走知识型生物经济道路
——欧盟提出生物技术2030年发展设想
□中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
    所谓“以知识为基础的生物经济”（Knowledge-Based Bio-Economy，KBBE）的定义是“将生命科学知识转变
为新型、可持续化、具有生态效益和竞争力的产品”。欧盟委员会邀请科学界和产业界知名专家共同研究KBBE未
来20年的发展设想。2007年1～3月，专家们分成6组召开一系列研讨会，分别探讨了6个方面问题：①框架结
构；②食品；③生物材料和生物工艺；④生物能源；⑤生物医学；⑥新概念和新兴技术。并于同年5月30日在
德国科隆召开了题为“走向以知识为基础的生物经济的大道上”（In Route to the Knowledge-Based Bio-Economy）
大会，会后发表了《科隆报告》（Cologne Paper）。现将该报告中与化工有关的内容摘出：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　关注KBBE发展推动力
    全球对食物、原材料和燃料可持续性供应的需求不断增长是KBBE的主要推动力，而气候变化则是KBBE面临
的最具挑战性的问题之一，它要求能有效地降低温室气体排放，将化石燃料转换为可再生资源。目前政策性建设
正在支持相关的技术开发，要求限制CO2排放的法规也已经在能源密集的工业部门中出台，并有望逐步扩展到其
他经济领域。在未来10年内，能源需求会不断增加，而能源信息量则在减少，挑战日益严峻；经营运输的能源
效率不断改进，但运输燃料需求仍在增加。因此，生产率很高的欧洲农业和工业部门都要求工业化生物能源计划
能抓住发展机遇，发展具有工业价值的农作物（Industrial Crops）新市场。
　　生物技术已经成为并将继续是一种国际性工业。涉及生物技术的各个部门不断向全球化发展，发展中国家将
从新疫苗和诊断药方面获利，绿色生物技术将保持高速发展。欧洲的农业生物技术部门将面临来自新兴工业国家
（如巴西、印度和中国）的强劲竞争，同时也需要强化与新兴工业国家的合作。在未来20年内，欧洲与美国研
究部门及公司的合作仍具有很高的价值，但是针对新兴市场事业机遇的不断增长，应当给予其开发并制定相应的
战略。欧洲要采取恰当措施、有效配置资源、集中力量迎头赶上，并在KBBE道路上争取领先地位。
　　　　　　　　　　　　　　　　　植物培植和工业生物技术相结合
　　植物培植和工业生物技术相结合将是2030年KBBE的基础。化学品和材料生产的1/3将来自生物资源和先进
的生物催化工艺，包括生物燃料在内的收益约为3000亿欧元，从工业生物技术生产的小分子可望得到大幅度增
长。工业生物技术将对工业各个部门做出贡献，它所提供的生物材料包括新型生物聚合物和生物塑料，可作结构
材料应用于工程方面，例如丰田汽车2003年就开始生产自用生物塑料，预计2030年可生产生物降解塑料2000
万t，价值400亿美元（原文如此）。淀粉和糖仍然是关键性基质，木质素纤维素的有效生物催化降解将成为2020
年的基本技术并会提高可用原料的数量。
　　强有力的工程手段会在未来有所发展（如系统生物技术、合成生物学）。生物炼厂将提供新的增值的精细化
学品，把生物质转变成能源或基础化学原料，同时仅产生很少的废料，其无机组分可以作为肥料回收利用。无废
料的生物炼厂所需的工艺技术将在2020年获得应用，届时至少会达到半工业化的示范工厂水平。
　　新型高技术植物的应用也将推动该领域的发展，经过专门设计后植物产率提高，并具有适合工业加工的性能。
这类现代化的植物可使用生物合成方法生产专用化学品、中间体和较为复杂的手性分子。为工业应用的基因改性
高技术植物将成为欧洲农业的主要作物，这类“工业性植物”可以从传统的农作物（如玉米）或从专门的非食品
作物（如与食用作物共生的杂草）中取得。对全球农业来说，可耕地和水的供应是其限制因素，因此对低产耐干
旱和抗病植物将分区实行轮种制，这需要深入了解植物代谢网络管理和植物环境作用，同时还需要基因工程的新
型培植方法和有力的手段及工具。
　　KBBE能保持欧洲的生产工业，成熟的经济将各种公司沿着价值链进行联合，其中多数将依靠化学与生物技术
工艺的结合。目前欧洲在关键生物技术部门中居世界领先地位（如工业酶的生产），欧洲不能丧失此地位
