少?？傮w來看，綠色生物制造的產業發展呈現“漏斗狀”，即上游技術積累很多，真正的產品較少。若能在當前綠色生物制造產業集群內采用一種“政府—高?！髽I”三方共同組建的模式，可有效促進綠色生物制造產業落地。對于具有市場潛力的產品，聯合高?？蒲袌F隊，采用技術入股的方式將科研成果進行孵化，下游的生產和銷售可由集群內化工企業完成。還可以在產業集群內搭建企業生產所需要的核心發酵設備、分離純化設備等平臺，并吸引若干成熟的化工企業做好綠色生物制造產品的生產、分離和后續銷售的工作。該發展模式可以完成從技術、產品到銷售的高效銜接，對科研市場中現有的綠色生物制造技術產生較強吸引力，有利于在短期內形成集群效應。然而，目前科研領域的綠色生物制造的成果頗豐，到底選擇什么樣的產品、什么樣的技術路線加入集群內產業是該發展模式的核心問題。需要對產品和技術路線進行甄選，將可行性強、技術成熟度高、市場前景好的綠色生物制造產品吸納到綠色生物制造產業集群中來，在集群產業內形成選產品、生產到產生經濟效應的良性循環。

未來，隨著綠色生物制造產業的發展，會有越來越多的產品合成路線、特異性的發酵菌株、新型的發酵工藝被開發出來，建立多元化的集群發展模式是大勢所趨，要根據產品、產業特點選用不同的集群模式。打造全球領先的創新型綠色生物制造集聚區。

六、 綠色生物制造產業集群發展建議

1. 強化頂層設計，創新培育機制

綠色生物制造產業集群的建立和培育離不開政府的政策支持和引導。其中，江蘇省通過實施“產業強鏈”行動計劃[27-28]，促進綠色生物制造產業主體并延伸產業鏈，利用區位優勢吸引創新創業人才和項目，支持和鼓勵具備內生性綠色生物創新的領軍企業或龍頭企業提升城市“雙碳”科技創新能力?？萍疾客ㄟ^設置國家重點研發綠色生物制造專項，促進綠色生物制造領域的項目落地，采用“揭榜掛帥”的模式激勵科研人員和企業把綠色生物制造的產品做出來、產出來、賣出去。此外，創新集群內產業的培育機制，建立企業—高校技術對接平臺，完善政策引導，幫助綠色生物制造產業從實驗室走向工廠。

2. 面向市場需求，做有組織科研

目前國內多數高校都設立了生物制造相關的專業，在綠色生物制造方面已經具備了成熟的研發團隊和成果。推動已有綠色生物制造技術儲備走向工廠，盡早開展中試、大試測試，在實際生產中檢驗技術的成熟度，在生產過程中進一步改良技術。此外，完善綠色生物制造方面團隊的資源整合，做有組織的科研，建立針對某一化學品的集中科研攻關，在短期內集中優勢力量，打通產品的綠色生物制造的路線，取得具有代表性的亮點成果。國內出現了較多低附加值的綠色生物制造產品，這類產品的雖然在技術上可以合成，但是在成本、產量、生產效率上無法達到工業生產的要求。因此，應該面向市場需求，加強對綠色生物制造的技術儲備的甄選，摒棄不符合市場需求的綠色生物制造的產品。

3. 加強技術宣傳，鼓勵企業參與

通過提高企業對綠色生物制造領域最新發展的認知度，可以激發更多企業應用綠色生物制造的理念和技術。從企業自身出發，目前很多老牌的化工企業紛紛建立綠色生物化工的生產線，這種轉型對綠色生物制造的發展是一種非常保險的策略，化工企業應該積極嘗試尋找綠色生物制造的路線以替代或者部分替代企業的化工產品路線。其優勢在于化工企業原有的下游分離純化路線幾乎可以和綠色生物制造的路線完全通用，可以進行綠色生物制造產品的深加工?；て髽I在建立綠色生物制造生產線時投入的成本要比初創企業小很多，更加適合發展綠色生物制造產業。因此，應該加強綠色生物制造技術的宣傳，鼓勵更多的企業加入綠色生物制造的產業中。

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基金項目：科技部國家重點研發計劃綠色生物制造專項課題“天然活性產物生物制造技術”（項目編號：2021YFC2101500）；2022年江蘇省研究生教育教學改革課題“面向‘雙碳’目標知識生產的理工科研究生‘科產創教’融合育人共同體建構與模式實踐”（項目編號：JGKT22_C027）；2023年江蘇省學位與研究生教育教學改革課題“面向江蘇省生物醫藥產業鏈發展的校企所聯合培養研究生平臺建設與運行機制研究”（項目編號：JGKT23_C028）。

作者簡介：王浩綺（1979-），女，博士，南京工業大學生物與制藥工程學院副研究員，研究方向為高等教育管理、生物工程學科建設；董維亮（1988-），男，博士，南京工業大學生物與制藥工程學院教授，碩士生導師，研究方向為廢塑料生物煉制、綠色生物制造。

（收稿日期：2023-07-20? 責任編輯：蘇子寵）