2024-06-03 14:38:47 作者：金祖發

某公司生物實驗室

生物制造是一種以工業生物技術為核心的先進生產方式，具有原料可再生、過程清潔高效等特征，有助于推動經濟的綠色低碳發展。2022年5月10日，國家發展改革委印發的《“十四五”生物經濟發展規劃》，首次提出“生物經濟”概念。之后，我國也把生物制造列入現代化產業體系建設，并作為重點發展的戰略性新興產業和提升新質生產力的重要手段之一。今年的《政府工作報告》在部署2024年政府工作任務時指出，加快發展新質生產力，積極打造生物制造等新增長引擎。這是“生物制造”首次被寫入《政府工作報告》。

從實驗室中走出來的生物制造

提到生物制造，很多人會覺得陌生，但是在生活中我們已經廣泛接觸過生物制造的產品，如乙肝疫苗、胰島素、玻尿酸、膠原蛋白、燃料乙醇，等等，都是利用生物制造技術生產出來的產品。

此外，工業尾氣變身魚飼料，地溝油成了飛機燃料，秸稈做成了薄膜……這些聽起來像變魔術一樣的事，如今卻在真實發生，而讓這一切成為可能的“魔術師”，就是生物制造技術。

賽迪研究院黨委書記、副院長劉文強

何為生物制造？中國工程院院士鄭裕國給出這樣的解釋——這是一種利用生物組織或生物體等進行物質加工，從而生產各種人類所需產品的先進的物質轉化工業模式。不同于以化石資源為原料的傳統工業制造，生物制造所使用的生產材料基本上是可持續再生的原料，生產的產品也可降解可回收，整個生產過程更加綠色低碳。《“十四五”生物經濟發展規劃》明確提出“依托生物制造技術，實現化工原料和過程的生物技術替代，發展高性能生物環保材料和生物制劑，推動化工、醫藥、材料、輕工等重要工業產品制造與生物技術深度融合，向綠色低碳、無毒低毒、可持續發展模式轉型”。可以說，大力發展生物制造產業，已成為我國加快構建綠色低碳循環經濟體系的一個重要方向。

工業和信息化部賽迪研究院黨委書記、副院長劉文強表示，生物技術和生物制造的歷史已有數十年。從20世紀50年代發現DNA雙螺旋結構和中心法則，到90年代啟動人類基因組計劃，再到本世紀生物體系的工業化和合成生物學，三次生物技術革命將生命系統的研究提升到“可預測、可再造、可調控”的新高度。現在，生物技術和人工智能、自動化、大數據等不斷加速融合，實現生物可編程和新一代生物智能制造技術，將會展現出巨大能量。

有分析認為，未來，生物制造技術的原料將不再局限于生物質。生物制造技術第一代是用糖，第二代是用纖維素，第三代是用二氧化碳，目前已經用二氧化碳制造出了淀粉。未來利用二氧化碳等低碳化合物，通過途徑設計及優化、標準化模塊、基因編輯及合成、蛋白質/酶工程，用“分子機器”在“細胞工廠”里可以生產出很多產品，包括醫藥、農業、食品、化工、材料等。簡單來說，生物制造就是讓一個個細胞成為“超級工廠”，源源不斷地生產特定的物質，從而為人類打開了“一切皆可造”的想象空間。

生物制造綠色工藝和創新產品對化學品、材料、醫藥、營養保健、農業、環境、食品等很多行業都具有很強的滲透性、輻射性，以及綠色轉型提升作用。如用生物法合成材料，利用生物質或者二氧化碳合成單體，與后續的化工過程可以完全對接。

清華大學合成與系統生物學中心主任陳國強教授認為，生物制造是生物基礎研究、分子改造技術和工業制造技術的結合。“生物制造產業迎來了重要的發展機遇，下一代工業生物技術的產業應用，將對替代傳統化工制造、推動綠色生物經濟發展作出突出貢獻。合成生物學是一門復雜的學科，研究成果從實驗室到工業應用，是一個漫長的過程，需要政、產、學、研、用等各個方面聯合起來，共同打通各個鏈條的制約因素，讓更多的科研成果從實驗室中走出來，讓創新科技真正賦能產業發展。”陳國強表示。

