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　　【摘要】 以生命科学为基础的生物技术群体性突破不断涌现，成为继信息技术之后新一轮科技的制高点和产业变革的新引擎。随着生命科学的深入发展，生物制造将推动实现生物基材料、食品医药化学品、生物能源等诸多领域的绿色生产。我国生物制造业虽起步较晚，但近年来发展较为迅速，以低成本、规模化生产等优势取得了部分大宗化学品的市场优势，在创制生物经济新路线、推动传统化工产业技术升级等方面也已取得新进展；同时，也存在部分原料及关键产品和核心技术对外依存度较高等问题，国内生物制造创业企业仍需加强对全产业链的布局和思考以增强核心竞争力。以二氧化碳（CO2）为原料的第三代生物制造技术将有望重塑制造业产业体系，对于我国培育和发展新质生产力、推进新型工业化、加快经济社会发展全面绿色转型具有重大战略意义。未来，我国应聚焦提高自主创新能力、保障产业支撑能力和攻克重点战略产品的关键核心技术三个方向，加快推动生物制造的高水平发展。

　　【作者简介】谭天伟，中国工程院院士，北京化工大学教授、博导、校长。研究方向为生物基化学品、生物能源和生物材料。主要著作有《分子印迹技术及应用》、《生物分离技术》、《生物化学工程》等。

　　2024年1月，习总在二十届中央局第十一次集体学习时强调：“发展新质生产力是推动高质量发展的内在要求和重要着力点。”从国际科技产业趋势看，以生命科学为基础的生物技术群体性突破不断涌现，成为继信息技术之后新一轮科技的制高点和产业变革的新引擎，发展生物制造是培育新质生产力的重要组成部分，能够为相关产业发展创造新动能。《“十四五”生物经济发展规划》强调，要围绕生物制造开展前沿生物技术创新。生物制造是一项全新的生产技术，其是利用酶、微生物细胞，结合工程学技术原理，实现目标产品的生产和加工，主要产品包括生物基材料、化学品、生物能源和饲料蛋白等。生物制造将带来至少三个方面的重大变革：重构传统化工的生产模式、替代传统天然产物的获取方式、颠覆传统农业种养殖模式，生物制造技术的发展和进步有望全面推进能源、医药、农业和化工等领域产业的改造升级，因此被认为具备引领第四次工业的潜力。近年来，我国生命科学发展呈高速增长态势，在宏观生命科学领域，如农业科学、药学、生物学的发展均整体逼近世界前列。但总体来说，与世界先进水平、国际发展趋势，以及建立国家创新体系的需求相比，我国在生命科学领域以科技优势构建的国际话语权仍有待提升，技术支撑能力偏弱且部分关键技术仍受制于人。

　　当前，我国的生物制造产业正处于技术攻坚和工业化放大试验的关键阶段，应当抓住生物制造发展的战略机遇期，加强战略性布局并推动前瞻性技术创新，实现从上游生物炼制底盘的构建、大规模发酵工艺试验到下游目标产品的分离工程等全产业链的技术和装备突破，推动生物制造成为传统产业转型升级的新引擎，这对我国实现碳达峰碳中和目标以及培育新质生产力赋能经济社会高质量发展具有重大战略意义。

　　主要大国生物技术发展战略。目前以美国为首的西方主要发达国家已经将发展工业生物技术列入国家重大发展战略。2002年，美国公布新农业法《2002年农场安全与农村投资法案》[1]，制定了生物制品优先采购计划，旨在鼓励使用可持续的生物制造产品；并在《生物质技术路线年，美国将“生物制造技术”列为制造技术挑战的11个主要战略方向之一。2023年3月，美国白宫发布了《美国生物技术和生物制造的明确目标》报告，重新明确了发展目标和优先事项，旨在推进美国生物技术和生物制造的发展。具体目标包括：在5年内，生产超过20种商业化生物产品，实现整个生命周期温室气体排放量减少超70%，并基于生物质或二氧化碳生产食品级蛋白质；在7年内，生产30亿加仑的可持续航空燃料，实现全生命周期温室气体减排50%～70%；在9年内，以低于100美元／吨的价格实现二氧化碳捕集；在20年内，以生物基替代品取代90%以上的塑料和其他商业聚合物，通过生物制造方式满足至少30%的化学品需求，并收集和处理12亿吨可转化的专用植物和废物衍生原料，将6000万吨二氧化碳转化为燃料和化学品。[2]

