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之子于归
生物制造,第四次工业革命?
当归专业号 | 2024-1-15

中央经济工作会议强调,以科技创新引领现代化产业体系建设。提升产业链供应链韧性和安全水平。大力推进新型工业化,发展数字经济,加快推动人工智能发展。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。

生物制造被认为具有引领“第四次工业革命”的潜力。

根据经济合作组织预测,到2030年相关产业规模将达到全球工业生产总值的35%。

《“十四五”生物经济发展规划》明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向,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”。

大力发展生物制造产业,将助力我国加快构建绿色低碳循环发展经济体系,推动生物经济实现高质量发展。

加快推进新型工业化

发挥新质生产力作用

生物制造,是指以工业生物技术为核心的先进生产方式,即以基因工程、合成生物学等前沿生物技术为基础,利用菌种、细胞、酶等生命体生理代谢机能或催化功能,通过工业发酵工艺规模化生产目标产物的制造过程。

中国工程院院士、南京工业大学生物与制药工程学院教授应汉杰认为,生物制造将促进我国制造业的转型升级以及新业态的出现。

生物制造具有原料可再生、过程清洁高效等特征,可从根本上改变化工、医药、能源、轻工等传统制造业高度依赖化石原料和“高污染、高排放”不可持续的加工模式,减少工业经济对生态环境的影响,推动物质财富的绿色增长和经济社会可持续发展。在资源有限和环境问题日益凸显的情况下,生物制造技术是缓解能源资源矛盾、推动经济社会可持续健康发展的有效方案。

在绿色发展方面,生物制造可以降低工业过程能耗、物耗,减少废物排放与空气、水及土壤污染,大幅度降低生产成本,提升产业竞争力。在低碳发展方面,生物制造可以利用天然可再生原料,实现化学过程无法合成或者合成效率很低的石油化工产品的生物过程合成,促进二氧化碳的减排和转化利用,构建出工业经济发展的可再生原料路线。在循环发展方面,生物制造可以提高自然资源利用效益,实现废弃物回收利用,提升能源效率,促进产业升级,形成“农业-工业-环境-农业”的良性循环模式。

生物制造技术怎样帮助人类应对环境挑战?世界经合组织曾对6个发达国家进行分析,结果表明:生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%-80%,原料消耗35%-75%,空气污染50%-90%,水污染33%-80%,生产成本降低9%-90%。世界基金委员会预测,到2030年,工业生物技术每年将可降低25亿吨的二氧化碳排放。

同时,生物制造是典型的高技术制造业,可以与新一代信息技术、细分行业先进生产技术深度融合,加快生物制造发展,有助于拉动制造业研发、资本等投入,缩短新品研发周期,提升产品附加值和工厂生产效率。随着生物制造产业规模持续扩大,还可以有力带动技术、装备及检测、包装等服务型制造、生产性服务业协同发展。

另一方面,依托生物制造技术,能够实现化工原料和过程的替代,有望彻底变革未来物质加工和生产模式。

用于生物制造的可再生生物质资源包括糖、油脂、非粮生物质、有机废弃物,甚至工业废气、二氧化碳等,可以生产一系列能源与化工产品,包括基础化工原料、溶剂、表面活性剂、化学中间体,以及塑料、尼龙、橡胶等高性能生物环保材料和生物制剂,或生产原料药、疫苗和抗体药物,推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型,甚至生产淀粉、蛋白质、油脂等食品成分,颠覆未来农产品供给模式。

中国工程院院士、浙江工业大学教授郑裕国认为,理论上,全球一半以上的重要化学品可以用生物制造方法获得,但目前真正实现生物制造的产品仅占很小一部分。从技术赋能经济发展角度来看,理论比例和实际应用之间的巨大差距,意味着新的经济增长点。这也是世界各国抢占生物制造科技制高点的原因所在。

中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟也表示“生物制造的范围非常广,而且能够实现零碳经济的需求。”他认为,随着科技与产业的不断创新,全球70%的产品都可以用生物法生产,涉及的行业也越来越广,而且,不依赖化石资源的生物创新产品和制造过程,能促进气候目标和碳排放目标的实现。

在过去的几十年里,中国科学家们在合成生物学领域取得了许多重要的研究成果和应用进展,成为全球合成生物学领域的重要参与者和推动者。

中国科学院天津工业生物技术研究所科学家团队在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产转变成为可能。

清华大学合成与系统生物学中心团队筛选出了适应力非常强的工业微生物菌株嗜盐菌Halomonas,实现了生物制造产业关键核心技术的突破。

中国农业科学院团队历时15年研究,通过解析大豆疫霉菌几丁质合成酶的冷冻电镜结构,成功破译几丁质生物合成完整过程。几丁质俗称甲壳素,是自然界中数量最多的天然高分子聚合物之一,广泛存在于真菌以及节肢动物、软体动物等外壳中,可用于食品、医用材料、药品等行业。

