某公司生物實驗室

生物制造是一種以工業(yè)生物技術為核心的先進生產(chǎn)方式，具有原料可再生、過程清潔高效等特征，有助于推動經(jīng)濟的綠色低碳發(fā)展。2022年5月10日，國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，首次提出“生物經(jīng)濟”概念。之后，我國也把生物制造列入現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設，并作為重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和提升新質生產(chǎn)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(fā)展新質生產(chǎn)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(jīng)廣泛接觸過生物制造的產(chǎn)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(chǎn)出來的產(chǎn)品。

此外，工業(yè)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(fā)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(chǎn)各種人類所需產(chǎn)品的先進的物質轉化工業(yè)模式。不同于以化石資源為原料的傳統(tǒng)工業(yè)制造，生物制造所使用的生產(chǎn)材料基本上是可持續(xù)再生的原料，生產(chǎn)的產(chǎn)品也可降解可回收，整個生產(chǎn)過程更加綠色低碳。《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》明確提出“依托生物制造技術，實現(xiàn)化工原料和過程的生物技術替代，發(fā)展高性能生物環(huán)保材料和生物制劑，推動化工、醫(yī)藥、材料、輕工等重要工業(yè)產(chǎn)品制造與生物技術深度融合，向綠色低碳、無毒低毒、可持續(xù)發(fā)展模式轉型”?？梢哉f，大力發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)，已成為我國加快構建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟體系的一個重要方向。

工業(yè)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(shù)十年。從20世紀50年代發(fā)現(xiàn)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(yè)化和合成生物學，三次生物技術革命將生命系統(tǒng)的研究提升到“可預測、可再造、可調控”的新高度。現(xiàn)在，生物技術和人工智能、自動化、大數(shù)據(jù)等不斷加速融合，實現(xiàn)生物可編程和新一代生物智能制造技術，將會展現(xiàn)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(jīng)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(yōu)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(chǎn)出很多產(chǎn)品，包括醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、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(chǎn)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(chuàng)新產(chǎn)品對化學品、材料、醫(yī)藥、營養(yǎng)保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品等很多行業(yè)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(xù)的化工過程可以完全對接。

清華大學合成與系統(tǒng)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(yè)制造技術的結合?！吧镏圃飚a(chǎn)業(yè)迎來了重要的發(fā)展機遇，下一代工業(yè)生物技術的產(chǎn)業(yè)應用，將對替代傳統(tǒng)化工制造、推動綠色生物經(jīng)濟發(fā)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(yè)應用，是一個漫長的過程，需要政、產(chǎn)、學、研、用等各個方面聯(lián)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(chuàng)新科技真正賦能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”陳國強表示。

生物制造成為競爭熱點

目前，世界主要經(jīng)濟體都確定了生物制造戰(zhàn)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(chuàng)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(nóng)業(yè)創(chuàng)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(nèi)，基于生物質或二氧化碳生產(chǎn)食品級蛋白質，3周完成小分子或酶設計，30天內(nèi)構建和測量單細胞，3個月將生物工藝擴大至商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模；20年內(nèi)，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(chǎn)品等。

陳國強，清華大學教授、合成與系統(tǒng)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(chǎn)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(nóng)村生物煉制使農(nóng)民收入增長40%，實現(xiàn)農(nóng)村“二次工業(yè)化”。

根據(jù)麥肯錫的數(shù)據(jù)，預計2030～2040年，合成生物每年帶來的經(jīng)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(jīng)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(chǎn)，有望創(chuàng)造30萬億美元的經(jīng)濟價值，占全球制造業(yè)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(yè)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(jīng)從芯片擴大到了生物技術領域。

我國基礎制造業(yè)可持續(xù)發(fā)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(yè)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(xù)工業(yè)原料和糧食安全問題也依賴生物制造的創(chuàng)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(fā)專項?！霸诳萍冀绾彤a(chǎn)業(yè)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?！北本┗ご髮W校長、中國工程院院士譚天偉提到，2022年中央經(jīng)濟工作會議將生物制造列入現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設，支持綠色制造新產(chǎn)業(yè)。目前由發(fā)改委牽頭，工信部和科技部等國家部委正在聯(lián)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(yè)轉型升級的“綠色動力”

譚天偉表示，上百年的化學工業(yè)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(tǒng)制造業(yè)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(tǒng)制造業(yè)轉型升級的“綠色動力”，也是綠色發(fā)展的重要突破口。

譚天偉認為，近年來生物制造發(fā)展迅速，是因為氣候目標引發(fā)零碳經(jīng)濟的需求，不依賴化石資源的生物創(chuàng)新產(chǎn)品和制造過程，可以促進氣候目標和碳排放目標的實現(xiàn)。OECD（經(jīng)濟合作與發(fā)展組織）對6個發(fā)達國家分析結果表明：生物制造技術的應用可以降低工業(yè)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(chǎn)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(yī)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(yè)生物技術每年可降低碳排放25億噸。生物制造可以實現(xiàn)可再生碳利用，可以支撐未來制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展。如提供可持續(xù)的生物質原料、綠色工藝賦能可持續(xù)生產(chǎn)、開發(fā)低碳產(chǎn)品和塑料回收利用、將二氧化碳轉化為產(chǎn)品等。