　　欧盟在其《工业生物技术2025远景规划》中提出：力争于2025年实现以生物能源替代20%的化石能源，化工原料替代率达到6%～12%，精细化学品的替代率不低于30%。到2030年，使用可再生原料的比例将占到化学生产原料总量的30%，高附加值化学品和聚合物的50%，大宗化学品的10%，以及运输能源的25%。欧洲生物产业协会于2016年9月发布的研究表明，工业生物技术已经为欧盟提供了48.6万个全职工作岗位，创造了316亿欧元的产值。

　　我国有关部门也相继出台了一系列生物制造、生物经济相关发展规划和政策。2011年11月，科技部印发《“十二五”生物技术发展规划》，2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，其中明确提出要“大力促进新材料、新能源、高端装备、生物产业绿色低碳发展”。随后，国家发展和改革委员会分别于2016年12月和2022年5月发布《“十三五”生物产业发展规划》和《“十四五”生物经济发展规划》。相关文件的相继出台，为我国生物制造产业的发展提供了政策支撑，有利于以生物制造的高水平发展推动我国经济社会全面绿色低碳转型和高质量发展。

　　生物制造产业发展实践。近年来，美国、欧盟等布局实施“生命铸造厂”和“微生物细胞工厂”等计划，组织多所相关高校和研究所研究利用合成生物学技术，实现生物基材料的标准化设计和制造。此外，国际大型生物科技公司均不同程度加大资金和人才投入力度以构建工业菌种的创研平台，打造核心菌种的市场竞争优势。例如，美国杜邦公司历时12年，投入4亿美元，通过基因工程改造大肠杆菌成功实现了1,3-丙二醇的全生物法合成，彻底颠覆传统石化合成路线，并在多年来持续垄断全球市场。日本味之素公司专门建立了一个1700人的大型研发团队，年投入研发经费3亿美元，使其在氨基酸等核心菌种的相关技术上长期处于国际领先水准。近1～2年来，合成生物学行业投融资尤其活跃，由代谢工程领域创始人Jay D. Keasling创办的生物技术创业公司Amyris实现在酵母中异源表达植物来源的青蒿素基因并进行大规模发酵，使之可以从可再生糖类中源源不断生产青蒿素，据估算每100m的工业发酵罐可以替代5万亩的农业种植。随后该公司推出了另一款明星产品法尼烯，该产品也是通过工业微生物发酵生产而成的，法尼烯不仅可以作为生物航煤，在经过简单的化学反应后，还可以转化成角鲨烯等抗癌药物。除Amyris外，2022年，Ginkgo与Zymergen完成并购成功上市，估值约150亿美元，这使其成为合成生物领域的独角兽企业。

　　从某种程度上来看，生物制造的重要性不亚于芯片研制。目前美国已经明确将生物技术列为禁止出口的关键技术之一，并在减碳、增强农业和粮食创新等领域制定了生物制造的具体战略计划。可以发现，生物制造已经成为大国竞争的焦点。

　　我国生物制造产业发展现状。从国家战略角度来说，无论中国还是美国都高度重视生物制造的战略地位。但从实际发展状况看，我国在相关领域的发展仍面临以下问题，一方面，我国传统石油化工产业在原料方面的对外依存度较高，近年来，我国原油、天然橡胶对外依存度均高于70%，而这会在一定程度上对我国经济和国防安全造成威胁。另一方面，受中美贸易摩擦和新冠疫情等因素影响，逆全球化抬头，我国部分核心化学产品和技术“卡脖子”的问题日益凸显，如尼龙等对国民经济有重大影响的产品仍主要依赖进口，这也折射出当前我国化工领域产品体系、技术体系、产业体系和知识产权体系仍存在一些亟需解决的问题。由此可见，我国化工领域的相关产业应着力推动在绿色原料和技术路线上取得突破，充分利用生物质绿色资源生产液体燃料和化学品，为我国未来化工原料多元化发展战略提供重要的突破口。