生物制造成為競爭熱點

目前，世界主要經濟體都確定了生物制造戰略目標。美國2022年9月啟動了“國家生物技術和生物制造計劃”，宣布提供20多億美元的資金加速生物技術創新，確保未來幾十年美國在生物技術領域的領導地位和競爭力。今年3月23日，美國又公布了《美國生物技術和生物制造的明確目標》，涵蓋氣候變化解決方案、增強糧食和農業創新、提高供應鏈彈性、推進交叉領域進展等21個主題49個具體目標，提出5年內，基于生物質或二氧化碳生產食品級蛋白質，3周完成小分子或酶設計，30天內構建和測量單細胞，3個月將生物工藝擴大至商業生產規模；20年內，用生物基替代品取代90%以上的塑料，生物制造滿足至少30%的化學品需求，收集和處理12億噸生物質原料，轉化6000萬噸二氧化碳為燃料和產品等。

陳國強，清華大學教授、合成與系統生物學中心主任。

中國工程院院士譚天偉

歐洲的目標是，到2025年，生物質能源替代20%的化石能源，化工原料替代率在6%～12%，精細化學品替代率不低于30%；到2030年，可再生原料占到總體化學生產原料的30%、高附加值化學品和聚合物的50%、大宗化學品的10%、運輸能源的25%，農村生物煉制使農民收入增長40%，實現農村“二次工業化”。

根據麥肯錫的數據，預計2030～2040年，合成生物每年帶來的經濟影響將達到1.8萬億至3.6萬億美元，影響眾多領域。預計到2025年，合成生物與生物制造的經濟影響將達到1000億美元，同時預計未來全球物質投入中的60%可以通過生物制造方式生產，有望創造30萬億美元的經濟價值，占全球制造業的1/3。

生物技術成為繼IT技術后科技競爭的又一個焦點。合成生物、腦科學等技術在2018年被美國商務部列入出口管制技術清單。日前，生物技術企業華大基因被列入投資清單，意味著美國對中國的技術限制已經從芯片擴大到了生物技術領域。

我國基礎制造業可持續發展對綠色技術包括生物制造技術有重大需求，化工等基礎制造業原料對外依存度高，而我國主要生物基化學品專利全球占比不到1%，美國占比達57.8%。此外，我國可持續工業原料和糧食安全問題也依賴生物制造的創新。

在“十三五”期間，科技部啟動了綠色生物制造國家重點研發專項。“在科技界和產業界的共同努力下，近些年我國生物制造在底層工具、關鍵技術等方面取得了重要突破，一些領域的探索走在世界前列。”北京化工大學校長、中國工程院院士譚天偉提到，2022年中央經濟工作會議將生物制造列入現代化產業體系建設，支持綠色制造新產業。目前由發改委牽頭，工信部和科技部等國家部委正在聯合研制國家生物技術和生物制造行動計劃，并且有望在近期出臺。

制造業轉型升級的“綠色動力”

譚天偉表示，上百年的化學工業基本是以石油和煤做原料的，而這些原料基本不可再生。生物制造因為具有原料可再生、過程清潔高效等特征，可以從根本上改變傳統制造業高度依賴化石原料和“高污染、高排放”的加工模式。生物制造從原料源頭降低碳排放，是傳統制造業轉型升級的“綠色動力”，也是綠色發展的重要突破口。

譚天偉認為，近年來生物制造發展迅速，是因為氣候目標引發零碳經濟的需求，不依賴化石資源的生物創新產品和制造過程，可以促進氣候目標和碳排放目標的實現。OECD（經濟合作與發展組織）對6個發達國家分析結果表明：生物制造技術的應用可以降低工業能耗15%～80%，減少原料消耗35%～75%、空氣污染50%～90%、水污染33%～80%，降低生產成本9%～90%。如抗癲癇藥物普瑞巴林，用生物制造代替化學制造，溶劑用量減少88%，鎳催化劑用量減少85%，原料消耗減少85%。再如“1,3-丙二醇”，可用于多種藥物、新型聚酯PTT、醫藥中間體及新型抗氧劑的合成，用生物制造代替化學制造，原料消耗減少37%，能耗降低30%，碳排放減少63%。

