工业生物制造技术进入世界先进行列

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆生物资源与生物技术团队

陈方（E-mail:chenf@clas.ac.cn）、邓勇

审稿专家：中科院天津工生所马延和研究员

1 工业生物制造是生物经济发展的重要组成部分

生物制造是指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业，是以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式[1]。它以生命科学的最新发展为基础，以设计和改造生物体为核心，通过生物技术与制造技术的结合，以先进、高效、环境友好的方式规模化生产人类所需的能源与化学品。

目前，利用先进生物制造过程，已经能够生产多种基础化学品、医药中间体、氨基酸、维生素、高分子材料和染料等产品，可以革新化学中间体和高值化学品等生产的化学工艺；同时，利用先进生物制造过程获取的工业酶制剂可以用于生物印染、生物漂白、生物制革、生物脱胶等，能够有效促进纺织、造纸、制革、化工等工艺的绿色升级改造。因此，工业生物制造的发展对于应对资源紧张、能源短缺、环境恶化等严峻挑战，从而建设低碳循环、绿色清洁的可持续经济体系具有重要战略意义。

当前，现代生物技术发展逐渐进入大规模产业化阶段，全球生物经济处于起步向快速发展的转折期，生物制造产业快速发展，已成为现代生物经济和生物产业发展的重点。

世界主要国家与地区都将生物制造作为生物经济战略中的规划重点。欧盟于2012年2月发布《创新可持续发展：欧洲生物经济》战略[2]，提出增加研发投入和开发生物基产品市场等内容。美国奥巴马政府于2012年4月发布《国家生物经济蓝图》[3]，提出采取切实行动促进生物技术研究创新，以应对健康、食品、能源和环境挑战。我国科技部在2011年11月发布《“十二五”现代生物制造科技发展专项规划》[4]，提出到“十二五”末期初步建成现代生物制造创新体系的总体目标；2013年2月，国务院印发了《生物产业发展规划》[5]，提出提高产品经济性、推动生物制造产业规模化发展的主要任务。

2 现代生物技术正推动生物制造创新体系的形成与发展

基础生物学研究的快速发展使得技术方面的障碍已不再像过去那样难以逾越。DNA测序的进步、蛋白组学的跨越式进展以及合成生物学领域的突破引领了生物学的空前进步，进一步推动了工业生物制造体系的形成与发展。

随着基因组学、系统生物学、合成生物学研究的发展，功能性人工合成生物体系的构建将使得多种化合物的绿色和高效生物制造成为可能；随着生物炼制、生物催化、生物加工与现代发酵等生物过程工程技术的进步，工业生物制造的产业支撑能力将进一步得到增强。

石油化工原料替代性路线、化学工艺的生物法替代性路线是国际工业生物技术发展的重点方向。近年来对微生物的基因重组与合成生物学组装、系统生物技术优化，构建了石油化工产品的生化合成通道，是生物技术领域的新热点，1,3丙二醇、3-羟基丙酸、丁二酸、类异戊二烯、1,4-丁二醇、异戊醇、丙烯酸等传统石油化工产品的生物制造，已经或即将取得对石油路线的竞争优势，全球生物基材料技术不断创新，生物塑料、生化纤维已经进入产业化应用，生物橡胶概念轮胎已被推出。基于生物催化剂的绿色生物催化技术不断进步，在原料药及其中间体、农药及其中间体、化妆品及其中间体，以及其他精细化学品的合成中逐渐应用，不断创造节能减排典型案例。

经济合作与发展组织（OECD）预测，生物基化学品和其他工业产品（不包括生物医药产品）在全部化学品产量中的比重有可能从2005年的1.8%提升至2015年的12%—20%，到2030年进一步提升到35%[6]。世界经济论坛（WEF）报告预测到2020年，生物质转化为燃料、能源与化学品的技术将为全球带来2300亿美元的经济效益[7]。