　　发展生物制造有望为我国在相关领域实现弯道超车提供新的机遇，进而创造全新的化工产业链和经济增长点。目前该领域国内外技术差距不大，基本处于同一起跑线上。就当前中美两国生物制造领域的发展态势而言，美国的优势主要集中于上游的催化剂设计及基础数据库软件等方面，其短板则主要体现为在本土去工业化的趋势下，其制造业企业大量外流，进而导致其在供应链完整性上存在短板。我国生物制造业虽起步较晚，但近年来发展比较迅速，以低成本、规模化生产等优势取得了部分大宗化学品在产量、规模上的市场优势，在创制生物经济新路线和推动传统化工产业技术升级等应用研究方面已具备一定基础，在部分关键产业领域的生物炼制技术成熟度方面也已走在世界前列。在生物发酵产业领域，我国正在加速由发酵大国向发酵强国转变，产业发展平稳。2022年，生物发酵行业主要产品产量约3150万吨，主要产品产值约2860亿元，[3]新型发酵产品品种和衍生新产品数量持续增加。在生物基材料单体与聚合物产业领域，我国已逐步形成以可再生资源为原料的生物材料单体制备、生物基树脂合成与改性、生物基材料应用为主的生物基材料产业链。此外，我国已建成产能约2万吨的生物基1,3-丙二醇、生物基丁二酸生产线；聚乳酸（PLA）年产能1万吨，位居世界第二；[4]聚羟基脂肪酸酯（PHA）年总产能超过2万吨，产品类型和产量处于国际领先水平。[5]在生物能源方面，自2017年9月国家发展改革委、国家能源局等十五部门联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》以来，我国燃料乙醇行业发展规模迅速扩大。目前，我国已建成产能500万吨，在建产能合计超过300万吨，[6]成为仅次于美国和巴西的世界第三大生物乙醇生产国和应用国。

　　国内生物技术创业企业发展面临的难题。伴随合成生物学投资的热潮，国内也涌现了一批优秀的生物技术创业企业，但其发展也面临着一些亟待解决的难题。首先，对全产业链的整体布局和谋划有待加强。目前，国内生物技术创业企业的主要优势体现在1～2个产品的核心菌种研发平台的构建方面，生产规模还处于0到1或1到100的层面，与大规模的工业生产之间仍有一定差距。鉴于此，此类生物技术创业企业应加强对全产业链的前瞻布局和谋划，早期的一些合成生物学创业企业仅专注于工业菌种的研发和设计，忽略了下游的发酵生产环节，导致生物制造全链条未能得以打通，并致使企业发展和盈利受阻。发酵生产是一个专门的学科，不同菌种的鲁棒性不同，哪怕是利用同一菌种生产不同类型的产品，其温度、pH值、压力条件可能也大不相同，这都需要在研发生产实践中不断探索、积累经验以寻求解决方案。

　　其次，在选品上避免踩坑，需着力解决如何选择底盘菌种以及如何把握目标产品的市场需求两个重要问题。早先，由于大肠杆菌的基因编辑工具相对成熟，大多生物学创业企业选择以其作为初始底盘菌种生产目标化学品，但是如果终端产物为酸性物质，那么大肠杆菌由于本身的耐酸性较差将不足以支撑产物的高浓度积累，而这时再去更换耐酸性菌种进行重新研发则会大幅延长产业化周期并需增加投入资金。然而，选择以其他菌种作为初始底盘菌种也可能存在改造工具不成熟、研发周期长等问题，因此，生物学创业企业需从全局视角出发去平衡质量和效率问题，合理选择底盘菌种。

