生物基材料是指利用生物質為原料或（和）經由生物制造得到的材料，包括由上述方式得到的生物醇、有機酸、烷烴、烯烴等基礎生物基化學品和糖工程產品，也包括生物基聚合物、生物基塑料、生物基化學纖維、生物基橡膠、生物基涂料、生物基復合材料及各類生物基材料制得的制品等，廣泛應用于醫療、電子、紡織、包裝、食品等領域。隨著生命科學基礎研究不斷取得創新性突破和合成生物等生物技術加速演進，生物基材料已成為引領當代世界科技創新和循環低碳經濟發展的又一新興產業，產品種類速增、經濟性顯著增強，國內已形成以聚乳酸（PLA）、聚酰胺（PA）率先產業化、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等多種生物基材料快速發展的格局。據經合組織（OECD）預計，到2030年，全球大約有35%的化學品和其他工業產品來自生物制造，生物基材料迎來歷史性發展機遇。
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圖1 生物基材料典型產品
一、生物基材料的特征優勢及產業生態
（一）特征優勢
與傳統石油基材料相比，生物基材料具有環境友好、綠色低碳、資源節約等優勢特點。環境友好體現在可降解、低污染。生物基材料生產過程清潔、污染物排放少，產品可在自然環境中或工業堆肥條件下生物降解，大幅降低環境污染，尤其是塑料污染。綠色低碳體現在低能耗、低排放。研究數據表明，基于玉米等生物質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%，同時在其整個生命周期內都能顯著降低碳排放，減緩氣候變化。資源節約體現在可再生、可持續。生物基材料的原料來源于植物和微生物等可再生的生物質，與化石原料相比具有可持續利用的巨大優勢。
（二）產業生態
生物基材料已形成涵蓋“原料-單體-材料產品-終端應用”的新型材料產業鏈。原料層主要涉及生物質資源的收集、加工與轉化，生成植物油、木質素、纖維素、淀粉、多糖等原料。單體層重點是將上游原料經過生物合成、生物加工、生物煉制過程獲得生物醇、有機酸等生物基單體，以及乳酸、丁二酸等生物基平臺化合物，為生物基材料產品制備提供基礎。產品層重點是通過聚合反應和加工過程生產的各種生物基材料，如生物基塑料、生物基纖維、生物基橡膠等。終端應用層則是生物基材料產品的應用場景，涉及醫療、電子汽車、食品包裝、餐飲等多個領域。
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圖2 生物基材料產業鏈
二、合成生物學在生物基材料的應用價值
（一）為非糧原料高效開發利用提供技術支持
為根本上解決能源與環境困境，避免“與人爭糧”，實現可持續發展，非糧生物質（農作物秸稈、玉米芯、工業尾氣等）的高效利用成為研究熱點。當前其開發利用過程中存在著破解纖維素糖化困難、分離純化成本高等難題，通過高效催化酶培育、底盤細胞改造、工程菌選育、酶蛋白元件制備等合成生物技術，可加快提高非糧生物質原料的開發利用效能。目前，秸稈纖維素、合成氣等原料的開發相對成熟、步入商業化驗證，大部分新型碳源尚處實驗室或小試階段。如，BASF（德國）以蓖麻油為原料的生物基PA11已用于馬自達汽車關鍵零部件；凱賽生物（上海）秸稈制乳酸項目的發酵工藝已經得到驗證；合曜生物（南京）自主開發的特色“中國紅酵母”可顯著增強纖維素水解液利用能力，已應用于抗衰化妝品原料等。
（二）可顯著推動生物基單體制備節流降本
合成生物制造可顛覆傳統化工合成的生產模式，重新合成全新的人工生物體系，以優化后的菌種、細胞、酶為制造工廠，用一步生物發酵替代多步的化工合成，實現規模化獲取可再生化學品、聚合材料等目標產物，助力生產過程大大簡化、時間及生產成本極大降低、原料耗材大幅減少。如，利用改造的大腸桿菌，使用發酵法制備L-丙氨酸，比石化路線成本降低70%、能耗降低60%。
（三）用于提高生物制造目標產物的性能和產量
通過精確定向改造工程菌，調控代謝途徑和基因表達，最大程度地集中細胞資源表達目標產物，增強其對底物的利用能力，實現對產物性能的精準控制，從而提升生成目標產物效能。如，華盛頓大學張福中團隊利用合成生物學在微生物活體細胞內合成肌聯蛋白高性能纖維，扭轉了化工合成聚合物性能不佳、生物提取成本高昂且轉化極難的局面，在醫學工程、防彈材料、航空航天等領域應用前景良好。
三、總結
生物基新材料是當前世界新材料領域重要關注的發展方向，也是我國“十四五”時期生物經濟產業發展的重點任務。當前正處于從科研走向產業化應用的關鍵時期，但在其研發、規模化生產過程中，還存在高性能蛋白材料定向進化控制難、目標產物產率不穩定、裂解純化工藝繁瑣和純化成本高等諸多技術難點與挑戰，短期內還難以撼動石油基產品的主導地位。從長遠來看，利用合成生物學實現傳統產品替代和創新產品開發已成為共識，為加速推進生物基材料的產業技術創新和市場化開拓，提出如下建議。
推進原創性、引領性攻關
重點聚焦非糧生物質糖化、目標產物提純、合成路徑開發等開展關鍵技術攻關，提高生物基材料生產效率，降低綜合能耗和生產成本，夯實生物基材料替代的經濟技術基礎。
持續引領傳統產業轉型升級
推進生物基材料工業化生產技術、產物分離提純濃縮等技術和工藝放大及應用示范。鼓勵相關傳統化工生產產業的重點企業，開展技術升級與產業轉型，提升產業附加值，降低產業能耗。
拓寬生物基材料應用場景
堅持需求牽引與技術推動相結合，支持生物基材料企業與生物醫藥、輕工紡織、塑料制品等終端應用企業搭建全鏈條合作平臺，通過綠色消費示范等方式加快推動對現有化石基材料的替代或有效補充。
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作 者
謝亞楠，長期關注研究生物經濟領域
梁雨，長期關注研究生物經濟領域
