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您聽說過生物制造嗎？其實您在生活中可能已經接觸過生物制造的產品了。乙肝疫苗、胰島素、玻尿酸、膠原蛋白、燃料乙醇等等，都是利用生物制造技術生產出來的產品。生物制造被認為具有引領“第四次工業革命”的潛力，市場規模將達到萬億級別，是世界各國競爭的熱點。我國也把生物制造列為重點發展的戰略性新興產業，是提升新質生產力的重要手段之一。


全球藻類創新公司將利用從燃燒發電廠排出的廢氣中捕獲的二氧化碳來培養和加工一種叫做螺旋藻的微藻。


另外，一種在市場上頗受歡迎的魚飼料蛋白，營養價值很高，粗蛋白含量達到80%以上，讓人想不到的是，它竟然是用鋼鐵廠煉鋼時產生的工業尾氣生產出來的。


生產這種飼料蛋白的首鋼朗澤是首鋼集團的子公司。它是全世界第一個實現以鋼鐵工業尾氣制飼料蛋白和燃料乙醇的企業。10年前，這家企業為了處理首鋼的工業尾氣，將氣體發酵技術引進國內。不過，這種技術僅在實驗室中獲得驗證，距離工業化應用還有很長的路。首鋼朗澤經過多年的技術攻關，最終打通了全系統工藝流程實現量產。


把工業尾氣制成飼料蛋白，這看似魔法般的操作，到底是怎么進行的呢？


工業尾氣“搖身一變”成為優質蛋白粉


2023年9月5日，記者從自治區工業和信息化廳獲悉，石嘴山市利用首鋼朗澤全球領先的氣體生物發酵集成技術，將富含一氧化碳的工業尾氣轉化為燃料乙醇及新型單細胞蛋白——乙醇梭菌蛋白粉等高附加值產品。目前，乙醇梭菌蛋白粉工業產能已突破萬噸級。


石嘴山市是國內鐵合金、電石和碳化硅的重要生產基地，每年產生富含一氧化碳的工業尾氣30多億立方米。為有效消納工業尾氣，該市在碳捕捉、碳利用和碳循環方面先行先試，打造生物發酵法制燃料乙醇及乙醇梭菌蛋白粉產業集群。目前，已分別建成寧夏首朗吉元新能源科技有限公司、寧夏濱澤新能源科技有限公司年產4.5萬噸和年產6萬噸的鐵合金工業尾氣生物發酵法制燃料乙醇項目，形成年產10.5萬噸燃料乙醇、1萬余噸乙醇梭菌蛋白粉產能，年消納工業尾氣10.47億立方米。


“1萬立方米礦熱爐尾氣可生產1.5噸燃料乙醇及150公斤乙醇梭菌蛋白粉，該蛋白粉粗蛋白質含量達80％以上，是一種優質的水產、寵物飼料原料。”寧夏濱澤新能源科技有限公司總經理賈偉介紹，該公司生產的乙醇梭菌蛋白粉于2021年8月獲農業農村部頒發的中國首張新飼料產品證書，今年被中國共產黨黨史館收藏。


據介紹，我國飼用蛋白原料緊缺，長期依賴進口，每年需要進口魚粉150萬噸左右。寧夏首朗吉元、寧夏濱澤新能源生產的蛋白粉，主要供應海大飼料集團有限公司、通威飼料集團有限公司等國內水產飼料巨頭企業，用于替代魚粉，對不同水產品種如魚、蝦的實驗結果都表現良好，由于價格低、品質好，產品深受用戶歡迎，供不應求。


“常規工業尾氣利用方式有發電或直接燃燒供熱，利用效率低，還有無形的環保壓力。而以工業尾氣為原料，采用生物發酵法制燃料乙醇，真正實現了工業尾氣的‘變廢為寶’，不僅是冶金行業碳捕集、碳利用和碳循環上的創新性應用，同時也對加快傳統產業升級、推動新舊動能轉換、構建發展綠色循環經濟、優化經濟增長方式意義重大。”自治區工業和信息化廳原材料工業處處長金立軍介紹。


