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生物产业发展行动计划解读

来源:中机院时间:2013-05-23 点击:1539

当今我国生物产业的发展布局，生物医药、生物农业以及生物制造“三足鼎立”的格局基本形成。生物制造技术的进步，将有利于我国传统化工、医药等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重等困境，实现相关制造产业的跨越式发展。

   当今我国生物产业的发展布局，生物医药、生物农业以及生物制造“三足鼎立”的格局基本形成。生物制造技术的进步，将有利于我国传统化工、医药等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重等困境，实现相关制造产业的跨越式发展。立足于中国特色创新发展，成为拉动中国经济腾飞的重要引擎。

    生物大时代

    比尔·盖茨曾预言，下一个世界首富必将出自生物技术领域。

    当今时代，生物技术的影响力远超人们想象。两大现象或可证明：目前全球化学产品的产值中，约有1/5来自生物技术产品；全球近乎所有顶级化工企业都在投资生物技术研究。

    由于自身的通用性，生物技术即将进入大规模产业化阶段，生产用途也将从治病为主转向延长人类生命周期、提高人类生活质量、改善生态环境等。

    全球生物技术的重大进展不断、各国争先对此进行战略部署及业内对生物科技类股票的良好市场预期，无不预示着一个世界性的“生物大时代”已然来临。

    中国也不例外。产业规模的急速递增、产业大军的厉兵秣马、即将出台的《生物产业发展“十二五”规划》（以下简称《规划》）的官方定调，无不预示着生物产业春天的脚步更近了······ 全文

     生物催化：提高反应原子经济性

    生物催化技术是实现石油和化工绿色生产过程最有效的手段。但我国生物催化合成技术在工艺转化、规模化生产等方面仍较落后。要实现《生物产业发展规划》生物工艺应用示范行动计划提出的目标——实现生物催化工艺对传统高污染、多排放工艺的有效替代，必须以提高原子经济性、实现过程绿色化为基本出发点，强化产学研的有机结合，加速实验室成果向生产力转化。这是生物化工领域专家在接受记者采访时的一致观点。

    生物催化合成技术具有优异的立体选择性、化学和区域选择性，反应条件温和，可以避免传统合成中的异构化、消旋化和重排等副反应，减少有害重金属和过度金属催化剂和作为反应介质和分离纯化产物时有机溶剂的使用，从而显著提高原子经济性，减低过程的环境因子。生物催化技术的发展将加快传统工业过程的转型升级，促进工业经济增长方式的转变，逐步实现绿色化学的梦想。

    据了解，我国从上世纪80年代开始进行生物催化合成工艺的产业化开发。经过近三十年的发展，在大宗化学品、精细化学品、医药化学品的生产中，生物催化绿色合成技术在医药化工领域中的应用有着很好的发展前景。目前，我国已建立了国际上第一条化学—酶法生产亚胺培南/西司他丁钠的产业化生产线；丙烯酰胺的生物催化合成工艺和生产规模已经居世界第一。

    但是，我国生物催化合成技术在工艺转化、规模化生产等方面仍落后于国际。中国化工学会生物化工专业委员会委员、中国生物工程学会工业与环境生物技术专业委员会委员、浙江工业大学教授郑裕国在接受记者采访时说，“我国的生物催化剂品种少，未形成系列；生物催化剂生产厂家规模偏小，原料利用率低，能耗高；产品质量与国外有差距，创新产品少。”如何解决这些问题？郑裕国教授给出了自己的建议：强化产学研的有机结合，以政策为导向，以满足生物工艺的重大需要开展相关的研究和技术开发，及时地将实验室成果转化为生产力。

   在谈到生物催化技术在精细化学品生产中的应用时，郑裕国教授强调，要重视精细化学品中的生物催化工艺的开发。因为传统精细化学品产业平均每生产1吨产品，副产物高达100吨以上，环境压力大。而生物催化技术以提高原子经济性、实现过程绿色化为基本出发点。如酶催化反应条件温和、一般在常温、常压及近中性条件下进行，把分解、异构化、外消旋化、重排等不利副反应降到最低限度，因此可以说，高能耗、高污染的有机合成将逐步被绿色可持续的生物合成替代。