　　产品的选择无疑是生物科技企业最关注的问题，生物制造的产品主要可以分为三个类别，一是大宗化学品，尽管其产品利润较低但是市场需求量巨大，主要产品生产模式是用低成本、绿色低碳的方式取代传统石油基的产品，成功的案例如凯赛生物法制备长链二元酸，以及杜邦公司发酵法生产的1,3-丙二醇，而杜邦公司通过专利申请将相关的技术和工艺进行了严密的保护，使其产品一直垄断全球市场。二是精细化学品，此类产品附加价值较高且广泛覆盖医药、农药、染料等领域，2022年我国精细化学品市场规模为5.78万亿元，预计到2027年将达到或超过8.10万亿元，而其中有约40%的产品存在价格高昂或工业生产难度大等问题，如果能通过生物制造的方法开发新的生产路线，降低这部分产品的生产成本，并扩大生产规模，也能成为好的商业模式。三是高附加值产品，例如天然药物中间体，之前此类产品的主要获取方式是通过动植物组织细胞培养提取有效成分或化学半合成，如具有抗癌活性的角鲨烯和人参皂苷等都属于此类产品。这些产品单价高但不需要很大的产能，通过构建微生物细胞工厂能够以绿色环保的方式生产该类化合物。

　　对于生物学创业企业而言，合理的选品对其发展至关重要。选择产品时不仅需要慎重考察市场需求，还应争取建立技术门槛，对国内的生物学创业企业而言后者可能更加重要，一旦缺乏技术壁垒，市场上就会迅速出现模仿者，进而压缩产品的利润空间。此外，产品的选择还需重视技术通用性，这方面的典型案例是Amyris最初将法尼烯用于生物燃料生产，但是彼时美国迎来页岩油技术，石油价格大幅度降低，Amyris生产的生物燃料即使在获得政府补贴后也毫无市场竞争力，于是Amyris又开发了将法尼烯的定位转向维生素E合成的新工艺，并因此大获成功。

　　生物制造技术目前主要经历了三个发展阶段：以淀粉和油脂为原料的第一代生物制造技术、以木质纤维素为原料的第二代生物制造技术和以CO2及其衍生物为原料的第三代生物制造技术。当前，我国化学品和材料生产的原料仍主要依赖石油，如果将原料更换为生物基来源则能够实现从源头上减少碳排放。据估算，在工业生产过程中，每使用1kg酶制剂能够降低100kgCO2排放量。生物制造技术的发展，为构建以生物基原料为基础的制造业全产业链创造了现实可能性。

　　以生物基原料为基础建立制造业全产业链的前景展望。随着相关技术的发展，生物制造将推动实现包括生物基材料、食品医药化学品、生物能源等诸多领域的绿色生产。在生物基聚合物材料方面，近年来相关技术发展迅速，例如，过去可降解塑料袋一般采用PBAT（热塑性可降解塑料）制成，但是此类合成塑料的原料是石油化学基产品，而随着生物制造技术的进步，目前常见的1,3-丙二醇、聚乳酸和1,4-丁二醇等生物基原料都能用于生产合成塑料。这些生物基原料也有望以较低的成本实现规模化生产，如杜邦公司采用大肠杆菌发酵生产1,3-丙二醇并长期垄断市场。目前笔者团队设计了一条新的合成途径，并已经进入中试阶段。[7]此外，笔者团队通过凝结芽孢杆菌发酵生产L-乳酸，产量已达到159g/L，而将其分离后即可用于聚乳酸的合成。己二酸和己二胺是尼龙66的合成单体。目前，笔者团队开发了一条生物基己二酸合成途径，[8]通过生物发酵法理论上消耗1摩尔葡萄糖能得到0.87摩尔己二酸，也成功实现在生物体内进一步转化为己二胺，如能实现工业化生产，未来将大幅降低己二酸和己二胺的价格。

　　在生物医药方面，近年来，随着人口老龄化现象的加剧，氨基葡萄糖等药物的需求量持续上涨。氨基葡萄糖不仅是骨关节药品的主要原料还是肝素合成的前体，肝素是著名的抗凝血药物，被广泛应用于治疗心梗和血栓等疾病，目前其主要生产方式是从猪小肠等动物组织中提取；尿酸氧化酶催化尿酸氧化为尿囊素，常用于尿酸的检测和高尿酸血症的治疗。笔者团队研发了高产氨基葡萄糖、肝素前体（heparosan）和尿酸氧化酶的基因工程菌，产量分别达到160g/L[9]、10g/L和24u/mg，处于国际领先水平。此外，笔者团队也已经成功在生物体内通过发酵法全合成肝素，有望彻底颠覆肝素的生产工艺。

