《格拉斯哥气候协议》在当地时间 2021年11月3日深夜出炉，各缔约方均认可《巴黎协议》提出“将气温上升控制在1.5摄氏度之内”的目标。 

　　中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟在第三届中国新材料产业发展大会上表示，新材料是整个工业的基础。要实现碳中和，就必须少用化石资源原料所生产的产品，在“双碳”目标下生物制造将重构制造业。以下为报告整理。

谭天伟

　　生物制造发展迅速 可有效减排 

　　在当前推动“双碳”目标的形势下，碳达峰与碳中和日益重要。美国早在二十年之前就已经实现碳达峰，其碳中和目标很容易实现，而中国目前则面临巨大压力。 

　　大家都在谈论碳中和，要从源头上减少碳排放，包括能源革命、资源革命、绿色工业与节能减排等都需要减碳。生物技术会在未来的碳减排中发挥重要的作用。过去我们说的可再生碳是生物质碳，但生物质碳从哪里来？是生物体通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，而这完全有可能生物实现高效的转化。单纯靠植物、细菌、海藻等不能实现，那么能否以工业化的模式来转化？这是一个具有巨大挑战的课题。如果最终能实现，就可以实现循环利用。 

　　其中有一个非常重要的技术，就是生物制造。生物制造是什么？生物制造是以酶、微生物细胞结合工程学方法进行产品的生产加工。生产的产品包括生物基材料化学品、可再生能源、食品等。 

　　生物制造这几年发展的势头非常迅猛。在生物产业的三大块——生物农业、生物医药、生物制造中，生物制造大约在五六年前就已经超过了生物农业和生物医药，排名第一位。 

　　近年来，欧盟和美国这几年都非常重视生物制造，并制定了相关的发展战略。人们为什么愿意接受生物制造的产品呢？因为它是绿色环保的，同时与人体相容性比较好。比如国外个人消费品的生物洗涤剂，占比从2015年之前的不到2%，近两年已经接近60%。这几年很多用生物制造材料的方法越来越多，甚至欧盟和美国都制定了相关的生物标签法案——如果这一产品是通过生物制造的，政府可以放心地采购。 

　　生物基化学品和材料，为什么发展得这么迅速？为什么这几年生物基的塑料越来越多？第一是没有使用化石资源，没有用石油。因为传统石油化工中，塑料都是以石油或者天然气为原料生产的；第二，这一工艺过程是绿色的，没有产生那么多的碳排放。要实现碳中和，就必须少用化石资源原料所生产产品。 

　　近几年来，生物基的聚合物产业发展非常快。比如可降解塑料袋一般都采用PPAT，但这种原料来自化石石油基。而如果使用生物基的降解原料，降低碳排放就比较容易实现。因此要逐步地增加生物基材料的比例，以减少碳排放。 

　　中国生物制造将重构产业 

　　我国的生物制造已经有一定的基础，但是并不强，很多的技术依然受到限制—包括关键核心的菌种、酶等都是。此外还包括设计软件、谭天伟新材料等。 

　　每年我国使用的石油中，60%被用于能源燃料，40%被生产化学品或者基础材料。我们要用可再生能源替代化石能源，如果化学品也能够被替代，就完全有可能实现石化原料的多样化，也能解决国家能源安全问题。这意味着重构或者产业的升级换代，在“双碳”目标下是否可以用生物制造的方法呢？如糖平台所生产的很多含碳的原材料，包括丙二醇、丁二醇、乙二醇等都是百万吨级的用量，如果用生物基来做就可以解除对石油和化石资源的依赖。 

　　又如生产PPAT要用丁二醇，目前中国还是用化石原料，而国外已经开始用生物质。现在用石油基生产的产品便宜，但是将碳交易的成本算进去就会相差好几倍，未来生物基很快就会具有市场竞争力。 

　　目前比较常见的生物基产品包括杜邦1,3-丙二醇PTT、聚乳酸等，丙烯酸也是基础材料，近年来用生物法制作也发展得非常快，预计很快会占据重要的地位。很多国内机构正在做的2,5呋喃二甲酸，未来有可能替代TPA即对苯二甲酸，其聚合物就是PEF。而石油基生产的对苯二甲酸主要是PET（聚乙烯对苯二甲酸酯），PEF是否有可能完全替代PET ？目前还是存在着一些争议，但这个产品肯定可以在某些应用领域里替代PET。近几年该领域发展也比较快，几家国外公司已经开始做PEF 的生产线，包括生物基的二盐酸、丁二酸、硅盐酸等。 

