生物製造是利用生物組織或生物體（酶、微生物細胞等）進行物質加工，生產相關產品的先進工業模式。
作為生物經濟的重點發展方向，生物製造是培育新質生產力的重要手段之一。今年的《政府工作報告》明確提出：“積極打造生物製造、商業航天、低空經濟等新增長引擎。”
生物製造與傳統的製造方式有何不同？我國生物製造的發展現狀如何？打造生物製造新增長引擎該從哪些方麵重點發力？請看記者的采訪。
改變生產原料、製造工藝，生物製造革新物質生產方式
北京市順義區中德產業園，北京微構工場生物技術有限公司（以下簡稱“微構工場”）的生產線連著實驗室。記者到訪時，科研人員正將小瓶內的微黃色液體加入小型發酵罐中。電機轉動，液體隨即與發酵罐內的水和碳源一起均勻攪拌。
“這是讓液體內的菌株在發酵罐內‘快速生長’。”微構工場董事長徐絢明向記者解釋，微生物菌株像一個個“細胞工廠”，通過“吃”發酵罐內的物質，最終“長”出PHA（聚羥基脂肪酸酯）材料。
PHA是一類可降解的生物基高分子材料，加工成塑料後既可生產日常用品，也可製作醫療植入材料。塑料等大宗化學品，通常以石化資源為原料，再經過複雜的化工工藝提煉而成；生物製造則以澱粉糖、油脂、纖維素等可再生物質為原料，通過生物合成的方法生產。
不隻是原料不同，生物製造與傳統的物質加工過程也不一樣。“生物製造是對生物體進行的工程化改造，發酵過程能夠在溫和條件下完成。這種發酵方式既降低能耗，也減少了工廠設備投入。”徐絢明說。
記者在車間看到，這裏既沒有專門的高溫、高壓生產設備，也沒有高大的壓力存儲罐。在實驗室內通過中試驗證後的菌株，接下來會被放入大型的生物反應器進行發酵。發酵車間的技術人員告訴記者，發酵的溫度維持在37攝氏度左右即可。
提取純化車間緊挨著發酵車間。在這裏，發酵液經過固液分離等工序，PHA便從細胞中分離出來，再通過烘幹等簡單工序後製成顆粒，就成為加工產品的原料。
PHA材料是采用生物製造方式生產的諸多新產品之一。由於生物製造在生產原料、製造工藝、產品性質等方麵均有重大革新，因此被視為製造領域的“工業革命”。
“作為一種顛覆性技術，生物製造是我國產業轉型升級的‘綠色動力’，也是實現綠色發展的重要途徑。”中國工程院院士、北京化工大學校長譚天偉說。
由於石油、天然氣等石化資源相對不足，我國的化工原料對外依存度較高。譚天偉認為，生物製造技術為我國的化工原料多元化提供了新途徑。與傳統的石化路線相比，目前生物製造可平均節能減排30%—50%，未來這一比例有望達到50%—70%。此外，生物製造還可以將二氧化碳直接轉化為燃料和化學品，有助於“雙碳”目標的實現。
“通過生物製造實現蛋白質、澱粉、油脂、糖等的發酵合成，既能顯著減少對自然資源的依賴，也有望變革現有的農產品生產方式，更好保障國家糧食安全。”譚天偉說。
我國生物製造研究穩步推進，產業發展前景廣闊
生物製造蘊含的巨大潛力，使其成為國際競爭的前沿陣地。
我國生物製造研究可圈可點。“十三五”期間，科技部啟動了綠色生物製造國家重點研發專項。“在科技界和產業界的共同努力下，近些年我國生物製造在底層工具、關鍵技術等方麵取得了重要突破，一些領域的探索走在世界前列。”譚天偉說。
走進位於北京化工大學的國家能源生物煉製研發中心，實驗室一個連著一個，科研人員正在專心致誌地工作，有的在培養菌株，有的在修飾基因，有的在進行樣品檢測。
“該中心瞄準國家重大發展需求和產業技術前沿，在生物質轉化製備生物能源、生物基化學品、生物材料等領域取得諸多研究成果。”指著搖瓶內的發酵液，北京化工大學生命科學與技術學院教授曹輝告訴記者，“這是我們在搖瓶內測試菌株的生長情況。隻有通過反複實驗，才能找出適合工業用途的菌株。”
