生物制造：开启一场新的变革

金祖发

生物制造是一种以工业生物技术为核心的先进生产方式，具有原料可再生、过程清洁高效等特征，有助于推动经济的绿色低碳发展。2022年5月10日，国家发展改革委印发的《“十四五”生物经济发展规划》，首次提出“生物经济”概念。之后，我国也把生物制造列入现代化产业体系建设，并作为重点发展的战略性新兴产业和提升新质生产力的重要手段之一。今年的《政府工作报告》在部署2024年政府工作任务时指出，加快发展新质生产力，积极打造生物制造等新增长引擎。这是“生物制造”首次被写入《政府工作报告》。

从实验室中走出来的生物制造

提到生物制造，很多人会觉得陌生，但是在生活中我们已经广泛接触过生物制造的产品，如乙肝疫苗、胰岛素、玻尿酸、胶原蛋白、燃料乙醇，等等，都是利用生物制造技术生产出来的产品。

此外，工业尾气变身鱼饲料，地沟油成了飞机燃料，秸秆做成了薄膜……这些听起来像变魔术一样的事，如今却在真实发生，而让这一切成为可能的“魔术师”，就是生物制造技术。

何为生物制造？中国工程院院士郑裕国给出这样的解释——这是一种利用生物组织或生物体等进行物质加工，从而生产各种人类所需产品的先进的物质转化工业模式。不同于以化石资源为原料的传统工业制造，生物制造所使用的生产材料基本上是可持续再生的原料，生产的产品也可降解可回收，整个生产过程更加绿色低碳。《“十四五”生物经济发展规划》明确提出“依托生物制造技术，实现化工原料和过程的生物技术替代，发展高性能生物环保材料和生物制剂，推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造与生物技术深度融合，向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型”。可以说，大力发展生物制造产业，已成为我国加快构建绿色低碳循环经济体系的一个重要方向。

工业和信息化部赛迪研究院党委书记、副院长刘文强表示，生物技术和生物制造的历史已有数十年。从20世纪50年代发现DNA双螺旋结构和中心法则，到90年代启动人类基因组计划，再到本世纪生物体系的工业化和合成生物学，三次生物技术革命将生命系统的研究提升到“可预测、可再造、可调控”的新高度。现在，生物技术和人工智能、自动化、大数据等不断加速融合，实现生物可编程和新一代生物智能制造技術，将会展现出巨大能量。

有分析认为，未来，生物制造技术的原料将不再局限于生物质。生物制造技术第一代是用糖，第二代是用纤维素，第三代是用二氧化碳，目前已经用二氧化碳制造出了淀粉。未来利用二氧化碳等低碳化合物，通过途径设计及优化、标准化模块、基因编辑及合成、蛋白质/酶工程，用“分子机器”在“细胞工厂”里可以生产出很多产品，包括医药、农业、食品、化工、材料等。简单来说，生物制造就是让一个个细胞成为“超级工厂”，源源不断地生产特定的物质，从而为人类打开了“一切皆可造”的想象空间。

生物制造绿色工艺和创新产品对化学品、材料、医药、营养保健、农业、环境、食品等很多行业都具有很强的渗透性、辐射性，以及绿色转型提升作用。如用生物法合成材料，利用生物质或者二氧化碳合成单体，与后续的化工过程可以完全对接。

清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授认为，生物制造是生物基础研究、分子改造技术和工业制造技术的结合。“生物制造产业迎来了重要的发展机遇，下一代工业生物技术的产业应用，将对替代传统化工制造、推动绿色生物经济发展作出突出贡献。合成生物学是一门复杂的学科，研究成果从实验室到工业应用，是一个漫长的过程，需要政、产、学、研、用等各个方面联合起来，共同打通各个链条的制约因素，让更多的科研成果从实验室中走出来，让创新科技真正赋能产业发展。”陈国强表示。

生物制造成为竞争热点

目前，世界主要经济体都确定了生物制造战略目标。美国 2022年9月启动了“国家生物技术和生物制造计划”，宣布提供20多亿美元的资金加速生物技术创新，确保未来几十年美国在生物技术领域的领导地位和竞争力。今年3月23日，美国又公布了《美国生物技术和生物制造的明确目标》，涵盖气候变化解决方案、增强粮食和农业创新、提高供应链弹性、推进交叉领域进展等21个主题49个具体目标，提出5年内，基于生物质或二氧化碳生产食品级蛋白质，3周完成小分子或酶设计，30天内构建和测量单细胞，3个月将生物工艺扩大至商业生产规模；20年内，用生物基替代品取代90%以上的塑料，生物制造满足至少30%的化学品需求，收集和处理12亿吨生物质原料，转化6000万吨二氧化碳为燃料和产品等。

