北化工校长谭天伟院士：打造生物制造新增长引擎 加快发展新质生产力

打造生物制造新增长引擎

加快发展新质生产力

谭天伟

中国工程院院士、北京化工大学校长

生物制造作为生物技术与先进制造深度融合的颠覆性范式，已成为全球新一轮科技革命和产业变革的制高点。生物制造通过重构物质生产底层逻辑，推动制造业向绿色化、智能化、可持续化跃迁，是培育新质生产力、重塑全球竞争格局的核心引擎。2023年中央经济工作会议提出，打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业，开辟量子、生命科学等未来产业新赛道。2025年政府工作报告提出，建立未来产业投入增长机制，培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未来产业。这标志着生物制造已上升为国家战略科技力量的重要组成部分，成为现代化产业体系建设的关键突破口。

生物制造是变革传统制造模式的重大方向，也是未来生物经济的新引擎。我国实现生物制造的跨越式发展，需以“三步走”战略为核心，即突破底层技术、重构产业生态、主导国际规则，推动生物制造从实验室创新向规模化应用跨越。唯有强化“技术－工程－政策”协同，方能抢占未来生物经济高地，为高质量发展注入新动能。

一、生物制造：全球产业变革下的中国战略抉择

破解传统产业困局，激活高质量发展新动能。生物制造技术凭借原料可再生、过程绿色化、产物可设计等优势，在可辐射能源、化工、食品、医药等多个国民经济关键领域起到关键作用，成为破解传统制造业资源依赖高、碳排放强度大、技术迭代滞后等结构性矛盾的核心抓手。产品制造方式对国民经济发展至关重要，我国目前在这一领域仍主要依赖石油化工、有机合成及植物提取等传统制备方式，技术更新换代较难，难以应对市场需求的快速变化和新兴技术的挑战。以可降解材料单体二元酸的生产过程为例，该品类产品2023年国内产值达7亿元，当前仍高度依赖化学催化氧化过程，生产过程产生大量废气、废水和固体废弃物，过程能耗高且污染大，亟须实现制造方式转型升级。又如食品行业替代蛋白，目前我国大豆自足率不到15%，每年需进口1亿吨，折合成耕地资源需要7.61亿亩，占当年粮食总播种面积的43.3％，替代蛋白产业严重受制于大豆进口量。通过微生物蛋白合成技术规模化替代传统种植模式，可构建“非耕地依赖型”蛋白供应链，破解资源约束困局。生物制造是以科技创新引领我国现代化产业体系建设的重要内容，也是催生新产业、新模式、新动能，发展新质生产力的关键力量。

锚定“双碳”目标，构建负碳工业新范式。生物制造具有显著的低碳特征，是实现“双碳”目标的重要途径。当前我国石化与煤化工产业年碳排放总量接近9亿吨，占工业总排放量的比例约为23%。生物制造凭借“可再生碳源利用－低碳工艺设计－产品碳封存”的全生命周期负碳特性，成为实现碳中和的关键路径。据测算，生物基产品较石化路线平均减排50%~70%，若在化工、材料领域实现30%的替代率，2030年前可累计减排超15亿吨二氧化碳。更深远的意义在于，生物制造可以将二氧化碳直接转化为航空燃料、高端化学品，形成未来新型的工业制造路线和技术体系，推动制造业从“碳消耗”向“碳循环”跃迁，为“双碳”目标的实现提供技术支撑。

二、全球竞争格局与技术产业化挑战

技术突破与产业化临界点。近年来，基因编辑、AI驱动的生物设计、高通量DNA合成等底层技术快速迭代，推动生物制造迈向产业化关键阶段。例如，基因测序成本十年内下降万倍，DNA合成成本已低于0.006美元/Mb，为细胞工厂构建提供了经济性基础。基于CRISPR-Cas系统及衍生的基因组编辑和碱基编辑技术已经在大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、酿酒酵母等重要底盘微生物中得到广泛应用，为生物制造技术的研究和应用提供了强大的工具。AI技术更在蛋白质结构预测与酶设计领域取得突破，DeepMind的AlphaFold平台预测，依托来自100万个物种的超2亿种蛋白质结构，科学家有望设计出自然界不存在的、具有更高催化效率的或是具有未知催化功能的酶，从而开发出更加高效的代谢线路或是合成自然界中目前无法生物合成的物质。基于底层技术的不断突破，生物制造正推动前沿生物技术向现实生产力加速转化，目前正处于产业化形成的临界点。