   另据记者了解，对于规划中提及的“生物催化剂、工业酶制剂等新产品开发和产业化”方面我国也有了长足发展。丙烯酰胺生物合成用的腈水合酶的各方面性能远高于国际先进水平；腈转化酶包括腈水合酶、酰胺酶、腈水解酶的产酶微生物的发现、改造和改良以及产业化开发居国际领先地位。特别是浙江工业大学的腈转化酶研究团队已经成为国际知名的腈转化酶研究开发及产业化研究团队，高效的腈转化酶微生物菌库已经形成，腈转化酶在大宗化学品（丙烯酰胺）、医药化学品、农药化学品的生物加工工艺已居国际领先地位。

   但总体上说，在《规划》提及的新酶的发现以及酶的改造技术方面，我国与国外相比仍存在较大差距。对此，郑裕国教授表示，“我们要实现应用研究与基础研究并举，针对生产实际的绿色化重大需要，强化新酶、新微生物的筛选和改造研究，及时将实验室成果转化为产业化技术。此外还要强化高校、科研单位与企业的有效对接。对于高校来说，不能仅停留在学术论文的发表上，而应该进行技术和产品的产业化研究，将研究成果与产业对接。”

    同时，生物催化技术在医药化工中的效用不断扩大，开发绿色、高效的高端原料药生物催化工艺具有广阔的应用和市场前景。郑裕国教授指出：“除了传统的水解酶类如脂肪酶、酯酶、蛋白酶、脱卤酶、酰化酶、酰胺酶、环氧化物水解酶等，酶催化氧化、卤代、氨基转移、C-C键耦联、C=C双键还原将是今后的新方向。”他还表示，在手性化学品的生产中生物催化合成技术也表现出极大优势，因此手性化学品生产的手性选择性新酶的开发和产业化也将成为未来开发的重点。

    生物菌剂：广谱降解协同作用

    利用微生物降解水体、大气和土壤中的有毒有害物质，不仅可有效避免化学处理法产生的二次污染，还可降低处理费用，这一颇具前景的技术被列入《生物产业发展规划》环保用生物制剂发展行动计划。身处石油化工这样一个污水产生量极大的行业，我们更关注于该行动计划中有关污水生物处理技术的研发重点，即开发用于有毒有害难降解工业废水处理、污泥减量化处理的高效菌剂。

    高效微生物菌剂在污水处理领域近年来获得长足发展，其适用范围广、效率高是业界公认的，因此在环境治理中微生物处理技术成为一项主导技术，其应用近年来也获得飞速发展。当记者在百度上输入“污水处理菌剂”关键词后，搜索出的各种微生物菌剂林林总总，有数百项之多，许多的污水处理技术都被冠以微生物菌剂的名号，显示出微生物菌剂在研发应用上的火热程度。这项看似成熟的技术为何还会列入《生物产业发展规划》？带着这个疑问记者采访了生物污水处理领域的一些专家。

    石油化工研究院从事石化污水处理的研究人员认为，目前市场上所售的用于废水处理的微生物菌剂看似很多，其门类也五花八门，但大多属于概念炒作，短期使用有一定效果，不具有长期功效，且成本过高。在他们看来，在业内广受认可的微生物菌剂产品尚没有出现，因此将其列入《规划》是非常及时和必要的。

    对于未来微生物菌剂的开发方向，这些研究人员认为，目前正在开发和使用的微生物菌剂大多是以单化合物作为降解底物，下一步在根据《规划》安排具体科研项目时应该加大力度开发能广谱降解各类化合物的微生物菌剂，重视对各种功能微生物菌种间协同作用机制的研究；在开发新型微生物菌剂的同时，还要开展微生物菌剂的使用安全评价工作。针对目前微生物菌剂使用中存在的寿命短、成本高问题，他们认为还应在微生物菌剂的流失控制、活性维持和可持续利用方面开展研究，以推进菌剂工业化生产技术的研发工作。此外，对于石化污水处理而言，更要特别注重提高微生物对于有毒物质的抗冲击能力，以此保障石化污水处理装置的正常运行。