世界基金委員會預測，到2030年，工業生物技術每年可降低碳排放25億噸。生物制造可以實現可再生碳利用，可以支撐未來制造業可持續發展。如提供可持續的生物質原料、綠色工藝賦能可持續生產、開發低碳產品和塑料回收利用、將二氧化碳轉化為產品等。

生物氣體發電廠

走進位于北京化工大學的國家能源生物煉制研發中心，實驗室一個連著一個，科研人員正在專心致志地工作，有的在培養菌株，有的在修飾基因，有的在進行樣品檢測。譚天偉介紹，生物制造目前已經在發酵工業、化學工業、輕工業、飼料工業、食品工業、醫藥工業廣泛應用，在生物新材料、農業、環境、能源等行業快速發展，在采油氣、冶金、采礦等行業也有巨大潛力。生物制造可以生產更綠色的產品，如生物航空燃料，可以幫助交通運輸業脫碳。生物航空燃料在全生命周期內可以減少96%的溫室氣體排放，且無氮無硫，可減少70%的顆粒物排放。我國年航煤消費量約3000萬噸，全部用生物航煤替代，年可減排二氧化碳3300萬噸，相當于植樹近3億棵。

近年來，我國有不少企業利用生物技術和生物基材料，擺脫了化石原料依賴和高污染、高排放的加工模式，走出一條綠色低碳的發展路子。在四川金尚環保科技有限公司（以下簡稱金尚環保）的車間內，一桶桶烏黑渾濁的餐廚廢油經水洗、去雜、加氫脫氧、異構化等工序處理，變成了一種清澈透亮的新型燃料——生物航煤。去年四月，這種生物燃料被使用在了四川航空的飛機上。

據金尚環保的有關負責人介紹，目前，在國際上，用餐廚廢油，也就是大家俗稱的“地溝油”來提煉生物燃料已經是一種比較成熟的工藝。雖然和石油基燃料相比，生物基燃料當前的制作成本還沒有降下來，但應用前景卻十分廣闊。一方面，燃油產生的尾氣一直是航空業的一大碳排放來源。有統計顯示，航空公司80%以上的碳排放都來自航油燃燒。在降碳減排愈發迫切的今天，生物航煤顯示出絕對優勢，相較于石油基航空煤油，生物航煤全生命周期的二氧化碳排放最高可減少50%以上。另一方面，在石油資源日趨緊張的今天，生物航煤不僅減少了石油消耗，還能極大減少“地溝油”向餐桌的回流。

此外，譚天偉認為，發展生物基材料可以降低化石資源的對外依存度。約85%的塑料可以被生物基塑料替代；利用石油制造1噸塑料，排放二氧化碳3.1噸，而生物基塑料僅排放0.6噸；生物基塑料和聚合物全生命周期溫室氣體排放量可減少80%。中國每年生產0.75億噸，回收只有0.17億噸，產生的大量廢棄塑料，可以用生物方法降解，實驗室已經驗證，生物降解過程溫和，且選擇性比較好，正準備中試。

氧化碳生物轉化可以實現固碳和碳的循環利用，即用可再生能源提供能量，利用生物法將二氧化碳轉化為化學品及燃料，關鍵是能否實現工業化規模生產。比如光酶耦合可以將二氧化碳轉化為一氧化碳，也可以轉化為甲酸；電酶耦合可以將二氧化碳轉化為甲醇、氨基酸、淀粉、碳二及碳四等產品；甲酸供能供碳，可以實現大腸桿菌的自養生長；光菌耦合，可以將二氧化碳轉化為乙酸、蘋果酸等，還可以固氮固碳；電菌耦合，可以將二氧化碳轉化為醇類、食品、葡萄糖及燃料、法尼烯等。