　　许多材料都已经用生物法开始制作，而且具有明显的优势。这也意味着重构生物基材料的路线正在形成。但随着生物基领域的发展，能有那么多原料给予支撑吗？原料是一个很大的问题。粮食不能做原料，全国七八亿吨的秸秆也不可能都给生物基领域——哪怕都给了也不够。 

　　那么，未来第三代生物技术原料是什么？就是二氧化碳。二氧化碳非常稳定，但它转化需要额外的能量，又会产生新的二氧化碳的排放。但如果驱动能源来自可再生能源比如太阳能，就有可能实现。比如宜家推出的绿色产品，一部分就是用太阳能驱动生物制造的生物基产品来制造的。苹果的总部已经实现了零碳，个别企业局部实现零碳也是有可能的——但真正达到零碳是很难的。 

　　生物制造当下可行 前景可期 

　　生物制造的优点在于能够完成整个合成过程，直接把二氧化碳做成化学品、生物基材料或者生物燃料。一般观点都认为塑料不可降解，所以要限塑。但塑料就真的就不可降解吗？用超级生物体就完全有可能实现降解，中国和欧盟就有一个重大项目在攻关。现在用的PET（聚乙烯对苯二甲酸酯）能不能降解？也可以用微生物定向降解，PET 就能降解成对苯二甲酸和乙二醇。现在已经实现这一过程，我们实验室就能做。 

　　环保人士说的“降解”一定是降解成二氧化碳释放，降解成零。而生物的降解可以控制，降解成单体材料，而单体材料可以重复聚合。目前降解PET已经实现了，那么现在最难的是什么？PE（聚乙烯） 是最难降解的，因为碳键的键能是比较高的，但我认为将来超级微生物和酶出来后，一定有可能实现降解。有需求再加上重要的技术突破，两者有机地融合起来，才能够真正提升这个产业。为什么说生物制造现在可行？因为使用合成生物学技术，人们可以主动地通过人工去改造、改良这一微生物。 

　　以最简单的PDO1,3—丙二醇为例，原来是使用巴斯夫化学法生产的，如今杜邦公司用生物法通过大肠杆菌制作成功，并且已经申请了专利。我们团队又设计出一套新的路线，已经取得成功，目前已经做到中试，而且这一条路线的理论值优于杜邦公司。 

　　异戊二烯就是天然橡胶的单体，通过橡胶树就能合成。合成橡胶出现后，大部分异戊二烯均从化石石油基中分离出来。但是现在看来，又要回归用天然的材料——石油基毕竟需要消耗大量的石油。我们完全有可能实现这一想法，而且现在已经实现。 

　　能不能直接通过工厂生产聚异戊二烯？这又是一个挑战。如果成功后就不用再种植那么多的橡胶树。目前，我国云南、海南等地大概种植了几千万亩的天然橡胶林。橡胶树本身就含有异戊二烯聚合酶，如果把这些聚合酶巧妙地组合在一起，通过人工的工厂化就能实现生产，从而可以节省大量的土地。 

　　此外，我们已经设计出关于己二酸的合成路线，理论值是消耗1克葡萄糖能得到0.87克己二酸，成本可以大幅度下降。甚至全新的路线出来之后，可超过石油基生产的产品。 

　　二氧化碳的合成也是非常重要的。用不了多久，全新的生物制造路线——由二氧化碳到乙二醇、乙醇酸，整个新的原料路线将会重构，会影响未来的产业。 

　　以生物制造为代表的第三代生物技术，将来可以生产很多的产品。这种产品能源从哪里来？来自太阳能。如果我们能将光合作用设计，再超越传统的植物，那么用工业化实现土地上的生产，是完全可能的。这是未来生物制造一个非常具有挑战性的课题。 

　　未来第三代生物技术的可持续原料是二氧化碳，同时可再生碳技术、原料利用、物质素怎么样利用、相关政策等都很重要。此外，生物化学耦合体系、整个产业链上下游如何贯通，也是非常重要的。 

　　我们最初开始使用生物质，后来开始使用化石资源，现在又回过头利用生物质，这是源于其利用技术更高、效率更高，而且未来持续的发展将重塑我们的制造业。