国际竞争与产业链博弈。在过去几年间，世界各国和地区充分认识到生物制造成长于发酵产业，但不等同于传统发酵产业，是传统发酵产业和合成生物学前沿技术高度耦合的新型产业。生物制造在制造业转型、绿色低碳发展及生物经济实现方面的巨大潜力得到了充分认可，国内外产业界及学术界均对生物制造的应用给出了乐观预测。根据麦肯锡预测，原则上市场60%的产品可以采用生物制造的方法进行生产，预计在未来10~20年将直接产生约4万亿美元的经济价值。预计到21世纪末，生物制造有望创造30万亿美元的经济价值，占全球制造业的1/3。美欧已将生物制造定位为“21世纪经济主权争夺战”的核心战场。2022年以来，美国签署启动“国家生物技术和生物制造计划”行政令，发布《美国生物技术和生物制造远大目标》等一系列战略政策，构建覆盖DNA合成、AI生物设计、生物铸造厂的全链条体系，意在完全掌控生物技术和生物制造全产业链。欧盟通过“地平线2020”和“地平线欧洲”等研究框架计划，系统布局生物制造领域的研究。德国通过了“国家生物经济战略”，积极推动合成生物技术在工业领域的应用，巴斯夫、赢创等化工巨头在生物制造技术的产业化方面取得了显著成果。全球合成生物学和生物制造领域的竞争格局已逐渐形成，我国虽在下游产业链与应用生态具备优势，但上游基因编辑、数据库等核心技术仍受制于人。需警惕美国“设计－制造”闭环模式对我国产业链的挤压，亟须通过自主创新实现全链条突破。

三、我国生物制造产业发展的瓶颈与挑战

经过多年发展，我国生物制造核心产业规模快速增长，生物发酵工业、生物基化学品以及生物基材料等主要产业规模已超过8000亿元。氨基酸、有机酸的产量位居世界首位，淀粉糖居世界第二位，我国发酵产能在全球占比超过70%，拥有转型为现代生物制造的庞大基础。国内企业已基本掌握了大规模发酵工艺，凭借完善的工业基础和庞大的消费市场，我国在发展生物制造方面具有独特优势。从生产链条角度看，既有针对大宗产品如液体燃料、材料单体等的可再生原料替代，还有针对纺织、冶金等过程的过程替代，也有发展重组胶原蛋白等特殊产品应用的产品替代；从公司规模看，既有大型企业集团出于自身维持产业发展的自我革新，也有以合成生物制造为唯一产业内核的新型公司，生物制造领域的企业呈现出平台型公司、产品导向型公司及混合型公司等不同特征。

生物制造是一个相对新兴的产业，学术界和投资界的衔接相当紧密。生物制造领域过去数十年的发展主要聚焦于前沿底层生物技术的开发，实现了众多“从0到1”的突破。世界范围内诸多成功课题组均得到投资公司的青睐，投资公司纷纷加入到生物制造产业的开拓中，双方在此过程中探索了学术界与初创公司混合办公、教授转型VC（风险投资）等不同形式的融合发展方式。

特别值得注意的是，尽管拥有高强度资金投入，前沿合成生物技术在实现生物制造产业化的过程中仍存在大量技术瓶颈，大量合成生物学初创公司因未能走完从概念到产品、再到市场的全部流程而最终失败。作为合成生物制造领域最具代表性的公司之一，Amyris公司的发展历程非常具有代表性。基于实验室获得的优异实验结果，Amyris在上市之初就借着合成生物学的“东风”，为投资界描绘了利用生物发酵法尼烯替代石油基航空燃料的宏大愿景，但很快便发现产品的大规模应用及推广不及预期，无法复现实验室结果。根据实验室结果而形成的成本分析和产能数据给公司带来了巨大压力，于是Amyris公司便转向附加值更高的化妆品、液体橡胶等行业，并注册了大量品牌进行商业推广。但是，该公司最终还是在2023年申请了破产保护。

由此可见，未来生物制造的发展需要做好顶层设计，从全产业链的视角去设计合成生物制造产业“原料－催化剂－过程－产品”等协同发展的行业技术体系。当前，我国生物制造规模化发展仍面临诸多挑战。