    清华大学邢新会教授对此也持类似看法。他认为《规划》对于微生物菌剂的表述太窄、太片面。目前我国市场上菌剂种类异常繁多，杂乱无章，这其中就包括污泥减量化用菌剂。实际上，从生物工程科研人员的角度，他认为我国发展菌剂存在很多问题：比如对于菌剂的科学原理及机理不清，导致市场上菌剂乱象丛生，动辄都是菌剂，但实际上产品并不规范。此外使用菌剂还牵涉安全问题，特别是健康安全和生态安全，如果科学原理未知，产品没有标准，使用的菌剂组成未知，则难以控制其进入环境后对人身健康和环境安全带来的风险。这些都需要在《规划》具体立项时全面考虑。

    在记者对污水处理研究人员的采访中，多位受访者不约而同地提到同一个问题：即污泥的后处理技术。在他们看来，不解决这一问题，污染物只是转移到了固相污泥中，并未实现污染物真正的去除与转化，因此污泥减量化是一个非常重要的环节。《规划》也提及了这一内容，即开发污泥减量化处理的生物菌剂。一直开展污泥减量化污水处理技术研究并曾主持污泥减量化国家科技奖项目的邢新会教授对此谈了自己的看法。

    他介绍说，污水处理产生的大量剩余污泥一直是全世界面临的问题。生物技术在污水处理中得到了广泛应用，但传统生物技术工艺由于微生物的过量增殖产生的大量剩余污泥已成为污水处理技术普及的瓶颈，污泥减量化技术研发因此成为国际上的研究热点。

    具体到我国情况则是：剩余污泥的处理处置费用占污水处理厂总运行费用的20%~40%，甚至高达60%，已成为影响污水生物处理技术应用的关键。解决污泥问题的基本思路是减量、减容和减质，但不同国家不同地区的情况不同，难以用同一种模式解决污泥问题。传统的研究思路主要是着眼于如何对已产生的污泥减量化，虽然业界提出了许多工艺方法，但能够成功应用的技术十分有限。邢新会认为，国内目前尚未对污泥减量化菌剂的科学原理进行深入研究，对于此类菌剂的作用机理尚不清楚，也缺乏合适的产品标准。在这种情况下，污泥减量化处理高效菌剂的开发应当谨慎进行。

    针对我国污水分布情况，从源头上研发适于不同规模和条件的污泥减量化污水处理技术应该是最急需的。邢新会表示，前期国家“863”计划等支持的项目研发出的原位污泥减量化污水处理技术，已具备推广应用的条件，这应该也是我国生物环保产业污水处理的一个重要方向，希望《规划》在布局项目时能够对这些成熟技术有所倚重。

    生物基产品：突破产业化高成本桎梏

    使用生物基原料来取代石油化工原料，减轻人类对石油等不可再生资源的依赖性是生物产业未来发展的大趋势。“从此次生物基产品发展行动计划可以看出，加快推动生物基材料、生物基化学品的规模化发展已经被提升到国家战略层面。”北京化工大学生命科学与技术学院教授张栩在接受记者采访时说。“我国大力发展生物基产品的举措可谓未雨绸缪，一旦石油资源枯竭，生物基产品就会成为我们的救命稻草。”清华大学生命科学学院教授陈国强则是这样表示。

    但要想真正成为救命稻草，其实还有很长的路要走。生物基产品发展行动计划明确提出：2015年，生物基产品对石油化工原料的替代要取得重大进展，实现一批重要生物基产品的非粮原料生产，形成年产百万吨级生物基材料、千万吨级生物基产品的生产能力。业内专家认为，我国要想实现这些目标，必须解决成本、产业化技术等困扰生物基产品继续前行的难题。　

“我国是发酵大国，在生物基化学品领域，计划中提到的产品很多都是通过发酵获得的，生物质转化成糖，这样就可以做出更多产品。”张栩告诉记者。

    陈国强表示，生物基化学品在我国有着很好的产业基础。目前，我国氨基酸产量是世界上最大的，也最有竞争力。20种氨基酸大部分可以用发酵来制造，这样利用生物方法生产的化学品比化学法生产更具竞争力。此外，我国柠檬酸产量位居世界第一，琥珀酸、衣康酸早就开始通过微生物发酵来生产。

