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生物制造技术替代传统化学工艺的碳减排潜力研究1

生物制造技术替代传统化学工艺的碳减排潜力研究

摘要

本研究系统探讨了生物制造技术替代传统化学工艺在碳减排方面的潜力与实施路

径。通过构建全生命周期评价模型，对比分析了典型化工产品在生物制造与传统工艺

下的碳排放差异，结果表明生物制造技术可降低30%70%的碳排放量。研究采用多学

科交叉方法，结合代谢工程、合成生物学和过程优化技术，提出了生物制造工艺替代传

统工艺的技术路线图。基于对政策环境、市场机制和技术成熟度的综合评估，本研究制

定了分阶段实施方案，并预测了到2030年生物制造技术对化工行业碳减排的贡献潜力

可达15%20%。研究还识别了技术转化过程中的关键风险因素，并提出了相应的保障措

施，为行业绿色转型提供科学依据和决策参考。

引言与背景

1.1研究背景与意义

全球气候变化已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一，工业生产作为碳排放的

主要来源，其绿色转型迫在眉睫。根据国际能源署(IEA)数据，工业部门占全球能源相

关二氧化碳排放量的24%，其中化学工业又是工业领域中的排放大户。传统化学工艺

通常依赖高温高压反应条件和化石原料，不仅能耗高，而且产生大量温室气体。生物制

造技术利用可再生生物质为原料，通过微生物或酶催化进行物质转化，具有反应条件温

和、原料可再生、环境友好等优势，被视为化工行业实现碳中和目标的关键路径之一。

中国作为全球最大的化工生产国，化工行业碳排放量约占全国总排放量的13%。在”

双碳”目标下，探索生物制造技术替代传统化学工艺的碳减排潜力具有重要的战略意义。

本研究旨在系统评估生物制造技术的碳减排效果，分析其技术经济可行性，为行业低碳

转型提供科学依据。通过量化分析生物制造技术对化工行业碳减排的贡献，可以为国家

制定相关产业政策提供参考，同时引导企业投资方向，加速绿色技术创新与应用。

1.2国内外研究现状

国外对生物制造技术的研究起步较早，美国、欧盟等发达国家和地区已将其列为

战略性新兴产业。美国能源部发布的《生物制造路线图》指出，到2030年生物制造

可替代25%的石化产品，减少50%的温室气体排放。欧盟”地平线2020”计划资助了

多个生物制造项目，重点开发高效生物催化剂和工艺优化技术。学术界方面，Nature

Communications等期刊发表了多篇关于生物制造碳足迹的研究，证实了生物工艺在多

个产品领域的减排优势。

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国内研究虽起步较晚，但发展迅速。中国科学院天津工业生物技术研究所等机构在

生物制造领域取得了一系列突破性进展。国家发改委、工信部等部门联合发布的《“十

四五”生物经济发展规划》明确提出要推动生物制造替代传统化工工艺。然而，现有研

究多聚焦于单一产品或技术的碳减排评估，缺乏系统性的行业层面分析，且对技术转化

过程中的经济性和实施路径研究不足。本研究将填补这些空白，为生物制造技术的规模

化应用提供全面评估。

1.3研究目标与内容

本研究的主要目标是科学评估生物制造技术替代传统化学工艺的碳减排潜力，并提

出切实可行的实施路径。具体包括：(1)构建化工产品全生命周期碳排放评价模型；(2)

量化分析典型产品生物制造工艺的减排效果；(3)识别技术转化过程中的关键障碍；(4)

制定分阶段实施方案；(5)评估经济和社会效益。

研究内容涵盖技术、经济和政策三个维度。技术层面重点分析生物催化剂设计、代

谢途径优化和工艺放大等关键技术；经济层面评估投资成本、运营成本和盈利模式；政

策层面研究现有支持政策的有效性及改进建议。通过多学科交叉研究，为生物制造技术

的推广应用提供系统解决方案。

政策与行业环境分析

2.1国家政策环境

中国已将生物制造列为战略性新兴产业，出台了一系列支持政策。《“十四五”生物

经济发展规划》明确提出要推动生物制造在化工、材料等领域的应用，到2025年形成

若干具有国际竞争力的生物制造产业集群。国家发改委发布的《关于推动石化化工行业

高质量发展的指导意见》要求加快绿色低碳转型，推广生物制造等绿色工艺。生态环境

部印发的《碳排放权交易管理办法(试行)》将化工行业纳入碳市场，为生物制造技术提

供了经济激励。

地方政府也