欧洲的目标是，到2025年，生物质能源替代20%的化石能源，化工原料替代率在6%～12%，精细化学品替代率不低于30%；到2030年，可再生原料占到总体化学生产原料的30%、高附加值化学品和聚合物的50%、大宗化学品的10%、运输能源的25%，农村生物炼制使农民收入增长40%，实现农村“二次工业化”。

根据麦肯锡的数据，预计2030～2040年，合成生物每年带来的经济影响将达到1.8万亿至3.6万亿美元，影响众多领域。预计到2025年，合成生物与生物制造的经济影响将达到1000亿美元，同时预计未来全球物质投入中的60%可以通过生物制造方式生产，有望创造30万亿美元的经济价值，占全球制造业的1/3。

生物技术成为继IT技术后科技竞争的又一个焦点。合成生物、脑科学等技术在2018年被美国商务部列入出口管制技术清单。日前，生物技术企业华大基因被列入投资清单，意味着美国对中国的技术限制已经从芯片扩大到了生物技术领域。

我国基础制造业可持续发展对绿色技术包括生物制造技术有重大需求，化工等基础制造业原料对外依存度高，而我国主要生物基化学品专利全球占比不到1%，美国占比达57.8%。此外，我国可持续工业原料和粮食安全问题也依赖生物制造的创新。

在“十三五”期间，科技部启动了绿色生物制造国家重点研发专项。“在科技界和产业界的共同努力下，近些年我国生物制造在底层工具、关键技术等方面取得了重要突破，一些领域的探索走在世界前列。”北京化工大学校长、中国工程院院士谭天伟提到，2022年中央经济工作会议将生物制造列入现代化产业体系建设，支持绿色制造新产业。目前由发改委牵头，工信部和科技部等国家部委正在联合研制国家生物技术和生物制造行动计划，并且有望在近期出台。

制造业转型升级的“绿色动力”

谭天伟表示，上百年的化学工业基本是以石油和煤做原料的，而这些原料基本不可再生。生物制造因为具有原料可再生、过程清洁高效等特征，可以从根本上改变传统制造业高度依赖化石原料和“高污染、高排放”的加工模式。生物制造从原料源头降低碳排放，是传统制造业转型升级的“绿色动力”，也是绿色发展的重要突破口。

谭天伟认为，近年来生物制造发展迅速，是因为气候目标引发零碳经济的需求，不依赖化石资源的生物创新产品和制造过程，可以促进气候目标和碳排放目标的实现。OECD（经济合作与发展组织）对6个发达国家分析结果表明：生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%～80%，减少原料消耗35%～75%、空气污染50%～90%、水污染33%～80%，降低生产成本9%～90%。如抗癫痫药物普瑞巴林，用生物制造代替化学制造，溶剂用量减少88%，镍催化剂用量减少85%，原料消耗减少85%。再如“1，3-丙二醇”，可用于多种药物、新型聚酯PTT、医药中间体及新型抗氧剂的合成，用生物制造代替化学制造，原料消耗减少37%，能耗降低30%，碳排放减少63%。

世界基金委员会预测，到2030年，工业生物技术每年可降低碳排放25亿吨。生物制造可以实现可再生碳利用，可以支撑未来制造业可持续发展。如提供可持续的生物质原料、绿色工艺赋能可持续生产、开发低碳产品和塑料回收利用、将二氧化碳转化为产品等。

走进位于北京化工大学的国家能源生物炼制研发中心，实验室一个连着一个，科研人员正在专心致志地工作，有的在培养菌株，有的在修饰基因，有的在进行样品检测。谭天伟介绍，生物制造目前已经在发酵工业、化学工业、轻工业、饲料工业、食品工业、医药工业广泛应用，在生物新材料、农业、环境、能源等行业快速发展，在采油气、冶金、采矿等行业也有巨大潜力。生物制造可以生产更绿色的产品，如生物航空燃料，可以帮助交通运输业脱碳。生物航空燃料在全生命周期内可以减少96%的温室气体排放，且无氮无硫，可减少70%的颗粒物排放。我国年航煤消费量约3000万吨，全部用生物航煤替代，年可减排二氧化碳3300万吨，相当于植树近3亿棵。

近年来，我国有不少企业利用生物技术和生物基材料，摆脱了化石原料依赖和高污染、高排放的加工模式，走出一条绿色低碳的发展路子。在四川金尚环保科技有限公司（以下简称金尚环保）的车间内，一桶桶乌黑浑浊的餐厨废油经水洗、去杂、加氢脱氧、异构化等工序处理，变成了一种清澈透亮的新型燃料——生物航煤。去年四月，这种生物燃料被使用在了四川航空的飞机上。