利用生物制造方式，人們已經生產出一批性能好、經濟價值高的新產品，如重組蛋白藥物、生物航空煤油、生物降解塑料等。從理論上講，全球一半以上的重要化學品都可以用生物制造的方法獲得，發展潛力巨大。

生物產品助力農業可持續發展

3月中下旬，四川省南充市西充縣百福寺村的冬小麥已經進入抽穗期。綠油油的麥田上空，幾架無人機在為麥苗噴灑生物農藥。據麥田的承包商——西充縣糧王生態開發有限公司現場管理經理老吳介紹，今年，他所在的公司承包了2000多畝麥田，全部使用的是生物農藥。前幾天，麥田里長了蚜蟲，他們便用苦參堿等進行殺蟲，相比于過去使用的化學農藥，這些生物農藥沒有刺鼻的氣味，毒性小，對人畜更安全，對環境影響也更小。

農業是生物制造目前應用的一個常見領域。《“十四五”生物經濟發展規劃》明確提出要重點圍繞生物肥料、生物農藥等方向，推出一批新一代農業生物產品。近年來，生物農藥、生物肥料、生物育種等在我國得到了研發應用，為我國農業的綠色可持續發展提供助力。

生物培育車間

湖北省生物農藥工程研究中心是一家微生物農藥的研發機構，從20世紀60年代起，就開始進行系統的微生物農藥資源收集、保藏、評價與利用工作。在中心的微生物農藥資源庫內，儲藏有二十余萬份微生物菌株，它們是開發新型微生物農藥的重要資源。這些菌株在超低溫環境下會進入休眠狀態，在需要時可以取出激活。

據湖北省生物農藥工程研究中心副主任王開梅介紹，這些菌株都是他和同事們這些年走遍祖國大江南北所采集回來的“寶貝”。工作雖然辛苦，但一旦發現以前沒見過的菌種就很有成就感。針對不同種類的菌株，儲藏方式也不一樣。微生物農藥資源庫的儲藏區內有-80℃的超低溫冰柜10臺，-20℃冰柜8臺，里面放置著各種各樣的試管，試管內存儲著菌株。目前，資源庫保藏的菌種資源，涵蓋了國內微生物農藥、微生物肥料、微生物飼料添加劑、微生物環境監測與治理等各種農業應用領域的微生物菌種資源。

將微生物活性菌株開發成農藥是一個涉及多個步驟的過程。王開梅表示，前期要進行菌種的鑒定、活性成分確定、發酵優化與制劑研發、田間試驗與效果評估等步驟。之后，在滿足相關法規和標準的要求后，再向相關機構申請農藥登記。

經過多年研究，湖北省生物農藥工程研究中心已發現了不少對常見害蟲有效的菌株。比如，研究人員發現，有一種芽孢桿菌對南方柑橘樹葉片上常見的葉螨具有很高的毒力，經在國內多地柑橘園試驗，證實這種菌株具備與化學殺螨劑相當的防控效果。從這種菌株中，研究人員還發現了國際首例2種蛋白類殺螨活性物質，具有極高的商業化產品開發價值。

我國地域遼闊，自然條件復雜，因此，微生物物種群也豐富多樣。這些為我國生物農藥、生物肥料等的研發提供了天然優勢。

重塑未來食品供應

人們熟知的抗瘧藥物青蒿素，是我國首先發現的。過去，我國一直占據全球青蒿素主要市場。我國生產青蒿素，是種植青蒿再從中提取青蒿素，青蒿一年只能種一茬，是靠天吃飯的。這種生產方式要放大只能是平面，從1畝地到1000畝乃至1萬畝地，占用大量耕地。國外利用生物制造技術，在釀酒酵母中高效半合成青蒿素。這種生產方式的放大是立體放大，從1升反應器放大到100升，且全年全天候都可以生產。因生產方式的革命等原因，導致中國在全球青蒿素市場占有率快速跌至不足10%。

