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马延和团队最新综述:《低碳生物合成：机遇与挑战》（1）

时间：2023-07-13 来源：浏览：

马延和团队最新综述:《低碳生物合成：机遇与挑战》（1）

生物燃料与生物基化学品

生物燃料与生物基化学品

微信号 gh_871b2949cbb0

功能介绍厌氧，热解气化，热化学，合成气FT，催化剂等技术的介绍。生物甲醇，沼气，RDF，电子燃料，SAF，生物油，生物炭，生物基化学品与材料的介绍;船舶与飞机的替代燃料战略，交通领域液体燃料的碳中和战略.

收录于合集

文章来源： 王钦宏, 张以恒, 田朝光, 孙周通, 马延和，低碳生物合成: 机遇与挑战, 《科学通报》，第68卷，第19期.

摘要

低碳生物合成 以CO2等可再生碳资源为原料, 以生物体为工具进行物质合成, 是节约化石原料的可持续路线, 是现有化工、农业产品的替代性低碳生产新模式, 是CO2高效利用转化的工业碳汇新路径。

目前低碳生物合成的产业影响力、技术经济性等还无法与传统路线竞争, CO2等可再生碳资源的生物工业利用范围、转化效率、生物合成的工业能力等是亟待解决的关键科技问题。快速发展的 工程生物学 是对生物体结构和功能进行工程化设计再造的新生物学领域, 正在推动生物学工程化新范式, 将从根本上提升生物体将CO2等可再生碳资源转化为生物基产品的能力, 引发生物工业的颠覆式突破。

针对碳达峰、碳中和战略目标实施, 本文分析了 低碳生物合成的发展机遇 , 综述了 低碳生物合成国内外的科技进展与发展趋势 , 探讨了低碳生物合成的科技挑战与重点方向，最后对发展方向提出了相关建议。

正文

推进绿色低碳发展, 实现碳达峰、碳中和(“双碳”)国家战略目标, 亟需碳中性、碳负性的物质生产新模式。低碳生物合成是以二氧化碳、生物质、有机废弃物等可再生碳资源为原料, 利用工业菌种、工业酶等生物体为工具进行物质合成与制造, 正在引领构建化工、材料、能源、食品、医药等化学品的工业制造新模式 (图1), 是典型的碳中性、碳负性技术体系, 对减少一次性化石资源消耗、降低CO2排放具有重大意义，已成为绿色产业革命与科技竞争的关键。

低碳生物合成核心内涵 :

一是原料低碳 , 利用CO2、生物质、工业一碳副产物(合成气、甲醇等)等为原料，生产经济社会发展所需要的生物燃料、生物基材料、生物基化学品等产品，可以实现工业生物碳汇与低碳循环工业。

二是过程低碳 , 利用生物体系，将传统高温高压的化工生产工艺变革为常温常压绿色制造工艺, 生产过程清洁，污染废弃物大幅度降低, 降低物质制造过程中的碳排放和能耗, 减少碳足迹。

随着生物科技的进步及其向工业领域的快速渗透, 低碳生物合成正在引发一场新的工业革命, 生命科学工业化正在从理论走向现实。世界各主要经济强国都把低碳生物合成作为保障能源安全、环境质量和经济发展的国家战略, 促进形成与环境协调的战略产业体系, 积极抢占未来生物经济的竞争制高点 。

图1：低碳生物合成

低碳生物合成的发展机遇

在全球共同应对气候变化的大背景下, 发展低碳技术, 建立清洁、高效、可持续的新型工业路线, 最终实现人类社会绿色高质量发展已经成为不可逆转的潮流。低碳生物合成的发展正是顺应这股潮流，以工程化的理念设计、改造、重新合成的生物体为工具, 形成突破自然生物的物质合成、能量利用、信号传递等新手段, 为人类面临的资源、能源、健康、环境、安全等领域的重大挑战提供全新的生物学解决方案。

1.1 低碳生物合成的发展是实现“双碳”目标的重要途径

随着工业经济的发展, 全球气候变化成为人类社会面临的重大挑战. 从2000年开始, 我国CO2排放量快速增加, 经济社会的可持续发展面临资源环境的瓶颈性制约。 实现“双碳”战略目标 , 是我国推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的重大需求。

我国已全面启动低碳发展战略布局和行动计划, 加快绿色低碳关键核心技术突破, 推进先进技术产业化应用是重要保障 。发展低碳生物合成技术, 支撑化 工、材料、医药、食品等化学品, 甚至植物天然产物、淀粉、糖、蛋白、油脂等重要农产品制造走出传统的石油化工路线和农业种养殖模式 ，实现 清洁生产 , 建立 碳中性绿色工业制造体系 , 将推进经济社会全面绿色低碳转型, 为应对气候变化、粮食安全、能源安全、人类健康等挑战提供解决方案。