　　　　　　　　　　　　　　　　　　实现生物能源的可持续性
　　要建立KBBE的生物能源支柱，可持续性是一个明确的目标：更为安全的能源供应，尽力控制温室气体排放，
减少生产中的废料以及在生态系统中实现节约。所有这些目标都需要在成本合理的条件下取得。
　　气候变化问题的早期工作主要是以成本合理战略来考虑，生物技术被认为是可以提供恰当的具有高价值的手
段来应对此挑战。由生物质生产的生物能源（包括生物热、生物发电和生物燃料）将成为未来能源的主要部分，
除此之外，要降低消耗、提高能源效率、开发其他可再生能源以及捕集和贮存CO2的新技术。生物能源的生产并
不总是应用生物技术，它其实是将绿色和白色生物技术、农业生产、转换技术及材料科学等研究开发集成综合的
典型事例，如将生物质转变为液体（BTL）的热化学工艺就需要用气化和催化工艺从生物质制取生物合成燃料及
化学品。
　　生物能源有明确的范围：液态燃料领域是指将生物质转换成可燃化学品（如乙烯、丁醇和生物柴油）；其他
一次能源（如热、电等）领域是将生物质直接用作燃料取得热能或是电能，其手段主要为燃烧或气化。当前，生
成热能的方式在生物质制生物能源领域内占有最大份额，而发电和生产燃料手段正在发展，并已成为未来的发展
战略。最近研究（欧盟生物质行动计划）预测生物气体的市场份额将增长，这一市场可以通过现存的天然气管线
网进行分销，但尚须加大投资建设基础设施——生物气体灌注站。
　　从理论上说，只要利用地球5%的土地及1%的阳光就能够满足世界总的能源需求。对于通常的植物，欧洲每
年每公顷所生产的20～30t干作物量（odt/ha）已是一个极限，而在阳光和气候条件良好的热带地区收获率可高
达50 odt/ha。
　　据IEA预测，当前全球运输燃料市场中生物燃料份额约为1%，至2030年可能提高到7%，甚至更高一些。最
近欧盟同意了2020年生物燃料将占10%的目标，而到2030年由当地资源生产可能达到30%，其中包括再次发生
的生物燃料（如生物气体、以木质素纤维素制乙醇等），这些燃料将在2030年前实现工业化。
　　新型农作物的开发和整个植物的综合利用是所有基于生物技术的解决方案的关键。2030年贮存更多能量的能
源作物（以GJ/ha计）可被完全利用，这主要是依靠先进的培植技术（包括基因工程），适应不同地区条件的各
种能源农作物也提高了生物质的产量（主要由于延长了营养成分的吸收）。有些地区视为杂草的植物也可以被种
植和改进，使生物质的年产量超过30 odt/ha。由于改进培植方法，可使农业用化学品的需求减少，营养成分吸
收效率的提高也可以减少肥料用量，
　　最近食用和纤维作物也被用作能源原料。到2020年，木质素纤维生物质用酶水解进行转化可成为提供大量
原料的技术，这将避免生物能源原料与粮食的竞争。杂草和木材加工残碎料及蔬菜种植中的杂草可以通过恰当的
酶工艺成为原料，但是短期转种木本生物质作物也可作为一种补充性市场。欧洲森林工业将提供大量的木质素纤
维生物质，从而成为生物能源的主要供应部门。为了保持竞争性，林业必须要应用基因工程，开发基因改性树木，
以提高原材料的有效供应。
　　美国已对用木质素纤维作原料制乙醇的生产进行了大量投资。今后几年，美国能源部将投资3.85亿美元建
立6座近于工业化规模的生物炼制中试装置，如果全部开发应用，乙醇的生产能力可达5×108 L/a，加上产业部
门的份额，总投资将超过12亿美元。
　　新技术正在不断地被开发，BTL技术的最新成果是每吨生物合成燃料消耗2.2～6.0t生物质原料，相应的耗
能约为原料中贮存能量的64%～45%，比矿物燃料的CO2排放降低91%。但是大量生物质的连续供应也是一项挑战，
必须有先进的后勤供应手段，特别是生物质生产数量不足的地区问题更为严重。此外还有一些有助发展的机遇，
如运输燃料中植物油的份额年均增长2%，一旦BTL技术工业化后，可使之达到每年20%的增长速度。BTL技术可
用大多数生物质作原料，木材生物质最为有效而且在后勤方面具有优势。短期轮种木本作物可以每3～10年收获
一次，而收获后根部又重新生长，现在已应用的树种产量每年每公顷为10～20 odt，若在热带条件下可达30
odt/ha。
　　丁醇发酵、甘油生产等其他技术路线都是具有竞争性的生物燃料，到2030年从工程化藻类生产肽和氢可能
在欧洲多阳光地区取得成功。同时，基于纳米技术和卟啉化学仿生人造系统可能实现人工光合作用以提供氢和电
力。