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北国咨观点

合成生物合辑 | 第五期:合成生物学在材料领域的典型应用——生物基材料

发布日期:2024-06-03

来源:5123五湖四取四海红一世

生物基材料是指利用生物质为原料或(和)经由生物制造得到的材料,包括由上述方式得到的生物醇、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品和糖工程产品,也包括生物基聚合物、生物基塑料、生物基化学纤维、生物基橡胶、生物基涂料、生物基复合材料及各类生物基材料制得的制品等,广泛应用于医疗、电子、纺织、包装、食品等领域。随着生命科学基础研究不断取得创新性突破和合成生物等生物技术加速演进,生物基材料已成为引领当代世界科技创新和循环低碳经济发展的又一新兴产业,产品种类速增、经济性显著增强,国内已形成以聚乳酸(PLA)、聚酰胺(PA)率先产业化、聚羟基脂肪酸酯(PHA)等多种生物基材料快速发展的格局。据经合组织(OECD)预计,到2030年,全球大约有35%的化学品和其他工业产品来自生物制造,生物基材料迎来历史性发展机遇。


图片来源:根据公开资料整理,北国咨绘制
图1 生物基材料典型产品

一、生物基材料的特征优势及产业生态

(一)特征优势

与传统石油基材料相比,生物基材料具有环境友好、绿色低碳、资源节约等优势特点。环境友好体现在可降解、低污染。生物基材料生产过程清洁、污染物排放少,产品可在自然环境中或工业堆肥条件下生物降解,大幅降低环境污染,尤其是塑料污染。绿色低碳体现在低能耗、低排放。研究数据表明,基于玉米等生物质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%,同时在其整个生命周期内都能显著降低碳排放,减缓气候变化。资源节约体现在可再生、可持续。生物基材料的原料来源于植物和微生物等可再生的生物质,与化石原料相比具有可持续利用的巨大优势。

(二)产业生态

生物基材料已形成涵盖“原料-单体-材料产品-终端应用”的新型材料产业链。原料层主要涉及生物质资源的收集、加工与转化,生成植物油、木质素、纤维素、淀粉、多糖等原料。单体层重点是将上游原料经过生物合成、生物加工、生物炼制过程获得生物醇、有机酸等生物基单体,以及乳酸、丁二酸等生物基平台化合物,为生物基材料产品制备提供基础。产品层重点是通过聚合反应和加工过程生产的各种生物基材料,如生物基塑料、生物基纤维、生物基橡胶等。终端应用层则是生物基材料产品的应用场景,涉及医疗、电子汽车、食品包装、餐饮等多个领域。


图片来源:根据公开资料整理,北国咨绘制
图2 生物基材料产业链

二、合成生物学在生物基材料的应用价值

(一)为非粮原料高效开发利用提供技术支持

为根本上解决能源与环境困境,避免“与人争粮”,实现可持续发展,非粮生物质(农作物秸秆、玉米芯、工业尾气等)的高效利用成为研究热点。当前其开发利用过程中存在着破解纤维素糖化困难、分离纯化成本高等难题,通过高效催化酶培育、底盘细胞改造、工程菌选育、酶蛋白元件制备等合成生物技术,可加快提高非粮生物质原料的开发利用效能。目前,秸秆纤维素、合成气等原料的开发相对成熟、步入商业化验证,大部分新型碳源尚处实验室或小试阶段。如,BASF(德国)以蓖麻油为原料的生物基PA11已用于马自达汽车关键零部件;凯赛生物(上海)秸秆制乳酸项目的发酵工艺已经得到验证;合曜生物(南京)自主开发的特色“中国红酵母”可显著增强纤维素水解液利用能力,已应用于抗衰化妆品原料等。

(二)可显著推动生物基单体制备节流降本

合成生物制造可颠覆传统化工合成的生产模式,重新合成全新的人工生物体系,以优化后的菌种、细胞、酶为制造工厂,用一步生物发酵替代多步的化工合成,实现规模化获取可再生化学品、聚合材料等目标产物,助力生产过程大大简化、时间及生产成本极大降低、原料耗材大幅减少。如,利用改造的大肠杆菌,使用发酵法制备L-丙氨酸,比石化路线成本降低70%、能耗降低60%。

(三)用于提高生物制造目标产物的性能和产量

通过精确定向改造工程菌,调控代谢途径和基因表达,最大程度地集中细胞资源表达目标产物,增强其对底物的利用能力,实现对产物性能的精准控制,从而提升生成目标产物效能。如,华盛顿大学张福中团队利用合成生物学在微生物活体细胞内合成肌联蛋白高性能纤维,扭转了化工合成聚合物性能不佳、生物提取成本高昂且转化极难的局面,在医学工程、防弹材料、航空航天等领域应用前景良好。

三、总结

生物基新材料是当前世界新材料领域重要关注的发展方向,也是我国“十四五”时期生物经济产业发展的重点任务。当前正处于从科研走向产业化应用的关键时期,但在其研发、规模化生产过程中,还存在高性能蛋白材料定向进化控制难、目标产物产率不稳定、裂解纯化工艺繁琐和纯化成本高等诸多技术难点与挑战,短期内还难以撼动石油基产品的主导地位。从长远来看,利用合成生物学实现传统产品替代和创新产品开发已成为共识,为加速推进生物基材料的产业技术创新和市场化开拓,提出如下建议。

推进原创性、引领性攻关

重点聚焦非粮生物质糖化、目标产物提纯、合成路径开发等开展关键技术攻关,提高生物基材料生产效率,降低综合能耗和生产成本,夯实生物基材料替代的经济技术基础。

持续引领传统产业转型升级

推进生物基材料工业化生产技术、产物分离提纯浓缩等技术和工艺放大及应用示范。鼓励相关传统化工生产产业的重点企业,开展技术升级与产业转型,提升产业附加值,降低产业能耗。

拓宽生物基材料应用场景

坚持需求牵引与技术推动相结合,支持生物基材料企业与生物医药、轻工纺织、塑料制品等终端应用企业搭建全链条合作平台,通过绿色消费示范等方式加快推动对现有化石基材料的替代或有效补充。

参考文献:

[1] 罗阿华.生物基材料产业迎政策利好[J].中国石油和化工, 2023(2):30-32.

[2] 微生物合成超大分子量肌联蛋白高性能纤维[EB/OL].(2021-09-08)[2024-05-30].

https://www.x-mol.com/news/694900.

[3] 合成生物学|当化工“牵手”合成生物学,会是怎样的一场双赢?[EB/OL].

(2024-04-14)[2024-05-30].https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzMjY0ODI3Mg==&mid=2247505808&idx=3&sn=8e7bf762bfe75cd19fac054706789452&chksm=e8932cafdfe4a5b9287ff496991b84dd30ad644126e83a20f117225b2848124402762a5088ac&scene=27.

[4] BCG,B Capital.中国合成生物学产业白皮书2024[R/OL].(2024-04-24)

[2024-05-30].https://www.bcg.com/publications/2024/china-synthetic-biology-whitepaper.

作 者

谢亚楠,长期关注研究生物经济领域

梁雨,长期关注研究生物经济领域 

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