1.2 低碳生物合成带来显著的环境与社会效益

世界经济合作组织预测, 到2030年将有35%的化学品和其他工业产品可能通过低碳生物来合成。世界自然基金会报告等预测, 到2030年低碳生物合成有望每年减少大约25亿吨的碳排放 , 对减缓全球气候变化、实现可持续发展具有重要意义。

世界经济合作组织统计分析表明， 用低碳生物合成生产的生物基产品 替代石化产品, 可以降低工业过程能耗15%~80%、原料消耗35%~75%、水污染33%~80%, 生产成本9%~90%, 可以减少燃料相关的温室气体排放量75%~80%。国际能源署于2020年发布报告, 基于生命周期评估预测 全球低碳生物合成的化学品在2030年可减排6.7亿吨CO2当量 。

2021年, 美国农业部发布的《美国生物基产品行业经济影响分析》指出， 生物基产品每年替代约940万桶石油 , 相当于每年减少 1270万吨CO2 的温室气体排放。据估计, 2009~2020年, 生物燃料的使用使美国交通运输业的温室气体排放量减少了9.8亿吨CO2。

1.3 低碳生物合成是我国生物经济发展的战略必争之地

发展低碳生物合成, 建立清洁、高效、可持续的新型制造路线, 是经济社会绿色可持续发展的重大方向, 可开创财富绿色增长新纪元, 正在引发 新一轮的国际竞争 , 已成为推动后疫情时代经济复苏的关键方向。

美国 尤其重视生物经济的发展, 将其视为关系到经济繁荣和国家安全的重要议题。

美国目前正在推进的 《2021年美国创新与竞争法》 、 《2021生物经济研发法案》 , 以及近期美国总统拜登签署了 《关于推进生物技术和生物制造创新, 实现可持续、安全和有保障的美国生物经济行政命令》 ，从国家战略的角度统筹和规划低碳生物合成的创新发展, 保障其生物经济的技术领先地位和经济竞争力。

行政命令的发布全面加剧了低碳生物合成领域的国际竞争态势, 对我国低碳生物合成创新发展提出了更大的挑战。低碳生物合成是我国贯彻新发展理念的重要体现,是做大做强生物经济的有效举措, 是抢抓全球生物经济发展机遇的有力手段。 加强低碳生物合成技术自主创新, 形成生物制造核心技术能力, 是保障我国生物产业安全、掌握生物经济发展战略主动权的关键 。

低碳生物合成的国内外科技进展与趋势

2.1 发布战略规划和行动计划加快推进低碳生物

合成全球科技发展目前, 世界主要经济体国家纷纷在低碳生物合成领域加强布局, 提出了详细的战略规划与行动计划并提供了充足的 资金资助 。

美国发布的国家战略报告 《清洁与竞争: 美国制造业在全球低碳经济中的领导地位》 明确指出, 低碳生物合成的化学品、肉类及奶制品替代蛋白质将成为美国两大最具减排潜力和影响力的工业制造领域。

美国工程生物学研究联盟发布了 《气候与可持续发展的工程生物学: 更清洁未来的研究路线图》 ，明确了 低碳生物合成技术在食品和农业、运输和能源、未来材料生产三大应用领域的重点攻关方向, 包括 利用蛋白质工程和开发微生物过程建立替代肉类与蛋白质的食品生产平台 、 优化生命体和改造极端微生物以实现生物燃料规模化的工业生产 , 及以 生物基建材、塑料和纺织品取代石油基材料 。

2021~2022年, 美国能源部 多次拨款资助低碳生物合成技术的研发 , 受资助的研发项目主题包括 利用城市固体废弃物生产生物能源及产品、促进生物基塑料相关技术以减少一次性塑料的能源消耗和碳排放 。

欧洲联盟生物基产业联盟(Bio-Based Industries Consortium, BBI) 近10年来资助了上百个在欧洲促进生物合成制造发展的创新项目 , 旨在用生物技术带动生物经济的发展。BBI在2021年11月正式启动循环生物基欧洲联合企业伙伴关系计划，资助了多项生物技术研发，包括 工业CO2捕集和CO2生物转化利用 , 以及Pyro CO2、BioRECO2EVER等创新项目, 促进生物技术的发展, 提高对欧洲联盟CO2减排实现气候目标的贡献。

除此之外, 德国 《国家生物经济战略》 强调了生物技术可成为面向未来、可持续和气候中性经济体系的支柱, 技术方向为开发新原料、优化微生物及酶, 并进一步挖掘生物系统相互作用的机理。 英国、澳大利亚、加拿大、日本、韩国 等也纷纷发布国家战略和行动计划, 推进低碳生物合成的创新发展, 探索实现“气候中性”和环境、经济与社会可持续的解决方案。