專家介紹，從發酵原料看，當前以澱粉和油脂為代表的第一代生物製造商業化比較成熟；以木質纖維素為原料的第二代生物製造，逐步進入中試和產業化示範階段。為進一步降低生物製造的原料成本，科研人員正在探索以二氧化碳為原料的第三代生物製造。
在國家能源生物煉製研發中心的一間實驗室內，整齊排列著四個玻璃瓶，瓶蓋和瓶底分別接著導管，通電後瓶內開始冒氣泡。“這是我們嚐試用電化學的方法固定二氧化碳。”曹輝解釋，2021年，我國科學家通過多酶級聯催化的方法首次實現了從二氧化碳到澱粉的從頭合成。目前，科研人員正在探索用二氧化碳製備生物燃料和生物基材料，開辟二氧化碳工業轉化的新空間。
利用生物製造方式，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製造的方法獲得，發展潛力巨大。
不斷發展的生物製造技術，也開始造福人類。比如，利用生物製造技術，科研人員根據患者的特定需求和遺傳背景研發個性化的新藥物、新療法，提高治療效果。
“在醫藥、農業、食品、化工等領域，生物製造都有廣闊的施展空間。”譚天偉說，隨著相關技術的發展，生物製造還有望向采礦、冶金、電子信息等行業拓展，為經濟高質量發展注入更多新動能。
補短板、鍛長板，加快推進生物製造產業發展
近年來，從國家到地方，我國加快布局生物製造產業。2022年國家發展改革委印發《“十四五”生物經濟發展規劃》，把推動生物製造發展列為重要內容。依托中國科學院天津工業生物技術研究所等機構，天津市的合成生物技術研發和產業發展正穩步推進。去年9月，上海市發布了《上海市加快合成生物創新策源 打造高端生物製造產業集群行動方案（2023—2025年）》。北京市將合成生物製造產業作為未來產業的重要支撐，該市的合成生物製造技術創新中心於今年1月落戶未來科學城。
發展生物製造，我國有何優勢？“我國生物發酵產業規模龐大，產量約占全球的70%，完善的發酵產業體係為生物製造產業提供了堅實的基礎。”清華大學合成與係統生物學中心主任陳國強認為，未來，隨著人們對健康、綠色、環保產品的需求持續增加，生物製造產業發展的空間將越來越大。
我國發展生物製造麵臨哪些挑戰？陳國強表示，目前我國擁有自主知識產權的微生物菌種還不多，部分關鍵裝備仍依賴進口。此外，生物製造部分產品產業鏈尚不完善，科技成果的轉化效率還有待提高。“我們麵對的競爭是全球性的，必須補短板、鍛長板，加快推進生物製造產業發展。”
“作為一個新興產業，生物製造從原始創新到產業落地周期比較長，也存在一定的不確定性。”譚天偉說，要快速開發針對特定需求的生物製造關鍵技術，提高從源頭創新到產業發展的效率。
譚天偉建議，在科技創新方麵，必須重視底層數據庫、軟件及工業菌株和酶的設計與應用，推動生物製造與人工智能融合，提升我國生物製造的原始創新能力；在平台建設方麵，要做好實驗室研究與中試驗證的銜接，通過搭建產業共性需求平台等方式，加速創新成果“從0到1”“從1到100”的進程；在產業扶持方麵，要盡快完善相匹配的監管機製和市場準入機製，打造生物製造產業先行先試示範區。
生物製造涉及的環節多，靠單個企業或科研院所難以打通產業鏈全過程。陳國強認為，要構建新的產業生態係統，讓產業鏈上下遊的參與者各展所長，通過集群化發展模式，實現共同進步。“特別是要推動化工、醫藥、材料等工業領域與生物製造技術深度融合，進一步擴大生物製造技術的應用範圍。”陳國強說。（記者 喻思南）
來源：酶、微生物細胞
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