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(jī)酸、烷烴、烯烴等基礎(chǔ)生物基化學(xué)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(xué)纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基復(fù)合材料及各類(lèi)生物基材料制得的制品等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電子、紡織、包裝、食品等領(lǐng)域。隨著生命科學(xué)基礎(chǔ)研究不斷取得創(chuàng)新性突破和合成生物等生物技術(shù)加速演進(jìn)，生物基材料已成為引領(lǐng)當(dāng)代世界科技創(chuàng)新和循環(huán)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品種類(lèi)速增、經(jīng)濟(jì)性顯著增強(qiáng)，國(guó)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(yù)計(jì)，到2030年，全球大約有35%的化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品來(lái)自生物制造，生物基材料迎來(lái)歷史性發(fā)展機(jī)遇。
圖片來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)資料整理，北國(guó)咨繪制
圖1 生物基材料典型產(chǎn)品
一、生物基材料的特征優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)業(yè)生態(tài)
（一）特征優(yōu)勢(shì)
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(shì)特點(diǎn)。環(huán)境友好體現(xiàn)在可降解、低污染。生物基材料生產(chǎn)過(guò)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(shí)在其整個(gè)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(lái)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(shì)。
（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(yīng)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(zhuǎn)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(diǎn)是將上游原料經(jīng)過(guò)生物合成、生物加工、生物煉制過(guò)程獲得生物醇、有機(jī)酸等生物基單體，以及乳酸、丁二酸等生物基平臺(tái)化合物，為生物基材料產(chǎn)品制備提供基礎(chǔ)。產(chǎn)品層重點(diǎn)是通過(guò)聚合反應(yīng)和加工過(guò)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(yīng)用層則是生物基材料產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景，涉及醫(yī)療、電子汽車(chē)、食品包裝、餐飲等多個(gè)領(lǐng)域。
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圖2 生物基材料產(chǎn)業(yè)鏈
二、合成生物學(xué)在生物基材料的應(yīng)用價(jià)值
（一）為非糧原料高效開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支持
為根本上解決能源與環(huán)境困境，避免“與人爭(zhēng)糧”，實(shí)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(diǎn)。當(dāng)前其開(kāi)發(fā)利用過(guò)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(guò)高效催化酶培育、底盤(pán)細(xì)胞改造、工程菌選育、酶蛋白元件制備等合成生物技術(shù)，可加快提高非糧生物質(zhì)原料的開(kāi)發(fā)利用效能。目前，秸稈纖維素、合成氣等原料的開(kāi)發(fā)相對(duì)成熟、步入商業(yè)化驗(yàn)證，大部分新型碳源尚處實(shí)驗(yàn)室或小試階段。如，BASF（德國(guó)）以蓖麻油為原料的生物基PA11已用于馬自達(dá)汽車(chē)關(guān)鍵零部件；凱賽生物（上海）秸稈制乳酸項(xiàng)目的發(fā)酵工藝已經(jīng)得到驗(yàn)證；合曜生物（南京）自主開(kāi)發(fā)的特色“中國(guó)紅酵母”可顯著增強(qiáng)纖維素水解液利用能力，已應(yīng)用于抗衰化妝品原料等。
（二）可顯著推動(dòng)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?xún)?yōu)化后的菌種、細(xì)胞、酶為制造工廠(chǎng)，用一步生物發(fā)酵替代多步的化工合成，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化獲取可再生化學(xué)品、聚合材料等目標(biāo)產(chǎn)物，助力生產(chǎn)過(guò)程大大簡(jiǎn)化、時(shí)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(xiàn)成本降低70%、能耗降低60%。
（三）用于提高生物制造目標(biāo)產(chǎn)物的性能和產(chǎn)量
通過(guò)精確定向改造工程菌，調(diào)控代謝途徑和基因表達(dá)，最大程度地集中細(xì)胞資源表達(dá)目標(biāo)產(chǎn)物，增強(qiáng)其對(duì)底物的利用能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物性能的精準(zhǔn)控制，從而提升生成目標(biāo)產(chǎn)物效能。如，華盛頓大學(xué)張福中團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)在微生物活體細(xì)胞內(nèi)合成肌聯(lián)蛋白高性能纖維，扭轉(zhuǎn)了化工合成聚合物性能不佳、生物提取成本高昂且轉(zhuǎn)化極難的局面，在醫(yī)學(xué)工程、防彈材料、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景良好。
三、總結(jié)
生物基新材料是當(dāng)前世界新材料領(lǐng)域重要關(guān)注的發(fā)展方向，也是我國(guó)“十四五”時(shí)期生物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)。當(dāng)前正處于從科研走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期，但在其研發(fā)、規(guī)模化生產(chǎn)過(guò)程中，還存在高性能蛋白材料定向進(jìn)化控制難、目標(biāo)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(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，短期內(nèi)還難以撼動(dòng)石油基產(chǎn)品的主導(dǎo)地位。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，利用合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品替代和創(chuàng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已成為共識(shí)，為加速推進(jìn)生物基材料的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)化開(kāi)拓，提出如下建議。
推進(jìn)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性攻關(guān)
重點(diǎn)聚焦非糧生物質(zhì)糖化、目標(biāo)產(chǎn)物提純、合成路徑開(kāi)發(fā)等開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，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(shí)生物基材料替代的經(jīng)濟(jì)技術(shù)基礎(chǔ)。
持續(xù)引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)
推進(jìn)生物基材料工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)物分離提純濃縮等技術(shù)和工藝放大及應(yīng)用示范。鼓勵(lì)相關(guān)傳統(tǒng)化工生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)企業(yè)，開(kāi)展技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(yīng)用場(chǎng)景
堅(jiān)持需求牽引與技術(shù)推動(dòng)相結(jié)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(yīng)用企業(yè)搭建全鏈條合作平臺(tái)，通過(guò)綠色消費(fèi)示范等方式加快推動(dòng)對(duì)現(xiàn)有化石基材料的替代或有效補(bǔ)充。
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[2024-05-30].https://www.bcg.com/publications/2024/china-synthetic-biology-whitepaper.
作 者
謝亞楠，長(zhǎng)期關(guān)注研究生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域
梁雨，長(zhǎng)期關(guān)注研究生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域