　　在日用化学品和食品方面，笔者团队在大肠杆菌中发酵生产1,3-丁二醇，产量已达30g/L，处于国际领先水平。香兰素被誉为食品香料之王，欧洲是香兰素市场的主要消费地区，笔者团队研发了一种高产香兰素的工程菌株，目前已在申请欧洲专利，有望打入海外市场。

　　以上产品都以葡萄糖或为原料，而这些原料主要来源于粮食，这就存在“与人争粮”的隐患，而以木质纤维素为原料的第二代生物制造技术可以解决此类隐患。木质纤维素是一种来源丰富的可再生资源，常见于草木和秸秆等农林废弃物。目前，围绕木质纤维素的研究和利用也已取得新的进展。首先，木质纤维素水解液中富含葡萄糖和木糖，但是其对细胞生长有一定毒性。笔者团队通过适应性进化筛选出一株酿酒酵母，[10]能够耐受秸秆水解液生产生物燃料乙醇，目前已经实现千吨级中试装置开车成功。其次，粘康酸可以用作紫外线防护剂，其通过酶催化能够转化成己二酸。笔者团队通过改造谷氨酸棒状杆菌增强其木糖利用能力，使用秸秆水解液进行生物发酵生产粘康酸，产量高达80g/L，已经具备工业化应用的潜力。[11]此外，石油基生产的对苯二甲酸（PTA）是聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）塑料的单体，目前国内很多机构在研究使用生物基的2,5-呋喃二甲酸来替代PTA，而笔者团队以木质纤维素为原料首次实现两步法制备对二甲苯（PX），PX后续可以通过生物发酵转化为PTA。[12]

　　第三代生物制造技术的原料选择。基于生物制造技术的制造业产业链要完全取代传统石化产业链，需要解决的最大问题就是原料问题。需要明确的是，一方面，不可以大量使用粮食作为原料，另一方面，我国每年产出的秸秆也不可能完全用于生物基领域。鉴于此，未来第三代生物制造技术应主要以二氧化碳（CO2）为原料。

　　CO2的性质非常稳定，将CO2进行生物转化首先需要能量供给，例如在自然界数十亿年的进化中，植物通过光合作用吸收光能将CO2转化为生物质。第三代生物制造技术可以使用风、光、电等可再生能源进行能量供给，采取生物法将CO2转化为乙二醇和乙醇酸，进而彻底重构原料的利用途径。2021年，中科院天津工业生物技术研究所宣布，通过电化学方法耦合多酶级联反应，在国际上首次实现CO2到淀粉的人工全合成，且在淀粉的合成能效和速率上远超玉米等农作物。这项技术表明人类在未来可以超越传统的农作物种植，直接利用CO2进行工业化生产。钢铁冶金、石油化工等工业生产过程所排放的大量尾气中富含CO2和CO，据估算我国每年产生的工业尾气超过万亿立方米。首钢朗泽是全世界首个使用钢铁工业尾气制造饲料蛋白和燃料乙醇的企业，其核心技术就在于一种名为乙醇梭菌的神奇微生物，它能够将工业尾气经过发酵生成梭菌蛋白和乙醇。目前，首钢朗泽钢铁尾气生物发酵法生产燃料乙醇的商业化项目已经调试成功，年产量可达4.5万吨，预计在项目投产后每年将帮助钢铁企业减少17万吨CO2排放。[13]

　　针对可再生能源的选择问题，在第三代生物制造技术的实际应用场景中，光能的传递效率和稳定性较差，电能催化速率快、法拉第效率高，同时也更方便在工厂生产状况下获得。目前，此类电化学生物耦合体系倾向于将CO2还原反应和微生物发酵过程在空间上进行分离，其原因在于通电发酵系统中产生的活性氧对微生物生长有显著毒害作用。CO2通过电催化被还原成甲醇、甲酸和乙酸，这三种C1衍生物均能被微生物直接吸收利用。这里值得特别注意的是乙酸，乙酸是一种C2化合物，大多数模式微生物天然就能利用乙酸，而解脂耶氏酵母和圆红冬孢酵母对高浓度的乙酸有优异的代谢能力。目前乙酸盐的价格为300～350美元／吨，葡萄糖的价格为500美元／吨，相较之下乙酸是一种更加经济的原料并有望进一步降低成本。笔者团队对此开展了两项研究，一是开发了一株酿酒酵母，其能利用甲酸和葡萄糖增产生物燃料脂肪酸，[14]二是通过固态电解质反应器连续催化CO2，同时生成甲酸和乙酸，再进一步供给解脂耶氏酵母发酵法高产法尼烯。[15]此外，我们还在探索生物原位电发酵的工艺，希望能在未来将外源电子直接传导到胞内，这样既能简化反应装置，又能减少过程中的电子损失。