据金尚环保的有关负责人介绍，目前，在国际上，用餐厨废油，也就是大家俗称的“地沟油”来提炼生物燃料已经是一种比较成熟的工艺。虽然和石油基燃料相比，生物基燃料当前的制作成本还没有降下来，但应用前景却十分广阔。一方面，燃油产生的尾气一直是航空业的一大碳排放来源。有统计显示，航空公司80%以上的碳排放都来自航油燃烧。在降碳减排愈发迫切的今天，生物航煤显示出绝对优势，相较于石油基航空煤油，生物航煤全生命周期的二氧化碳排放最高可减少50%以上。另一方面，在石油资源日趋紧张的今天，生物航煤不僅减少了石油消耗，还能极大减少“地沟油”向餐桌的回流。

此外，谭天伟认为，发展生物基材料可以降低化石资源的对外依存度。约85%的塑料可以被生物基塑料替代；利用石油制造1吨塑料，排放二氧化碳3.1吨，而生物基塑料仅排放0.6吨；生物基塑料和聚合物全生命周期温室气体排放量可减少80%。中国每年生产0.75亿吨，回收只有0.17亿吨，产生的大量废弃塑料，可以用生物方法降解，实验室已经验证，生物降解过程温和，且选择性比较好，正准备中试。

氧化碳生物转化可以实现固碳和碳的循环利用，即用可再生能源提供能量，利用生物法将二氧化碳转化为化学品及燃料，关键是能否实现工业化规模生产。比如光酶耦合可以将二氧化碳转化为一氧化碳，也可以转化为甲酸；电酶耦合可以将二氧化碳转化为甲醇、氨基酸、淀粉、碳二及碳四等产品；甲酸供能供碳，可以实现大肠杆菌的自养生长；光菌耦合，可以将二氧化碳转化为乙酸、苹果酸等，还可以固氮固碳；电菌耦合，可以将二氧化碳转化为醇类、食品、葡萄糖及燃料、法尼烯等。

利用生物制造方式，人们已经生产出一批性能好、经济价值高的新产品，如重组蛋白药物、生物航空煤油、生物降解塑料等。从理论上讲，全球一半以上的重要化学品都可以用生物制造的方法获得，发展潜力巨大。

生物产品助力农业可持续发展

3月中下旬，四川省南充市西充县百福寺村的冬小麦已经进入抽穗期。绿油油的麦田上空，几架无人机在为麦苗喷洒生物农药。据麦田的承包商——西充县粮王生态开发有限公司现场管理经理老吴介绍，今年，他所在的公司承包了2000多亩麦田，全部使用的是生物农药。前几天，麦田里长了蚜虫，他们便用苦参碱等进行杀虫，相比于过去使用的化学农药，这些生物农药没有刺鼻的气味，毒性小，对人畜更安全，对环境影响也更小。

农业是生物制造目前应用的一个常见领域。《“十四五”生物经济发展规划》明确提出要重点围绕生物肥料、生物农药等方向，推出一批新一代农业生物产品。近年来，生物农药、生物肥料、生物育种等在我国得到了研发应用，为我国农业的绿色可持续发展提供助力。

湖北省生物农药工程研究中心是一家微生物农药的研发机构，从20世纪60年代起，就开始进行系统的微生物农药资源收集、保藏、评价与利用工作。在中心的微生物农药资源库内，储藏有二十余万份微生物菌株，它们是开发新型微生物农药的重要资源。这些菌株在超低温环境下会进入休眠状态，在需要时可以取出激活。

据湖北省生物农药工程研究中心副主任王开梅介绍，这些菌株都是他和同事们这些年走遍祖国大江南北所采集回来的“宝贝”。工作虽然辛苦，但一旦发现以前没见过的菌种就很有成就感。针对不同种类的菌株，储藏方式也不一样。微生物农药资源库的储藏区内有-80℃的超低温冰柜10台，-20℃冰柜8台，里面放置着各种各样的试管，试管内存储着菌株。目前，资源库保藏的菌种资源，涵盖了国内微生物农药、微生物肥料、微生物饲料添加剂、微生物环境监测与治理等各种农业应用领域的微生物菌种资源。

将微生物活性菌株开发成农药是一个涉及多个步骤的过程。王开梅表示，前期要进行菌种的鉴定、活性成分确定、发酵优化与制剂研发、田间试验与效果评估等步骤。之后，在满足相关法规和标准的要求后，再向相关机构申请农药登记。

经过多年研究，湖北省生物农药工程研究中心已发现了不少对常见害虫有效的菌株。比如，研究人员发现，有一种芽孢杆菌对南方柑橘树叶片上常见的叶螨具有很高的毒力，经在国内多地柑橘园试验，证实这种菌株具备与化学杀螨剂相当的防控效果。从这种菌株中，研究人员还发现了国际首例2种蛋白类杀螨活性物质，具有极高的商业化产品开发价值。