最大的核心點是什么呢？


河北首朗新能源科技有限公司副總經理 楊艷：工業尾氣通過橫向的管道，輸送到氣體預處理工段，經過簡單的壓縮和煤氣凈化，由管道輸送到核心發酵工段，氣體從發酵罐的底部進入到頂部，單程只有幾十秒的時間。


接下來，工業尾氣在名為乙醇梭菌的菌種作用下，最終變成蛋白質和乙醇。在整個生產過程中，干活的是乙醇梭菌，工作人員只需要監控即可。首鋼朗澤所用的正是生物制造技術。所謂生物制造，指的是利用菌種、細胞、酶等生命體的生理代謝機能或催化功能，通過工業發酵工藝規模化生產人類所需的化學品和高分子材料的制造過程。它是一種以工業生物技術為核心的先進生產方式。


北京化工大學校長 中國工程院院士 譚天偉：最大的核心點是什么呢？一個是用生物體進行生產，而生物體最大的特點就是反應過程，都是常溫、常壓；第二個特點，是生物體轉化的時候都可以用可再生原料。


生物制造是一種全新的生產技術，融合了生物學、化學、工程學等多種技術，具有清潔、高效、可再生等特點。專家表示，生物制造將帶來至少三方面的重大變革：重構傳統化工的生產路線、替代傳統天然產物的獲取方式、顛覆傳統農業種養殖模式。


工業和信息化部賽迪研究院黨委書記 副院長 劉文強：生物制造有別于傳統的物理、化學制造模式，生物制造創新了物質生產方式，以生物體作為生產介質，對整個制造業變革會帶來一系列巨大變化；另外，生物制造是以可再生生物質為原料，對于制造業實現雙碳目標也非常關鍵。


我國有大量的工業尾氣資源。據專家估算，鋼鐵冶金、石化煉油、水泥等行業年產工業尾氣超過萬億立方米，如果利用其中的50%可年產飼料蛋白500萬噸，減少二氧化碳排放1.2億噸，節約糧食1.6億噸，節省耕地4億畝。


我國不僅有大量工業尾氣，還有不少農林廢棄物，也非常適合用生物技術加以利用。生物乙醇俗稱酒精，目前我國主要是以玉米、小麥等糧食作為原料通過發酵來生產。僅在黑龍江每年用糧食生產的生物乙醇就達230萬噸。不過，隨著這個纖維素乙醇示范項目的落地，用糧食生產乙醇的局面將被打破。這是位于黑龍江綏化海倫市的全國首臺套利用秸稈生產生物乙醇的工業化示范項目。


國投先進生物質燃料（海倫）有限公司總工程師 李春玲：用秸稈生產二代乙醇的過程是這樣的，秸稈包進廠之后先進行凈化、除雜，然后像爆爆米花一樣，把結構爆開，之后通過加入生物酶制劑水解成可發酵的糖，然后再用酵母把它變成酒精。


傳統生產生物乙醇，主要是通過發酵玉米、小麥等富含淀粉的糧食得到糖，再用糖生產乙醇。這種技術的優點是難度小容易實現，缺點是消耗糧食，出現與人爭糧、與糧爭地的現象，影響國家糧食安全。而國投生物采用秸稈生產糖，再用糖生產乙醇。


經過十多年的技術攻關，這家企業實現了量產。雖然目前這個示范項目的產能只有3萬噸，消耗約15萬噸秸稈，但是它的突破意義十分重大。據統計，2021年全國秸稈產生量為8.65億噸。因此，如果這項技術全面推廣，將是對傳統技術的一次重大革命。


國投先進生物質燃料（海倫）有限公司總工程師 李春玲：通過技術研發和自主創新，最后實現了以非糧為主的原料結構轉化。好處是可以利用資源豐富的農林廢棄物，可持續、可再生、可循環，而且通過利用這些農林廢棄物可以減少碳排放，改善環境污染。