生物氣體發(fā)電廠

走進位于北京化工大學的國家能源生物煉制研發(fā)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(yǎng)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(jīng)在發(fā)酵工業(yè)、化學工業(yè)、輕工業(yè)、飼料工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)廣泛應用，在生物新材料、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等行業(yè)快速發(fā)展，在采油氣、冶金、采礦等行業(yè)也有巨大潛力。生物制造可以生產(chǎn)更綠色的產(chǎn)品，如生物航空燃料，可以幫助交通運輸業(yè)脫碳。生物航空燃料在全生命周期內(nèi)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(yè)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(fā)展路子。在四川金尚環(huán)?？萍加邢薰荆ㄒ韵潞喎Q金尚環(huán)保）的車間內(nèi)，一桶桶烏黑渾濁的餐廚廢油經(jīng)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(jù)金尚環(huán)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(jīng)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(chǎn)生的尾氣一直是航空業(yè)的一大碳排放來源。有統(tǒng)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(fā)迫切的今天，生物航煤顯示出絕對優(yōu)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(fā)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(chǎn)0.75億噸，回收只有0.17億噸，產(chǎn)生的大量廢棄塑料，可以用生物方法降解，實驗室已經(jīng)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(xiàn)固碳和碳的循環(huán)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(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。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(chǎn)品；甲酸供能供碳，可以實現(xiàn)大腸桿菌的自養(yǎng)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(jīng)生產(chǎn)出一批性能好、經(jīng)濟價值高的新產(chǎn)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(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

生物產(chǎn)品助力農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(jīng)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(nóng)藥。據(jù)麥田的承包商——西充縣糧王生態(tài)開發(fā)有限公司現(xiàn)場管理經(jīng)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(nóng)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(nóng)藥，這些生物農(nóng)藥沒有刺鼻的氣味，毒性小，對人畜更安全，對環(huán)境影響也更小。

農(nóng)業(yè)是生物制造目前應用的一個常見領域?！丁笆奈濉鄙锝?jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》明確提出要重點圍繞生物肥料、生物農(nóng)藥等方向，推出一批新一代農(nóng)業(yè)生物產(chǎn)品。近年來，生物農(nóng)藥、生物肥料、生物育種等在我國得到了研發(fā)應用，為我國農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供助力。

生物培育車間

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

據(jù)湖北省生物農(nóng)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(fā)現(xiàn)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(nóng)藥資源庫的儲藏區(qū)內(nèi)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(nèi)存儲著菌株。目前，資源庫保藏的菌種資源，涵蓋了國內(nèi)微生物農(nóng)藥、微生物肥料、微生物飼料添加劑、微生物環(huán)境監(jiān)測與治理等各種農(nóng)業(yè)應用領域的微生物菌種資源。

將微生物活性菌株開發(fā)成農(nóng)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(fā)酵優(yōu)化與制劑研發(fā)、田間試驗與效果評估等步驟。之后，在滿足相關法規(guī)和標準的要求后，再向相關機構申請農(nóng)藥登記。

經(jīng)過多年研究，湖北省生物農(nóng)藥工程研究中心已發(fā)現(xiàn)了不少對常見害蟲有效的菌株。比如，研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jīng)在國內(nèi)多地柑橘園試驗，證實這種菌株具備與化學殺螨劑相當?shù)姆揽匦Ч?。從這種菌株中，研究人員還發(fā)現(xiàn)了國際首例2種蛋白類殺螨活性物質，具有極高的商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)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(nóng)藥、生物肥料等的研發(fā)提供了天然優(yōu)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(fā)現(xiàn)的。過去，我國一直占據(jù)全球青蒿素主要市場。我國生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)。因生產(chǎn)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(yè)化以后會帶來農(nóng)業(yè)革命，數(shù)千平方米的發(fā)酵車間可以取代數(shù)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(chǎn)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(yǎng)，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(yǎng)物質，同時起到固氮、固碳作用，這樣的工業(yè)化生產(chǎn)模式在未來實現(xiàn)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(yǎng)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(chǎn)量，通過工廠化的精準控制，實現(xiàn)生物制造。

為生物醫(yī)藥自主創(chuàng)新提供動力

生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)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(shù)據(jù)顯示，近年來，我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)邁入創(chuàng)新發(fā)展的“快車道”，一方面創(chuàng)新藥數(shù)量大幅度增加。目前，全球范圍在臨床研究狀態(tài)的藥物中，我國企業(yè)原研或參與開發(fā)的約占35%，僅次于美國，居全球第二位。另一方面，生物醫(yī)藥研發(fā)質量向國際先進水平看齊，自主創(chuàng)新顯著提升，逐步從依賴進口走向國產(chǎn)替代。

生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)是一個技術密集型產(chǎn)業(yè)，特別是今年《政府工作報告》中提到的“創(chuàng)新藥”，需要大量資金和技術投入，但即便如此，發(fā)現(xiàn)一種新藥的概率也很小。為了提高創(chuàng)新藥的研發(fā)效率，一些企業(yè)另辟蹊徑，將人工智能等新興技術應用在創(chuàng)新藥研發(fā)過程中，來彌補傳統(tǒng)實驗中的一些短板。

憑借人工智能技術，研發(fā)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(jīng)由人工智能技術的運算、分析和預測，在短期內(nèi)獲取過去需要數(shù)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(fā)周期。

行業(yè)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(yī)藥板塊，生物制造是非常上游的領域，現(xiàn)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(chǎn)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(zhàn)略意義。

據(jù)《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(chuàng)新團隊利用合成生物學技術，借助微生物發(fā)酵生產(chǎn)普通分子量的透明質酸，把成本降低至每公斤幾百元，實現(xiàn)了透明質酸大產(chǎn)量推廣應用。此前，透明質酸最早是從牛的眼睛里發(fā)現(xiàn)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(lián)劑外，透明質酸在體內(nèi)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(jīng)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(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等相關政策相繼出臺，我國生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展有了政策支撐，規(guī)模不斷增長，涌現(xiàn)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(huán)經(jīng)濟體系的新興產(chǎn)業(yè)，將開啟一場新的變革。

責任編輯：王燦燦 校對：海洋