我国地域辽阔，自然条件复杂，因此，微生物物种群也丰富多样。这些为我国生物农药、生物肥料等的研发提供了天然优势。

重塑未来食品供应

人们熟知的抗疟药物青蒿素，是我国首先发现的。过去，我国一直占据全球青蒿素主要市场。我国生产青蒿素，是种植青蒿再从中提取青蒿素，青蒿一年只能种一茬，是靠天吃饭的。这种生产方式要放大只能是平面，从1亩地到1000亩乃至1万亩地，占用大量耕地。国外利用生物制造技术，在酿酒酵母中高效半合成青蒿素。这种生产方式的放大是立体放大，从1升反应器放大到100升，且全年全天候都可以生产。因生产方式的革命等原因，导致中国在全球青蒿素市场占有率快速跌至不足10%。

科学界普遍认为生物制造技术工业化以后会带来农业革命，数千平方米的发酵车间可以取代数十万亩的耕地，人造肉、人造奶、人造油脂等未来食品车间制造可以解决全球耕地、化肥和粮食安全等问题。

我国每年进口1亿吨大豆和3000万吨玉米，从大豆中提取出2000万吨油脂，产生8000万吨豆粕用作饲料，而玉米的主要用途也是饲料。这些饲料再转化为鸡肉、猪肉等，如果大豆和玉米进口受限，肉的供应就会成问题。利用不同部位肉的细胞培养，可以生物制造出不同口味的人造肉，还可以加入不同的营养物质，同时起到固氮、固碳作用，这样的工业化生产模式在未来实现后，还能解决疯牛病、猪瘟、禽流感等安全问题。所以，未来的全球食品供应将会因生物制造而重塑。不止人造肉，多细胞的组织都可以生物制造出来。未来植物可以立体化营养液无土栽培，立体化晒不着光可以加光源，还可以增加二氧化碳浓度进而提高产量，通过工厂化的精准控制，实现生物制造。

为生物医药自主创新提供动力

生物医药产业是生物制造的重要组成部分，也是生物制造应用的重点领域之一。相关数据显示，近年来，我国生物医药产业迈入创新发展的“快车道”，一方面创新药数量大幅度增加。目前，全球范围在临床研究状态的药物中，我国企业原研或参与开发的约占35%，仅次于美国，居全球第二位。另一方面，生物医药研发质量向国际先进水平看齐，自主创新显著提升，逐步从依赖进口走向国产替代。

生物医药产业是一个技术密集型产业，特别是今年《政府工作报告》中提到的“创新药”，需要大量资金和技术投入，但即便如此，发现一种新药的概率也很小。为了提高创新药的研发效率，一些企业另辟蹊径，将人工智能等新兴技术应用在创新药研发过程中，来弥补传统实验中的一些短板。

凭借人工智能技术，研发人员建立起虚拟生物药物库，通过基于生物学逻辑的人工智能算法和相關应用软件，经由人工智能技术的运算、分析和预测，在短期内获取过去需要数月的线下实验才能获得的结果，极大缩短了大分子药物的开发周期。

行业专家李长城表示，“生物制造+”是一个很广泛的概念，涉及多个学科领域。对于医药板块，生物制造是非常上游的领域，现在很多药物，包括抗体、疫苗、核酸/基因治疗药物、生物制剂、细胞治疗药物、蛋白/多肽治疗药物等的生产都是生物制造。将来的癌症治疗、一些家族隐性基因的治疗，以及纳米级的机器人靶向治疗、靶向手术等，这些都属于“生物制造+”，该领域具有更深更高的国家战略意义。

据《江南晚报》报道，近日，江南大学未来食品科学中心合成生物创新团队利用合成生物学技术，借助微生物发酵生产普通分子量的透明质酸，把成本降低至每公斤几百元，实现了透明质酸大产量推广应用。此前，透明质酸最早是从牛的眼睛里发现并提取出来的，价格非常昂贵，每公斤要几万元。除了极微量不可代谢的交联剂外，透明质酸在体内几乎能完全转化为正常人体成分，因此，透明质酸被视为理想的填充剂，广泛运用在整形外科、骨科、眼科等，如改善鼻唇沟，填充太阳穴、泪沟、额头、下巴和鼻子等。利用合成生物技术，把原材料成本大幅下降，对于广大患者来说，无疑是一大福音。

生物制造作为提升经济竞争力的着力点，也是我国继绿色制造、智能制造后，推进制造强国建设的又一个重要抓手。随着《“十四五”生物经济发展规划》等相关政策相继出台，我国生物制造产业发展有了政策支撑，规模不断增长，涌现出不少先进技术成果。有关专家表示，放眼未来，生物制造作为加快构建绿色低碳循环经济体系的新兴产业，将开启一场新的变革。