加快建设基于绿色生物制造的现代化经济体系,构建生物制造产业双循环新发展格局,有利于我国在国际生物经济竞争中赢得主动、把握先机。

各地纷纷“出招”

布局生物制造

据不完全统计,全球已有60多个国家或地区制定生物制造或生物经济的专门政策,更新国家与地区生物经济发展战略,细致制定生物制造发展路线图和行动计划。

2012年,美国《国家生物经济蓝图》将以基因组学、合成生物学为代表的生物制造技术作为重点发展领域加以支持。2022年9月12日,美国总统拜登签署了旨在推动美国生物技术生产和研究的行政命令。据报道,该命令的目标是促进美国在制药、农业、塑料和能源等行业的本土制造能力。2023年3月22日,美国又发布了《生物技术和生物制造明确目标》,目标是在20年内用生物基塑料替代现有90%的塑料,在供应链端,20年内通过可持续和具有成本效益的生物制造方式生产满足美国对于化学品至少30%的需求。

2014年,欧盟《工业生物技术工业路线图》提出生物制造技术的主要研究与发展方向,并提出在2030年将生物基产品或可再生原料替代份额增加到25%的发展目标。欧盟《工业生物技术远景规划》提出,2030年生物基原料将替代6%-12%化工原料、30%-60%精细化学品;2050年在航空领域全部使用可持续生物航煤。

2019年,日本《生物战略2019》强调“力争通过发挥日本的生物制造优势并融合IT技术,为开拓和扩大市场、解决社会问题及实现可持续发展目标等做贡献”。日本经产省2021年2月发布的《生物技术驱动的第五次工业革命报告》,将智能细胞和生物制品列为生物经济领域优先发展方向。

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重要抓手。

国家发展改革委印发的《“十四五”生物经济规划》,是我国首部聚焦生物经济发展的五年规划,规划中提出,“充分发挥我国生物经济发展优势,推动生物技术赋能经济社会发展,加快构建现代生物产业体系,有序推进生物资源保护利用,着力做大做强生物经济,加强国家生物安全风险防控和治理体系建设,提高国家生物安全治理能力,切实筑牢国家生物安全屏障。”

另外,国家发展改革委还支持了12个国家生物产业基地建设,牵头通过了《产业结构调整指导目录》《鼓励外商投资产业目录》等机制,促进生物技术产业化发展。

在省、市级层面,2021年以来,生物制造产业相关政策数量呈现爆发式增长。据不完全统计,各地政府纷纷“出招”,发布相关政策,聚焦自身优势,从集群培育、配套设施建设、技术创新、人才培养、资金扶持等多角度出发,全方位支持产业发展。

河北省在《河北省“十四五”生物经济发展规划》《河北省战略性新兴产业发展“十四五”规划》等文件中明确了生物制造产业相关重点发展方向,还举办了全国首个省级层面生物制造产业发展大会,成立产业发展联盟,积极培育了石家庄高新区、唐山生物能源产业基地、邯郸生物色素产业基地、辛集生物添加剂产业园、山海关生物制造产业园等一批重点集聚区。

深圳市光明区围绕合成生物制造产业出台合成生物科技专项配套、专业资质认证、合成生物产业平台建设、合成生物企业专精特新认定、合成生物学术氛围等相关资助、支持政策,推动生物制造基础设施和实验室建设,成立深圳合成生物学创新研究院ASBA中心。2023年5月,印发《关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》,聚焦推动形成“基础研究+技术攻关+成果产业化+科技金融+人才支撑”全过程创新生态链,打造全球合成生物创新策源地和产业集聚地。

2023年10月24日,上海发布《上海市加快合成生物创新策源打造高端生物制造产业集群行动方案(2023-2025年)》,要求聚焦合成生物技术在生物医药、先进材料、消费品、能源和环保五大领域的应用,推动生物制造高端化、绿色化发展。计划到2025年组建5个以上合成生物功能型平台,实现一批具有核心竞争力的转化项目,形成一批有产业应用价值的国际合作项目,培育10个以上在国内外具有一定影响力的创新引领型企业;吸引5家以上企业建设区域或研发总部,新增3-5家合成生物领域企业上市,培育1-2家年销售收入超过10亿元的优势企业,建设3个左右具有特色和国内领先优势的产业基地。到2030年,建设合成生物全球创新策源高地、国际成果转化高地和国际高端智造高地,基本建成具有全球影响力的高端生物制造产业集群。

12月13日,杭州市合成生物产业政策发布暨产业对接会在萧山召开。作为国内首个地级市层面的合成生物专项政策,会上新发布的《杭州市支持合成生物产业高质量发展的若干措施》聚焦提升创新研发能力、促进产业集聚发展、健全生态服务体系等三个方面,对合成生物创新研发、产业化、特色园区和公共服务平台建设等方面给予资助,最高达1亿元,力争实现合成生物“研发-转化-产业”协同发展。