3 中国面临工业生物制造快速发展的良好机遇

我国是传统发酵产业大国，近年已经形成一定的生物制造产业格局，正在逐渐形成以市场为导向、企业为主体、产学研结合、上下游链式的工业生物制造体系。经过近年发展，我国科研人员在人工细胞工厂构建等方面不断取得原始创新突破；一批大宗发酵产品的国际竞争力实现了大幅提升，创造了巨大的经济与环境效益；针对一批化学原料药与中间体生产开发了清洁高效的生物工艺，在提高产品品质的同时，节能、节水、减少有毒物质与废水排放效果也较为显著。

我国在氨基酸、维生素等传统发酵产品和大宗发酵产品方面具有量产优势，具备生物法生产精细化学品的技术能力。在生物能源方面，正在积极开发由非粮作物转化的生物燃料，并将微藻原料利用作为生物柴油发展的主要方向。在生物基材料方面，已实现年产5000吨聚乳酸（PLA）的生产能力（世界第二）、年产1万吨聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的能力、年产1万吨二氧化碳共聚物（PPC）的能力（世界第一）、年产2万吨以上淀粉基材料的能力，成为目前唯一应用微生物发酵技术大规模工业化生产多种长碳链二元酸的国家；聚羟基脂肪酸（PHA）年总产能超过1.8万吨，产业化种类和产量都处于国际领先地位；并于2012年建成全球首条生物质制取聚乙烯醇（PVA）生产线。

当前，工业生物制造的发展正在为世界经济增长注入新的活力，加速现代化产业的可持续发展进程，我国在工业生物技术领域也将面临新的发展机遇。一方面，生命科学与生物技术领域与其他学科研究的交叉与融合将带来新的科学突破，加强合成生物学等具有重要影响和有可能发生重大变革的新兴学科研究与相关技术创新，将有力提高我国在先进工业生物制造领域的核心竞争力；另一方面，全链条的产业技术创新体系的建立与完善将推动技术重大变革，发展基于高效生物催化剂的现代生物制造科技及其产业化应用，将有效促进我国高新技术产业升级和经济发展方式的转变。

4 未来10年中国可能取得的突破

未来10年，围绕工业可持续发展的重大需求，我国在酶蛋白与生物催化剂的结构与功能、微生物代谢与合成生物学、复杂生物过程的原理与规律等方面的科学研究将会取得新的突破。预期我国将在基因组功能解析、计算设计、化学合成和系统优化等取得突破的基础上，构建全新的、具有国际影响的“合成生物体”，实现糖、非粮生物质、有机废物等可再生生物质资源，甚至工业废气（一氧化碳、二氧化碳）等的高效转化利用，改变功能材料、工业化学品与药品合成的现有生产模式，大幅提高生物产品的生产水平，制造出一系列经济可行并能与石油基产品竞争的能源与化工产品，建立国际领先的工业生物制造技术体系[8]。

1 科技部.“十二五”现代生物制造科技发展专项规划.2011.http://most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2011/201112/W020111202596694213952.doc.

2 EU.Innovating for Sustainable Growth:a Bioeconomy for Europe.2012.http://ec.europa.eu/research/bioeconomy/pdf/201202_innovating_sustainable_growth.pdf.

3 The White House.National Bioeconomy Blueprint Released.2012.http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/national_bioeconomy_blueprint_april_2012.pdf.

4 科技部.“十二五”现代生物制造科技发展专项规划.2011.http://most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2011/201112/W020111202596694213952.doc.

5 国务院.国务院关于印发生物产业发展规划的通知.2012.http://www.zdt.com.cn/flgz/fg/201302/P020130227359851717264.doc.

6 OECD.The Bioeconomy to 2030:designing a policy agenda.2009.http://www.oecd.org/document/48/0,3746,en_2649_36831301_42864368_1_1_1_1,00.html.

7 World Economic Forum.The Future of Industrial Biorefineries.2010.http://www3.weforum.org/docs/WEF_FutureIndustrialBiorefineries_Report_2010.pdf

8 中国科学院.科技发展新态势与面向2020的战略选择.北京：科学出版社，2012，18.