    “但是，我国生物基化学品在产业化上还相对落后。” 陈国强指出，比如在琥珀酸产业化的推进上就比较缓慢，国外已经开始产业化，而我国还处于研发阶段。随着国家在研发方面的投入越来越大，我国跟国外先进水平还有3~4年的差距。

    张栩也认为，我国生物基化学品与国外的最大差距在于产业化技术，国际上一些高水平生物基化学品的产业化技术来自各大公司，而我国缺乏具有核心竞争力的龙头企业，研发能力相对较弱，一些创新技术更多是停留在各大高校和科研院所。这就牵扯到进行产学研合作的问题，因此，政府在这方面应该及时跟进相应的政策。“高校一般走在产业化前面，企业只有与高校合作，才能进行真正创造性的研发。大量高级人才集中到企业，可以带来创新技术和理念。”陈国强如是说。

    另外，张栩指出，我国目前对生物质原料的利用还不够充分，比如秸秆很多还是低质化利用。如果可以达到高质化利用，就可以用来做生物基化学品、生物能源等产品。张栩表示，未来几年，我国应该推进生物炼制技术的产业化应用，建设有机酸、生物烯烃及其衍生物等生物基化学品的规模化生产线，提升氨基酸、维生素等发酵产品的国际化发展水平，提高对石油化学品的经济竞争力。

    生物基材料产业化示范提出，我国要推进生物基材料生物聚合、化学聚合等技术的发展与应用，建设聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基烷酸、生物基热熔胶、新型生物质纤维等生物塑料与生化纤维的产业化示范工程，推广应用生物基材料。

    据陈国强介绍，与其他国家相比，我国生物基材料产能最大、品种最多。其中，丁二酸丁二醇共聚物产能达到1.3万吨，淀粉基材料产能达到2万吨，同时有2万吨的1,3-丙二醇产能提供给PTT合成，二氧化碳共聚物我国加起来也有1万吨产能。浙江海正集团的聚乳酸产能达到5000吨，仅次于美国某公司。此外，我国提供了国际市场上所有的聚羟基脂肪酸酯类型，年总产能超过1.5万吨，聚羟基脂肪酸酯产业化种类和产量都处于国际领先地位。

   尽管我国已经成为生物基材料生产大国，但要完成计划中的目标，还有一段路要走。“成本是目前生物基产业发展的最大阻碍。石油价格很大程度上决定了生物基材料的市场，像我们现在做的生物基产品要比石油基产品贵2~3倍，在价格上毫无优势。”陈国强边说边从书柜中拿出自己研发的生物基产品。

    他指着这些产品给记者算了一笔账：我们以前做聚羟基脂肪酸酯，用3吨淀粉做1吨塑料，当时每吨淀粉价格在1000元以下，都加起来用5000多元可以做1吨塑料。那时候石油60多美元一桶，算下来成本价格还比较乐观。但是，现在淀粉已经涨到4000元，石油虽然也在涨，现在100多美元一桶，可并没有淀粉价格涨的快。这就使生物基材料价格上涨，无法赢得市场。

    对于如何解决生物基材料面临的成本难题，陈国强表示，一方面是我们无法把握的、未知的因素，只有希望未来石油涨价的同时，生物基产品的原料不能上涨得太多。另一方面则是我们可以改变的，也就是努力的方向，那就是增加研发投入，使技术越来越先进。比如，以前是3吨原料做1吨产品，通过技术的进步可以达到1.5吨原料做1吨的生物基产品，这样就能大大降低成本。因此，当前生物基材料的前瞻研究都是如何降低成本，让成本低到可以和石油基产品相竞争。

    生物燃料：纤维素原料能源化

    我国的生物质能源研发虽然起步较晚，但目前基本跟国外处于同一技术水平。为在国际竞争中更加主动，《生物产业发展规划》生物液体燃料产业化行动计划将总体目标定位在了实施纤维素燃料乙醇和生物柴油商业化示范工程，使其与同类化石能源产品相比具有价格竞争力。