一是原料体系单一化。目前90%的生物制造项目依赖玉米淀粉等粮食基原料，木质纤维素、CO２等非粮原料的利用率不足5%，原料成本占比超60%。

二是工业适配性缺失。经底层生物技术人工设计或改造的生物催化剂无法实现与工业原料和工业环境的良好匹配，导致工业规模的放大过程存在挑战。实验室菌种在规模化生产的过程中面临环境耐受性差、代谢通量低等“达尔文悖论”，使得工程放大的成功率低于10%。

三是分离纯化成本高。生物制造的下游分离过程未得到充分重视，如生物基材料单体纯度需达99.9%以上，传统分离工艺导致成本占比超40%，制约商业化进程。

四是产品经济性欠缺。生物制造可制备的产品品类仍不够宽广，高附加值品类少，发酵产能结构性过剩问题突出。同时，以合成生物学为底层技术的生物制造新产品市场准入缓慢，导致企业国际竞争力不足。

四、发展建议：构建自主可控的产业生态

突破底层技术壁垒，打造自主创新体系。重视底层技术研发，推动生物技术与人工智能融合创新，弥补和国际领先国家在数据、软件等底层技术方面的差异。重点突破酶及细胞设计的关键底层技术，实现特殊功能酶分子的设计以及高鲁棒性的底盘菌株的构建，打造适配工业环境与工业原料的生物催化剂体系。构建具有自主知识产权的数据库及软硬件保障体系，建成大规模DNA合成与智能组装、标准生物元件及菌种库、自动化工程生物设计基础设施，建设“蛋白质结构预测－代谢网络建模－细胞工厂虚拟迭代”智能设计平台，提升我国生物制造原始创新能力。开发具备自主知识产权的高通量DNA合成仪、在线代谢监测传感器、模块化生物反应器等专用装备，实现关键设备自主可控。

重构原料供给体系，激活非粮资源潜力。打造不依赖粮食与耕地、兼顾中远期发展，可大规模持续供应的碳、氮等生物制造原料供给体系。突破预处理酶解效率低、抑制物耐受性差等技术瓶颈，发展可再生能源驱动的二氧化碳生物炼制过程，形成木质纤维素、二氧化碳等一系列特色资源原料利用技术体系，构建符合中国特色的原料体系，支撑我国生物制造实现规模化发展。

强化国家级中试平台建设，加速技术商业化落地。面向产业共性需求，建设一批可辐射中小创新企业的通用型生物制造的中试放大平台和中试基地，提供“菌种设计－工艺验证－产品认证”全链条服务，有效推进从基础研究到制造生产的每个放大阶段的技术创新迭代，将技术转化周期压缩至3~5年，加速推进初创企业及科研院所“从0到1”的突破性技术进入量产阶段。

推动传统产业升级，培育未来增长点。推动传统发酵行业的转型升级，通过发酵产能的优胜劣汰和合理调整，改变我国发酵行业长期微利甚至亏损运行的现状，充分发挥我国在产业链完整度上的优势。吸收化工过程强化等领域的最新成果，最大程度降低生产过程的能耗、功耗。更需要开发具备自主知识产权的各类传感器和发酵过程控制软件，实现过程控制策略、控制软件及装备一体化优化，打造中国自身的品牌发酵保障企业。同时要依托化工、医药等行业的龙头企业，围绕未来绿色发展和新经济模式构建的重大需求，开发生物航空燃料、低碳生物基化学品与材料、替代蛋白等重大战略产品，建立新一代生物制造产品体系和产业示范。

创新政策工具箱，优化产业生态。在京津冀、长三角和珠三角地区建设生物制造产业的先行先试集聚区。加速孵化一批潜力初创企业，支持大型央企和龙头企业与初创企业合作，共同构建生物制造创新生态和前沿阵地。积极探索体制机制和政策的先行先试，在知识产权、科技成果转移转化、人才引进、金融扶持等方面设立绿色通道，给予更大力度的政策倾斜。完善新产品入市安全性评价标准和市场准入的评审制度，促进创新成果转化和产品快速入市，形成一批具有国际影响力的新产品和新标准。加快建立生物基产品低碳综合评价体系和减排量化标准，尽快将生物基产品纳入碳交易市场，利用税收和市场机制提升生物制造产品竞争力，保障生物制造产业实现健康可持续发展。