　　随着第三代生物制造技术的发展，部分化学品的生产方式会被彻底颠覆。直接以CO2为原料的生产模式，有望将原本的碳排放扭转为碳负过程，这对我国推进“双碳”目标的实现及培育和发展新质生产力具有重要意义。可以预见，第三代生物制造技术将有望重塑未来制造业产业体系。

　　生物制造具备从源头上降低碳排放的潜力，对我国加快经济社会发展全面绿色转型具有重要作用，也是培育和发展新质生产力的重要途径。未来，我国生物制造的发展应重点聚焦三个方面：一是提高我国自主创新能力，二是保障产业支撑能力，三是攻克重点战略产品的关键核心技术。

　　在提高我国自主创新能力方面，生物制造的关键技术在于高效优质的生物催化剂，包括工业酶和菌种。由于生物制造技术的发展历史较短，目前仍处于加速发展阶段，若能取得工业酶和菌种革新的成果，往往能够快速占据绝大多数市场份额，甚至开辟全新的市场。自主研发的工业酶和菌种正是我国生物制造产业持续发展的根源，因此，未来要着力构建具有自主知识产权的生物学设计工具及软件，突破工业酶设计、细胞设计、超高通量细胞筛选等核心底层技术，建立与工业环境适配的关键生物催化剂。当前，我国生命科学领域相关基础数据库仍主要依赖国外数据中心存储的大规模科研数据，这在大国产业转型升级竞争日益激烈的环境下将为我国相关领域的独立自主发展埋下隐患，为此，我国应加大力度建设具有自主知识产权的数据库。此外，应积极推进生物大数据与数字细胞研究、蛋白质计算与理性设计改造、细胞重编程再造。例如，以AlphaFold（通过机器学习预测蛋白质结构）为基础进行酶的设计和定向进化，可能有望创造出全新的产品合成路径或是突破原有的产品产量限制。

　　在保障产业支撑能力建设方面，要着力构建新型生物制造原料体系，突破生物反应器、生物分离介质等关键设备和材料。我国是发酵大国，氨基酸、维他命、抗生素等发酵生产的传统产品产量已经占到世界总产量的60%～70%。但是在发酵生产设备、产品检测设备等相关设备的国产化水平方面还存在较大改进空间。高速搅拌探头、高精度传感器等国产发酵罐相关的一系列产品质量仍有待提升。过去，相关制造业企业出于成本考虑常忽视对此类关键零部件的研发投入，随着生物制造正式列入国家重点发展规划，相关工业生产机械的国产化替代势在必行。

　　在重大战略产品的核心技术方面，要重点突破CO2生物转化利用、未来食品制造、天然药物和生物健康创新产品的生物合成、可再生化工材料、先进生物航空燃料等领域关键核心技术。以发展CO2为原料的生物利用和第三代生物制造技术为契机，降低对化石资源的过度依赖，加速推进我国制造业原料路径转移，将有助于我国在新一轮生物经济的国际竞争中赢得先机。重点要解决的问题包括：开发有机碳气体的利用途径，突破其生物转化的物质与能量利用瓶颈；开发能够将CO2和电子源转化为液体燃料和化学品的微生物；设计新型生产设备，实现CO2固定器中碳浓度／固定途径的工程设计。

　　[4]《2019年聚乳酸产能向百万吨规模进军，将全面取代传统塑料？》，2019年12月16日，。

　　[6]《〈关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案〉印发》，2017年9月13日，。

　　[13]《首钢全球首套钢铁工业尾气生物发酵制燃料乙醇项目荣获“国家优质工程奖”》，2019年12月9日，。