   “纤维素类原料能源化是生物质能源总的方向，国家政策对这个方向也是持鼓励态度的。”中国林科院林产化学工业研究所所长、中国生物质能技术研究开发中心副理事长蒋剑春说。

    行动计划中提到，要加快纤维素乙醇产业化示范，推进具有国际先进水平的纤维素乙醇生产原料预处理工艺和高效低成本纤维素降解酶系的研发，建设纤维素乙醇产业化示范工程。对此，山东大学生物科学学院院长、微生物技术国家重点实验室主任曲音波教授告诉记者，在原料预处理阶段，国内大多数采用的是比较实用的蒸汽爆碎，在原料中加一点酸，用蒸汽加压到一定压力和温度后，维持一定时间，木质纤维素就可以水解。

   “很多处理技术都可以使纤维素转化率达到90%以上，国内在这方面也不存在问题。但是原料预处理是个两难的问题，水解过程中会产生一些有害的抑制物。处理轻一点，效果不够好，处理重一点，就会产生一定的抑制物，影响后面的发酵过程。”曲音波说。

    据了解，目前世界最大的6万吨/年纤维素乙醇装置是康泰斯公司在意大利建设的，正在试生产。康泰斯表示，该项目的原料预处理过程不添加任何化学品就能达到很好效果，国内一些研究机构也表示这一过程可以不加任何化学品。曲音波对此评价说，原料预处理过程不加酸也可以实现水解，关键还是一个度的把握。至于这个度是多少，由于各方都严格保密，目前并没有准确数据。

    而纤维素发酵过程的技术难点在于低成本的酶。目前全球只有诺维信一家公司宣布可以生产低成本酶制剂，但还没有一家真正工业化生产的企业来验证其效果。曲音波说，国产酶制剂是我国跟国际水平差距最明显的地方。比如使用玉米芯作原料生产乙醇、木糖、木质素等产品的龙力公司，虽然是目前国内唯一试产纤维素乙醇的企业，但使用的酶需要就地生产，且在原料适用性上也有所限制。而使用诺维信酶制剂的康泰斯项目，宣称可以使用秸秆、稻草、木薯渣等20多种农业废弃物做原料。综上所述，酶制剂是国内纤维素乙醇生产需要进一步成熟的一个技术环节。

    曲音波说，纤维素乙醇在国际上尚没有大规模商业化生产的例子。在生产规模上国内也仅有玉米芯原料做到了万吨级以上，国外秸秆原料也仅是4万~6万吨规模。他认为，目前纤维素乙醇的发展已经到了临界点，很多国家都在观望康泰斯项目能否成功。再过半年或一年，结果就将揭晓。

    在生物柴油的产业化中，行动计划提出的重点是加快大型生物质气化技术、燃气净化和组分重整技术以及生物柴油制备用催化剂的研发，推进生物质燃气合成生物柴油成套装备产业化，建设生物燃气合成生物柴油示范工程。

   “气化合成是以纤维素为原料的生物柴油制备路线，属于费托合成。”蒋剑春告诉记者，以油脂类为原料的生物柴油主要采用酯化反应，是经典的生物柴油概念。国内油脂类路线从反应角度已经没有太多研究可做了，剩下的就是工程化问题。而气化合成路线以秸秆、木屑等纤维素类为原料，跟煤气化过程差不多，经过气化、净化、组分重整、催化合成等，不仅可以生产生物柴油，还可以生产汽油。此外，直接液化工艺也是研究的方向之一。

    蒋剑春介绍说，气化合成路线最关键的是催化剂。目前国内催化研究比较突出的都是有煤化工基础的单位，如浙江大学、山西煤化所、中科院煤化所、广州能源所等，催化效率在40%~60%，但在转化率、适应性等方面还需要进一步研究。

