据麦肯锡McKinsey统计，生物制造的产品可以覆盖70%化学制造的产品，并在继续拓展边界。全球合成生物学领域有望快速成长，预计到2025年，合成生物学与生物制造的经济影响将达到1000亿美元。

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合成生物制造与化学合成的区别

化学合成是以得到一种或多种产物为目的而进行的一系列化学反应，并不必须有生物体参与反应过程，可以在无机物和非生物的有机物中进行，反应过程会产生较多污染物，释放大量二氧化碳等有害物质。
合成生物制造通过利用糖、淀粉、纤维素以及二氧化碳等可再生碳资源进行有机化合物的生产，反应过程具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影响。

合成生物学在绿色化工中有着广泛应用。不同于传统微生物发酵生产模式，化学品的绿色制造并非依赖于对产物天然合成菌株进行优化，而是重新合成全新的人工生物体系，将原料以较高的速率最大限度地转化为产物。整个生产链条可分为原料的利用、底盘细胞的选择和优化以及产品的生产三个部分。

合成生物制造可以用来生产大宗产品、可再生化学品与聚合材料、精细与医药化学品以及农产品等产品。同时，天然产物结构复杂，利用化学合成途径繁琐，得率低、能耗高、 污染重，难以实现环境友好的规模化生产。因此，借助合成生物学，构建合理的合成途径及菌种为化工品和天然产物的产业长久发展提供了新的思路。

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合成生物学+能源化工=？

1、助力化工原料生产，生物基产品产业化

基于微生物细胞工厂的高效构建，众多生物基产品已成功实现产业化。理论上，所有的有机化学品理论上都可以通过合成生物制造来生产。目前，包括生物基丁二酸、长链二元酸、乙醇、1,4-丁二醇、异丁醇、1,3-丙二醇、异丁烯、L-丙氨酸、戊二胺、青蒿素等在内的众多合成生物化学品已经成功实现产业化。随着合成生物学的进一步发展，以及与人工智能、大数据等新技术的融合加深，未来更多的生物基产品有望通过合成生物法生产，从而促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。

2、开发新型材料

基于合成生物学的生物制造具有较大的新材料创新潜力。石化行业新材料的发现和落地集中在20世纪90年代之前，近三十年来石化行业仅落地了聚乳酸这一种新材料，石化新材料的创新滞后于医药、化工、消费品、农业等下游行业的需要。

基于合成生物学的生物制造为分子材料的创新需求带来了新的机遇：生物材料的单体种类繁多，且存在不同的二级折叠结构，多样性远超于石油化工，天然生物中有超过300万种的新分子和新材料尚待发掘应；此外，借助合成生物学的工具，人们可以对生物系统进行有目标的理性设计，有助于人们利用生物创造新材料。

例如，利用微生物产生高分子量的肌联蛋白，并将其纺织成纤维，其某些力学性能超过了大部分人工合成材料、天然材料以及微生物材料。例如，在大肠杆菌里合成了蛛丝蛋白，经过纺丝之后的力学性能几乎和天然的蛛丝蛋白是一样的。例如，通过化工方法无法合成的高分子肌动蛋白材料，利用合成生物学技术，让细胞把肌动蛋白单体合成出来，先保证基因的稳定性和合成的通量，然后筛选了一种蛋白质，对其改造后，能够在细胞内对单体分子进行聚合，形成高分子的肌动蛋白材料。

3、改进现有工业酶工艺

传统发酵工艺通常带有制造和贮存过程工艺复杂、发酵产物不稳定、生产周期长、产品 风味多受环境影响较难控制等问题。

基于合成生物学的酶催化技术，赋能医药化工、植保产品、营养健康、诊断试剂等领域，变革生产方式。与传统发酵工艺同属于微生物法合成法，酶法又称酶催化法，是借助酶蛋白的催化将原料转化为产品的一种技术方法。

例如。以酶法合成法生产L-色氨酸为例，该工艺是一种工业化中常用的成本较低的生产方法，其利用微生物中L-色氨酸生物合成酶系的催化功能生产L-色氨酸。相比传统发酵工艺，酶法具有产品收率高、纯度高、副产物少、精致操作简单的优点。

4、生物质产品替代化石资源

生物质替代化石资源生产人类必须的燃料和材料，可显著降低二氧化碳排放。利用淀粉、葡萄糖、纤维素等可再生生物资源生产得到生物基材料，大大降低了工业过程的能耗、物耗，从而减少二氧化碳排放，彰显出优秀的减排能力。据Kefeng Huang等在《Greenhouse Gas Emission Mitigation Potential of Chemicals Produced from Biomass》论文统计，除低转化率（25%）的生物甲醇外，所有生物基材料的单位温室气体排放量都低于石化材料。在保守的假设（即25%的转化率和高分离能耗）下，生物基材料温室气体减排量最高为88%；在乐观的假设（即75%的转换率和低分离能耗）下，减排量最高可达94%。当前，美国生物基材料替代石化材料的空间约0.92亿吨/年，若实现完全替代则温室气体总减排量高达2.9亿吨/年。

第三代生物合成直接利用CO2生产燃料与化学品。合成生物技术历经三代革新，第一代主要以植物油、废弃食用油等为原料来合成生物燃料；第二代原料发展为非粮食类生物质，包括谷物秸秆、甘蔗渣等；第三代以大气中的CO2为原料进行微生物利用，生产燃料与化学品。目前，第三代生物合成已经取得了初步进展，已诞生成功应用并在商业化模式下进行运转的实例，例如LanzaTech公司与宝钢集团合作建立的利用钢厂废气CO、CO2等气体进行生物乙醇的生产。未来，随着CO2固定以及光能、电能能量捕获技术的发展，第三代生物合成有望成为二氧化碳减排的主要途径之一。

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合成生物学用于化工领域的优势

1、原材料可再生，是符合碳中和理念的生产方式

不同于以原油、煤炭等化石能源为原材料的传统化学合成法，合成生物学通常以糖类、纤维素、脂肪等生物质为原材料，生物质通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，并在最终产品被消耗后以二氧化碳的形式回归大气，再次通过光合作用重新参与到生物质的再生与循环中，实现了碳元素的闭环循环。在碳中和、碳达峰背景下，考虑到化石能源的不可再生性，绿色低碳、以可再生生物质为原材料的合成生物制造对人类可持续发展具有重要战略意义。

2、反应条件温和，节能减排

合成生物制造通过酶催化或细胞发酵来生产产品，条件温和，无需贵金属催化剂、高温高压等反应条件，进而减少反应所需能耗；以1,3-丙二醇的合成为例，传统化工合成需要涉及到高温高压环节，而使用生物发酵法，在常温常压条件下反应，可减少近40%的能耗。据中科院天津工业生物技术研究所统计，和石化路线相比，目前生物制造产品平均节能减排 30％-50％，未来潜力将达到50％-70％。

3、已具备成本优势

目前，部分利用合成生物学大规模生产的化学品已达到低于石油基路线的生产成本；例如利用合成生物学改造的大肠杆菌，使用发酵法制备1,4-丁二酸，与石化路线相比成本下降近20%。

4、具备有更高的选择性和效率

传统化学合成在复杂分子制造通常面临化学选择性的问题，存在路线长、效率低、杂质多等问题，而合成生物学技术在生产复杂分子方面具有显著优势，可通过构建高性能酶或设计底盘细胞内的代谢通路直接获得目标产物，简化了工艺步骤，具有更高的选择性和效率。

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生物基化学品与材料产业现状与应用趋势如何？

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