龙头企业勇立潮头

经过多年发展,我国生物制造发展取得长足进步,细分子行业门类逐步增多,核心产业增加值规模快速增长,形成一批细分领域特色产业集聚区,也涌现了一批生物医药、化工、材料、食品领域的上市公司勇立潮头,不仅积极革新生产原料、革新物质加工工艺,更成为引领行业技术迭代和产业升级的重要参与者。

其中,长三角地区成为重点企业聚集最多的地区;北京、广东等省份依托科研、人才等要素优势,在原始技术创新领域占有优势,同时,也聚集了一批行业重点企业;华北、华中地区,湖北、河北、安徽等省份骨干企业数量较多,具有发展的良好潜力;西部地区以聚焦特色天然产物生物制造、食品配料的生物科技企业为主。

2022年11月,北京首钢朗泽科技股份有限公司利用经选育后的乙醇梭菌,可将炼钢尾气转化为生物乙醇及新型饲料蛋白等高附加值产品。目前公司已形成21万吨乙醇产能,2.3万吨蛋白产能规模,通过优化厌氧发酵工艺,可在常温(37℃)常压下实现工业尾气一步转化为生物乙醇,发酵反应速度快(22秒以内),能源转化率达60%,成本较粮食乙醇降低30%以上。

华恒生物专注于丙氨酸细分市场15年,是国际上首个实现L-丙氨酸厌氧发酵产业化的企业。L-丙氨酸也是公司销量最多的丙氨酸产品,主要用作生产新型绿色螯合剂 MGDA、维生素 B6 以及食品添加剂等。华恒生物可再生葡萄糖为原料厌氧发酵生产L-丙氨酸的关键技术已达到国际领先水平,目前其L-丙氨酸的市场份额全球第一。

丰原集团在安徽蚌埠市固镇的生产基地,已经投资170多亿元,建成30多个生物发酵、生物材料、生物能源及生物肥料等项目,其中乳酸、聚乳酸的产能全球最大,苹果酸则是全球首条生物法工艺生产线,生物多元醇、生物碳酸酯、秸秆制糖联产高效黄腐酸有机肥等项目均是世界首条生产线。

智飞生物关注全球生物制药前沿技术,紧跟产业发展潮流,布局包括mRNA、腺病毒载体、新型佐剂、多联多价等九大疫苗研发技术平台。公司着力推动研发技术向创新成果转化,今年多款在研管线产品取得了临床阶段进展。目前,卡介菌纯蛋白衍生物(BCG-PPD)进入Ⅱ期临床试验,重组B群脑膜炎球菌疫苗(大肠杆菌)进入Ⅰ期临床试验,治疗用卡介苗、Omicron BA.4/5-Delta株重组新冠病毒蛋白疫苗获得临床试验批准通知书。

浙江珲达生物成功开发并向国内外数十家科研机构商业化供应纯度高达98%以上的衣霉素(Tunicamycin)。衣霉素为放线菌代谢产生的一种核苷酸抗生素,具有阻断生物被膜形成的作用,可用于抑制革兰氏阳性菌、真菌和病毒的生长和繁殖,还有望用于抗肿瘤治疗。

华大智造作为全球少数几家具有自主研发并量产临床级高通量基因测序仪能力的企业之一,于2023年2月推出“DNBSEQ-T20×2”超高通量测序仪,可支持6张载片同时运转,每年可完成高达5万人全基因组测序,创造了全球基因测序仪通量的新纪录,单例成本低于100美元。

发展态势固然喜人,但不可否认,我国生物制造产业仍然面临一些问题。

从产业规模看,我国生物制造核心产业增加值占工业增加值比重仅2.4%,低于美、欧、日的11%、6.2%、3.2%,在工业经济占比有待提高,如2022年美国广义生物制造总额4388亿美元,对该国经济影响达43%。

从产业结构看,中高端配料及装备供给能力不足,部分关键原配料及装备依赖进口,如工业核心菌种、酶制剂等核心原配料对外依存度在70%以上;疫情期间,进口除病毒过滤器供货期由2个月延长至10个月以上,部分生产企业直接面临停产。

而在促进科技创新与产业化方面,我国针对生物制造产业的专门性、系统性政策还有待加强,在建或已建的生物产业科技基础设施尚未形成统一管理、数据互通的资源数据共享体系,基于生物资源和生物技术的存量数据优势尚未充分发挥。

清华大学教授、清华大学合成生物学研究中心主任陈国强认为,“新的科研成果运用于行业,有很多工作可以做。”实验室出来的东西必须经过工业上很多精雕细琢,才能变为一个工业产品。因此,他认为,科学家包括工程师都应该更多地参与这个过程。只有这样,产品才会在开发过程中不断解决问题,最后才能够从实验室成功走向市场。

(中国战略新兴产业融媒体记者 李子吉)

原标题:《生物制造,第四次工业革命?》

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