生物基材料是指利用生物質(zhì)為原料或（和）經(jīng)由生物制造得到的材料，包括由上述方式得到的生物醇、有機酸、烷烴、烯烴等基礎生物基化學品和糖工程產(chǎn)品，也包括生物基聚合物、生物基塑料、生物基化學纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基復合材料及各類生物基材料制得的制品等，廣泛應用于醫(yī)療、電子、紡織、包裝、食品等領域。隨著生命科學基礎研究不斷取得創(chuàng)新性突破和合成生物等生物技術加速演進，生物基材料已成為引領當代世界科技創(chuàng)新和循環(huán)低碳經(jīng)濟發(fā)展的又一新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品種類速增、經(jīng)濟性顯著增強，國內(nèi)已形成以聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）率先產(chǎn)業(yè)化、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等多種生物基材料快速發(fā)展的格局。據(jù)經(jīng)合組織（OECD）預計，到2030年，全球大約有35%的化學品和其他工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造，生物基材料迎來歷史性發(fā)展機遇。
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圖1 生物基材料典型產(chǎn)品
一、生物基材料的特征優(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)生態(tài)
（一）特征優(yōu)勢
與傳統(tǒng)石油基材料相比，生物基材料具有環(huán)境友好、綠色低碳、資源節(jié)約等優(yōu)勢特點。環(huán)境友好體現(xiàn)在可降解、低污染。生物基材料生產(chǎn)過程清潔、污染物排放少，產(chǎn)品可在自然環(huán)境中或工業(yè)堆肥條件下生物降解，大幅降低環(huán)境污染，尤其是塑料污染。綠色低碳體現(xiàn)在低能耗、低排放。研究數(shù)據(jù)表明，基于玉米等生物質(zhì)制造的生物基材料在能源消耗方面相比于石油基材料可降低65%，同時在其整個生命周期內(nèi)都能顯著降低碳排放，減緩氣候變化。資源節(jié)約體現(xiàn)在可再生、可持續(xù)。生物基材料的原料來源于植物和微生物等可再生的生物質(zhì)，與化石原料相比具有可持續(xù)利用的巨大優(yōu)勢。
（二）產(chǎn)業(yè)生態(tài)
生物基材料已形成涵蓋“原料-單體-材料產(chǎn)品-終端應用”的新型材料產(chǎn)業(yè)鏈。原料層主要涉及生物質(zhì)資源的收集、加工與轉化，生成植物油、木質(zhì)素、纖維素、淀粉、多糖等原料。單體層重點是將上游原料經(jīng)過生物合成、生物加工、生物煉制過程獲得生物醇、有機酸等生物基單體，以及乳酸、丁二酸等生物基平臺化合物，為生物基材料產(chǎn)品制備提供基礎。產(chǎn)品層重點是通過聚合反應和加工過程生產(chǎn)的各種生物基材料，如生物基塑料、生物基纖維、生物基橡膠等。終端應用層則是生物基材料產(chǎn)品的應用場景，涉及醫(yī)療、電子汽車、食品包裝、餐飲等多個領域。
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圖2 生物基材料產(chǎn)業(yè)鏈
二、合成生物學在生物基材料的應用價值
（一）為非糧原料高效開發(fā)利用提供技術支持
為根本上解決能源與環(huán)境困境，避免“與人爭糧”，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，非糧生物質(zhì)（農(nóng)作物秸稈、玉米芯、工業(yè)尾氣等）的高效利用成為研究熱點。當前其開發(fā)利用過程中存在著破解纖維素糖化困難、分離純化成本高等難題，通過高效催化酶培育、底盤細胞改造、工程菌選育、酶蛋白元件制備等合成生物技術，可加快提高非糧生物質(zhì)原料的開發(fā)利用效能。目前，秸稈纖維素、合成氣等原料的開發(fā)相對成熟、步入商業(yè)化驗證，大部分新型碳源尚處實驗室或小試階段。如，BASF（德國）以蓖麻油為原料的生物基PA11已用于馬自達汽車關鍵零部件；凱賽生物（上海）秸稈制乳酸項目的發(fā)酵工藝已經(jīng)得到驗證；合曜生物（南京）自主開發(fā)的特色“中國紅酵母”可顯著增強纖維素水解液利用能力，已應用于抗衰化妝品原料等。
（二）可顯著推動生物基單體制備節(jié)流降本
合成生物制造可顛覆傳統(tǒng)化工合成的生產(chǎn)模式，重新合成全新的人工生物體系，以優(yōu)化后的菌種、細胞、酶為制造工廠，用一步生物發(fā)酵替代多步的化工合成，實現(xiàn)規(guī)?；@取可再生化學品、聚合材料等目標產(chǎn)物，助力生產(chǎn)過程大大簡化、時間及生產(chǎn)成本極大降低、原料耗材大幅減少。如，利用改造的大腸桿菌，使用發(fā)酵法制備L-丙氨酸，比石化路線成本降低70%、能耗降低60%。
（三）用于提高生物制造目標產(chǎn)物的性能和產(chǎn)量
通過精確定向改造工程菌，調(diào)控代謝途徑和基因表達，最大程度地集中細胞資源表達目標產(chǎn)物，增強其對底物的利用能力，實現(xiàn)對產(chǎn)物性能的精準控制，從而提升生成目標產(chǎn)物效能。如，華盛頓大學張福中團隊利用合成生物學在微生物活體細胞內(nèi)合成肌聯(lián)蛋白高性能纖維，扭轉了化工合成聚合物性能不佳、生物提取成本高昂且轉化極難的局面，在醫(yī)學工程、防彈材料、航空航天等領域應用前景良好。
三、總結
生物基新材料是當前世界新材料領域重要關注的發(fā)展方向，也是我國“十四五”時期生物經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點任務。當前正處于從科研走向產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵時期，但在其研發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)過程中，還存在高性能蛋白材料定向進化控制難、目標產(chǎn)物產(chǎn)率不穩(wěn)定、裂解純化工藝繁瑣和純化成本高等諸多技術難點與挑戰(zhàn)，短期內(nèi)還難以撼動石油基產(chǎn)品的主導地位。從長遠來看，利用合成生物學實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品替代和創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)已成為共識，為加速推進生物基材料的產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新和市場化開拓，提出如下建議。
推進原創(chuàng)性、引領性攻關
重點聚焦非糧生物質(zhì)糖化、目標產(chǎn)物提純、合成路徑開發(fā)等開展關鍵技術攻關，提高生物基材料生產(chǎn)效率，降低綜合能耗和生產(chǎn)成本，夯實生物基材料替代的經(jīng)濟技術基礎。
持續(xù)引領傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉型升級
推進生物基材料工業(yè)化生產(chǎn)技術、產(chǎn)物分離提純濃縮等技術和工藝放大及應用示范。鼓勵相關傳統(tǒng)化工生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的重點企業(yè)，開展技術升級與產(chǎn)業(yè)轉型，提升產(chǎn)業(yè)附加值，降低產(chǎn)業(yè)能耗。
拓寬生物基材料應用場景
堅持需求牽引與技術推動相結合，支持生物基材料企業(yè)與生物醫(yī)藥、輕工紡織、塑料制品等終端應用企業(yè)搭建全鏈條合作平臺，通過綠色消費示范等方式加快推動對現(xiàn)有化石基材料的替代或有效補充。
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[2024-05-30].https://www.bcg.com/publications/2024/china-synthetic-biology-whitepaper.
作 者
謝亞楠，長期關注研究生物經(jīng)濟領域
梁雨，長期關注研究生物經(jīng)濟領域