2.2 低碳生物合成的重大科技进展不断取得突破

目前, 低碳生物合成前沿研究不断取得突破, CO2等可再生碳资源转化利用不断取得新进展, 越来越多产品打通生物合成路线, 低碳、零碳的生物工业科技快速发展. 底层技术加快突破和演进, 低碳生物合成研究走向工程化、智能化、自动化。机器学习、人工智能等数据科学 正快速与生物科学融合, 生物技术加信息技术(biotechnology+information technology, BT+IT)为生物体系设计创建提供新理论与新方法, 设计出一批新的固碳还原生物元件和体系, 利用机器学习可以快速定向进化蛋白质以优化其功能，并进行蛋白质的人工精准设计。

前沿基础和应用基础研究促进了不同能量形式驱动的 CO2固定还原、转化利用, 包括利用葡萄糖等有机物或H2中储存的化学能 , 通过羧化酶等催化的固碳反应, 实现 CO2的固定还原与转化 。理性设计和高通量定向进化开发了新的固碳羧化酶和化能驱动最小化人工固碳循环。

美国可再生能源实验室等构建双环路固碳途径, 以合成气为原料, 合成乙酰辅酶A衍生物。 以色列威兹曼研究所和奥地利自然资源与生命科学大学 等首次将大肠杆菌和巴斯德毕赤酵母转变为半自养型生物, 实现了C1化合物驱动人工半自养生物固碳生长, 为CO2生物转化利用提供了可能。 德国马普陆地微生物研究所 构建了光能驱动的人工叶绿体固碳。

我国 江南大学 开发了光驱动大肠杆菌CO2封存技术, 实现以葡萄糖和CO2为碳源合成化学品。 美国加州大学伯克利分校 利用硫化镉纳米颗粒修饰替代复杂的光系统，修饰后穆尔氏菌可以通过还原乙酰CoA途径进行人工光合固碳，从而构建了第一个人工光合细菌。 美国哈佛大学 构建了光伏与氢细菌的耦合系统, 能够利用太阳能电池板所提供的电力，把水分解为氢气和氧气，而系统内的微生物以氢为能源固定CO2合成生物燃料，太阳能到生物质的能量转换效率达到10%。

美国华盛顿大学 通过改造苯甲醛聚合酶的底物偏好性，设计了催化甲醛一步缩合到C3化合物二羟基丙酮的人工甲醛缩合酶(formolase,FLS), 构建了C1C3的最短途径。 中国科学院天津工业生物技术研究所 从苯甲酰甲酸脱羧酶出发，设计了催化甲醛一步缩合到C2化合物羟基乙醛的GALS酶,并进一步构建了已知最短的C1→乙酰CoA途径.

我国科学家在 国际上首次实现利用CO2人工合成淀粉、CO2到葡萄糖和油脂的合成 , 为未来打通以CO2为原料合成粮食、能源、材料的工艺路线, 实现规模化生产, 服务国家“双碳”战略目标作出重大贡献。

低碳生物合成对工业基础原材料的化石原料路线替代、高能耗高物耗高排放工艺路线替代以及传统产业升级, 正在产生重要推动作用 。

在化工产业, 我国开发的精细化学品 L-丙氨酸全生物合成路线 , 从五步化工路线变为一步生物工艺, 每吨产品减少二氧化碳排放0.5 t, 生产成本降低40%以上, 能耗减少30%, 创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的范例。

在制药产业, 以 头孢类抗生素原料头孢氨苄的生物合成路线 为例, 每吨产品减少使用乙酰酸、乙酯四甲基胍、特戊酰氯等特殊化学试剂约1.4 t, 减少使用二氯甲烷、甲基异丁基酮及异丙醇等有机溶剂约8 t, 减少化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)排放约80%, 减少能源消耗约30%。采用 化学-酶法新工艺后生产烟酰胺 ，可实现100%的原子经济性, 克服了化学催化路线中烟酸到烟酰胺的胺化反应有4%烟酸残留而需要重结晶分离的问题, 技术优势显著。

采用低碳生物合成可以生产人类所需要的健康糖、人造牛奶、人造油脂、理想蛋白质、合成淀粉、人造肉、人造鸡蛋等未来食品。

美国ImpossibleFoods、Beyond Meat等公司发展低碳生物合成技术，可以生产肉的关键组分 血红素蛋白， 结合植物蛋白组分合成了 人造肉 , 不含激素、抗生素、胆固醇等，可以节省74%的水，减少87%的温室气体排放, 养殖用土地面积也减少了95%。

不远的将来，人类所需要 淀粉、蛋白质、油脂、糖、奶等各类农产品以及天然香料、蚕丝纤维、(超强)棉花纤维、纸张纤维等 都可通过低碳生物合成实现工业化生产。农业种植或养殖产品的车间生物合成, 将有望终结农药化肥的过度使用，减少对土地的依赖和污染, 推动农业工业化发展。

转载：生物基能源与材料