我國是工農業大國，資源消耗得多，相應的排放量也大，因此有條件也有必要通過生物制造等先進技術手段來化解這一難題，變廢為寶。它對于打造新質生產力，推動經濟向綠色、可持續、高質量發展至關重要。


生物技術作為提升新質生產力的手段之一，已被我國定為戰略性新興產業。為此，我國制定了多項政策措施。2022年，《“十四五”生物經濟發展規劃》的印發，標志著我國首部生物經濟五年規劃正式出臺。《規劃》明確提出，要培育壯大醫療健康、生物農業、生物能源與生物環保、生物信息四大支柱產業。



黨的十八大以來，我國生物經濟發展取得巨大成就，細分子行業門類逐步增多，核心產業規模快速增長。長三角地區形成產業集群，華北、華中地區骨干企業數量眾多。在國家的大力扶持下，一批新技術不斷誕生，引領著未來生物制造的發展方向。在中國科學院天津工業生物技術研究所，2018年7月24日，一項全新的技術初步獲得成功。


淀粉和碘相遇會變藍，這是它的一個顯著特征。不過科研人員所用的淀粉不是來自玉米、土豆等植物，而是二氧化碳。


2021年，中國科學院天津工業生物技術研究所宣布，在國際上首次實現二氧化碳到淀粉的人工全合成，相關成果于當年9月在國際學術期刊《科學》上在線發表，成果先后入選2021年度中國科學十大進展、2021年度中國生命科學十大進展等。它實現了從無機物中創造有機物的重大突破。這項技術在淀粉的合成能效和速率上超越了玉米等農作物，為淀粉的工業化生產打開了一扇窗，并為二氧化碳原料合成復雜分子提供了新思路。


雖然這項技術已經在實驗室條件下被證明是成功的，但距離真正工業化還有一定距離，因此科學家們正在努力打通最后的技術壁壘，一旦成功市場規模將不可限量。


中國科學院天津工業生物技術研究所研究員 蔡韜：一方面可以把很多廢棄的、可能會對環境造成影響的二氧化碳變廢為寶用起來；另一方面，可以在工業化的車間里合成淀粉，節約80%到90%的土地和淡水。


生物制造為啥成世界各國競爭的熱點？


無數事實證明，生物制造可從根本上改變傳統制造業的生產模式。利用生物+醫藥、生物+化工、生物+能源、生物+輕工等全新生產方式，誕生出了一大批全新產品，如重組蛋白藥物、生物航空煤油、生物降解塑料等等，生物制造被認為具有引領“第四次工業革命”的潛力，未來前景十分廣闊。據預測，全球生物制造產值接近30萬億美元。


未來，隨著生物技術進一步取得突破進展，生物制造還有望向采礦、冶金、電子信息、環保等領域拓展，發展前景廣闊，成為經濟增長的重要引擎。


工業和信息化部賽迪研究院黨委書記 副院長 劉文強：下一步，國家將從政策、企業和產業層面加強一系列部署來推動生物制造產業的發展。在政策層面，國家有關部門正在研究制定國家層面的生物制造頂層規劃文件，在產業層面，國家有關部門將加大中央財政資金投入，分領域、分區域布局一批生物制造中試平臺；在企業層面，國家有關部門將支持企業加強核心工業菌種、關鍵酶制劑創新研發，提升自主創新能力，推動創新成果不斷涌現。


生物制造作為提升經濟競爭力的著力點，也是我國繼綠色制造、智能制造后，推進制造強國建設的又一重要抓手。作為一種新質生產力，生物制造產業商機無限，而當前我國這一產業發展的序幕才剛剛拉開。目前我國生物制造核心產業增加值占工業增加值比重只有2.4%，提升空間非常大。我國具備良好的生物制造基礎，再加上一系列政策的助推，我國生物制造產業在這條新賽道上的競爭力也將越來越強。