    中国的生物柴油更多的还在研究和中试阶段，而从全球来看，费托法生物柴油同样没有产业化的项目。蒋剑春认为，以他的经验看来，中国生物质能源的发展基本同国际在同一水平展开研究，但我国的原料收集更困难，所以不光要在工程化上给以资金支持，同时也要在原料收集上给以政策扶持。
    生物农药：基因工程发掘资源优势

    生物农药因其不污染环境、对人和动植物安全、选择性强、不伤害害虫天敌、害虫难以产生抗药性而受到世界各国的高度重视，并将逐步替代化学农药。国务院近日发布的《生物产业发展规划》农用生物制品发展行动计划明确提出，到2015年，高效、安全、经济和环境友好的农药品种占总产量的50％以上，高毒、高残留品种的产量由5%降至3%以下，生物农药比例进一步提高。

   如何才能达标？进一步利用基因工程手段，充分挖掘利用我国丰富的生物资源优势，研制开发安全、高效的新一代生物农药。这是中国化工信息中心高级工程师戎志梅等业界知名人士普遍的回答。

    目前，我国在生物农药的发展方面具有一定优势，这为完善产业支撑体系奠定了基础。全国农业技术推广服务中心研究员李永平表示，生物农药来自于天然，有效成分、毒株、菌株等很多是已知的，更容易沿着一定的路径进行深入的研究。我国丰富的自然资源种类也提供了很好的研发基础。同时，生物农药的生产环境相对来说污染较小，应用生物农药也得到了社会的广泛重视和支持。

    我国是农用抗生素研究与生产的大国，在某些领域（如井冈霉素及赤霉素）处于国际领先水平。但目前在我国200多家生物农药生产企业中，除Bt、井冈霉素、阿维菌素和植物源农药苦参碱的生产企业具有一定规模外，绝大部分生物农药企业均为小型企业。

    基于这种情况，行动计划提出了“推动高品质植物免疫诱抗剂、生物杀菌剂或杀虫剂、天敌生物等生物农药产品产业化；同时构建生物农药等重要农用生物制品资源信息库，完善国家农用生物制品产业支撑体系”的方向。

    要推动生物农药产品产业化，专家表示首先要克服生物农药发展应用中的三大问题——药效慢、价格高、环境敏感性强。生物类杀虫剂中，除了少数农药品种如抗生素类杀虫剂、除虫菊素等以外，杀虫速度普遍较慢，比如病毒类制剂一般显效时间为药后5天左右，这给推广使用带来很大的阻力。同时，生物农药普遍比化学农药使用成本高。一些药剂特别是植物源农药受制于资源数量，无法以大规模生产方式来降低成本。另外，使用环境要求较高。活体生物农药受环境的影响往往较大，一些环境因素如温度、湿度、光照等均会影响使用效果，这给生物农药的药效稳定性带来影响。

    业内专家告诉记者，要达到《生物产业发展规划》目标还需要政府、业界付出更大的努力。目前国内生物农药已经得到广泛应用，诸如阿维菌素等生物杀虫剂、昆虫信息素中的性诱剂、苦参碱等植物源农药，Bt等微生物农药、天敌生物、农药抗生素以及真菌性和病毒杀虫剂也有应用，只是使用和推广面积较小。主要原因是推广理念存在问题。

    李永平认为，农业部即将修订《农药登记资料规定》，加大对生物农药的扶持力度，这是新登记政策的一个重要导向。同时，国家和各级地方政府对购买低毒生物农药的农民进行部分补贴，有些地方的补贴力度达到市场价格的50%，成为推动生物农药发展的新动力。

    记者还了解到，目前，通过先进的生物化工技术，来提升、改造和推动生物农药技术发展卓有成效。比如，对微生物来说，提高发酵水平是实现工业化的关键。利用细胞融合技术和基因工程等来提高赤霉素、灭瘟霉、井岗素霉、苏云金杆菌等的发酵单位，将其产量在不增加原料、设备的情况下加以提高。最新的分子生物学手段越来越多地被应用到生物农药研究开发中去，已有Conder、MVP等10余种Bt工程菌制剂投入了工业应用。专家表示，应用这些先进技术手段，再加上国家的政策、资金支持，生物农药会为农业发展再添助力。

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