“生物基化学品”通常是指以可再生生物质为原料，通过生物、化学、物理等手段制造的大宗或精细化学品，可广泛应用于材料、化工、食品、医药等领域。生物基化学品摆脱了对化石原料的依赖，基于资源和环境可持续发展的双重考量，是未来发展的主要趋势。据世界经合组织预计，到2025年，生物基化学品的产值将超过5000亿美元。

　　目前利用生物方法合成的生物基材料和化学品主要包括生物塑料、生物基精细化学品和生物基平台化合物等。随着基因工程、合成生物学等学科的不断发展，生物基材料和化学品的生物合成基础研究方面已经具有良好的研究基础，研究队伍逐渐壮大，关键技术方面已经初步形成。

　　世界各国政府、跨国企业、研究机构均高度重视生物基材料和化学品的发展。欧盟发布“创新可持续发展：欧洲生物经济”战略，美国2012年发布的“国家生物经济蓝图”将发展生物基化学品和材料作为生物经济的主要内容之一。科技部于2012年正式启动了“十二五”国家科技支撑计划专项；发展改革委、财政部自2014年起联合组织实施“生物基材料专项”。

　　基础研究与工业化现状

　　近年来基因组学、蛋白组学、代谢组学及系统生物学等技术的进步，共同构建了化学品和材料的生物合成通道。在各国政府政策和计划的鼓励和刺激下，石油公司（BP）、壳牌（Shell）、巴斯夫（BASF）、拜尔（Bayer）、杜邦（Dupont）、陶氏化学（Dow Chemical）等大型跨国石油和化工集团斥巨资投入生物基材料与化学品产业。已建立1,3-丙二醇、3-羟基丙酸、丁二酸、类异戊二烯、1,4-丁二醇、异戊醇、丙烯酸等传统石油化工产品的生物制造路线，生物合成技术已经或即将产业化。全球生物基材料和化学品迅猛发展，生化纤维及生物塑料等产品已进入产业化应用。部分跨国公司生物基化学品生产规模见表1。

　　作为国家重点扶持的战略新兴产业，我国具备发展生物基材料及化学品的迫切需求与良好基础。在政府的支持及企业、研究机构的努力下，我国已经取得了一些成果。例如，中国科学院青岛生物能源与过程所形成具有自主知识产权的异戊二烯生物制造技术。清华大学的1,3-丙二醇生物转化技术打破了杜邦等跨国企业的技术壁垒，并与河南天冠集团等企业建成年产5000吨的工业生产线。

　　研发与创新展望

　　当前，全球生物经济处于快速发展的跃升期，生物制造产业势头强劲。然而，原料利用局限、产品种类单一、转化效率不高是制约生物基化学品产业化的主要因素，也是生物基化学品基础研究的关键攻关方向。

　　原料利用多元化。原料成本占到生物基化学品总成本的30%-40%，乃至更高。开发价格低廉的多元化原料是面临的重要任务。我国目前农林废弃物、畜禽粪便、城市垃圾、餐饮废油等低劣生物质的可用量约折合10亿吨标准煤，是发展绿色化学品产业的重要的可持续资源。此外，我国拥有丰富的煤炭资源，由煤炭而来C1资源也是化学品转化的重要原料之一。

　　图1示意了采用不同原料制备重要化学品丁二酸的合成路线。以合成气、葡萄糖和丁烷为原料制备丁二酸的理论产率分别为92.2%,117%和203%，尽管合成气到丁二酸的原子利用效率较低，但是考虑其相对低廉的价格，较其它原料更具有优势。

　　生物转化体系高效化。通过汲取生物技术与其他技术之长，实现学科的创新与交叉融合，提高生物催化体系的催化效率及耐受性，是未来生物转化技术的重要发展方向。目前主要融合技术提高转化效率的案例包括生物技术自身融合，生物与化工技术融合及生物与过程控制技术融合。在生物技术融合方面，美国加州大学洛杉矶分校JamesLiao课题组利用构建启动子元件、基因敲入、代谢途径替换等手段，以葡萄糖为原料合成高级醇及其衍生物，避免了传统化学法催化剂成本高、工艺复杂等问题，并由杜邦公司投产。以生物发酵过程与有机化学结合，充分发挥两种技术优势，第一阶段利用重组大肠杆菌为生物催化剂发酵合成甲羟戊酸，第二阶段将甲羟戊酸酯化生成β-甲基-δ-戊内酯，然后聚合成嵌段共聚物用于橡胶合成，达到绿色、高效合成化学品的目的，该工作已发表于PNAS杂志。综合生物过程与化工过程的优势，将两种学科有机融合、集成，是提高转化率，选择型好的绿色反应过程的又一方式。如利用表面活性剂在水溶液里形成50-100纳米大小的胶束，作为贵金属催化反应的纳米反应器。其反应浓度高，速率快；产品产率高，可直接分离；催化剂可重复使用，活性降幅小。该技术可利用不纯的化合物作为原料，拓展了更多选择性方法、能在水相中催化的催化剂、低耗能的分离技术和多组分体系的转化方法——将从生物质中得到的多组分体系直接转化为所需的多组分产品。加州大学圣巴巴拉分校的Bruce H.Lipshutz教授因此获得了2011年第十六届美国总统绿色化学挑战奖的学术奖。

　　产品高值化。当前，部分大宗化学品同质化竞争严重，同时面临一定程度的产能过剩，而高端化学品，如新型化学品、专用化学品、新材料等短缺，发展空间较大。据美国IHS化学咨询公司预测，2010~2015年全球高端化学品年均需求增长率保持在3.5%左右，在亚洲和新兴地区的高端化学品需求增速将高达10%~15%。传统化工产品产能过剩与高端专用化学品缺乏的矛盾日益突出，化工行业的结构性失衡局面日益突显。强化生物基高端化学品的研究和布局，包括特种橡胶、特种工程塑料、新型复合材料、表面活性剂、精细化工等领域进行技术开发和生产，加大研发投入力度，开发新型、高性能产品是当前研究的主要任务之一。

　　结语

　　生物基化学品的生物转化技术将为实现低碳经济与绿色化工业可持续发展提供助力。推动我国生物基化学品产业的发展，可以此为牵引，从产业链上游形成国际竞争力，促使传统化工制造业向着规模化、集成化、绿色化发展。

　　结合世界科技发展前沿和我国国情，我国的生物基化学品制备技术要走有中国特色的发展道路，特别要考虑资源的融合、过程的环境效益和产品的经济效益。强化基础研究和平台建设，形成相应的产业联盟，通过科技创新，突破生物基化学品开发中制约产业发展的核心技术，提高规模化、产业化能力与产品竞争力，构建从可再生原料到终端制品的全产业链，建立良好的产业发展环境，从而推动我国生物基材料和化学品产业整体水平向前发展。

　　作者单位:中国科学院青岛生物能源与过程研究所