科學界普遍認為生物制造技術工業化以后會帶來農業革命，數千平方米的發酵車間可以取代數十萬畝的耕地，人造肉、人造奶、人造油脂等未來食品車間制造可以解決全球耕地、化肥和糧食安全等問題。

我國每年進口1億噸大豆和3000萬噸玉米，從大豆中提取出2000萬噸油脂，產生8000萬噸豆粕用作飼料，而玉米的主要用途也是飼料。這些飼料再轉化為雞肉、豬肉等，如果大豆和玉米進口受限，肉的供應就會成問題。利用不同部位肉的細胞培養，可以生物制造出不同口味的人造肉，還可以加入不同的營養物質，同時起到固氮、固碳作用，這樣的工業化生產模式在未來實現后，還能解決瘋牛病、豬瘟、禽流感等安全問題。所以，未來的全球食品供應將會因生物制造而重塑。不止人造肉，多細胞的組織都可以生物制造出來。未來植物可以立體化營養液無土栽培，立體化曬不著光可以加光源，還可以增加二氧化碳濃度進而提高產量，通過工廠化的精準控制，實現生物制造。

為生物醫藥自主創新提供動力

生物醫藥產業是生物制造的重要組成部分，也是生物制造應用的重點領域之一。相關數據顯示，近年來，我國生物醫藥產業邁入創新發展的“快車道”，一方面創新藥數量大幅度增加。目前，全球范圍在臨床研究狀態的藥物中，我國企業原研或參與開發的約占35%，僅次于美國，居全球第二位。另一方面，生物醫藥研發質量向國際先進水平看齊，自主創新顯著提升，逐步從依賴進口走向國產替代。

生物醫藥產業是一個技術密集型產業，特別是今年《政府工作報告》中提到的“創新藥”，需要大量資金和技術投入，但即便如此，發現一種新藥的概率也很小。為了提高創新藥的研發效率，一些企業另辟蹊徑，將人工智能等新興技術應用在創新藥研發過程中，來彌補傳統實驗中的一些短板。

憑借人工智能技術，研發人員建立起虛擬生物藥物庫，通過基于生物學邏輯的人工智能算法和相關應用軟件，經由人工智能技術的運算、分析和預測，在短期內獲取過去需要數月的線下實驗才能獲得的結果，極大縮短了大分子藥物的開發周期。

行業專家李長城表示，“生物制造+”是一個很廣泛的概念，涉及多個學科領域。對于醫藥板塊，生物制造是非常上游的領域，現在很多藥物，包括抗體、疫苗、核酸/基因治療藥物、生物制劑、細胞治療藥物、蛋白/多肽治療藥物等的生產都是生物制造。將來的癌癥治療、一些家族隱性基因的治療，以及納米級的機器人靶向治療、靶向手術等，這些都屬于“生物制造+”，該領域具有更深更高的國家戰略意義。

據《江南晚報》報道，近日，江南大學未來食品科學中心合成生物創新團隊利用合成生物學技術，借助微生物發酵生產普通分子量的透明質酸，把成本降低至每公斤幾百元，實現了透明質酸大產量推廣應用。此前，透明質酸最早是從牛的眼睛里發現并提取出來的，價格非常昂貴，每公斤要幾萬元。除了極微量不可代謝的交聯劑外，透明質酸在體內幾乎能完全轉化為正常人體成分，因此，透明質酸被視為理想的填充劑，廣泛運用在整形外科、骨科、眼科等，如改善鼻唇溝，填充太陽穴、淚溝、額頭、下巴和鼻子等。利用合成生物技術，把原材料成本大幅下降，對于廣大患者來說，無疑是一大福音。

生物制造作為提升經濟競爭力的著力點，也是我國繼綠色制造、智能制造后，推進制造強國建設的又一個重要抓手。隨著《“十四五”生物經濟發展規劃》等相關政策相繼出臺，我國生物制造產業發展有了政策支撐，規模不斷增長，涌現出不少先進技術成果。有關專家表示，放眼未來，生物制造作為加快構建綠色低碳循環經濟體系的新興產業，將開啟一場新的變革。

編輯：海洋