整理撰稿人：中科院國家科學(xué)圖書館成都分館生物資源與生物技術(shù)團(tuán)隊

陳方（E-mail:chenf@clas.ac.cn）、鄧勇

審稿專家：中科院天津工生所馬延和研究員

1 工業(yè)生物制造是生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分

生物制造是指以生物體機(jī)能進(jìn)行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細(xì)胞或以酶蛋白為催化劑進(jìn)行化學(xué)品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化合成能源化學(xué)品與材料，促使能源與化學(xué)品脫離石油化學(xué)工業(yè)路線的新模式[1]。它以生命科學(xué)的最新發(fā)展為基礎(chǔ)，以設(shè)計和改造生物體為核心，通過生物技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，以先進(jìn)、高效、環(huán)境友好的方式規(guī)模化生產(chǎn)人類所需的能源與化學(xué)品。

目前，利用先進(jìn)生物制造過程，已經(jīng)能夠生產(chǎn)多種基礎(chǔ)化學(xué)品、醫(yī)藥中間體、氨基酸、維生素、高分子材料和染料等產(chǎn)品，可以革新化學(xué)中間體和高值化學(xué)品等生產(chǎn)的化學(xué)工藝；同時，利用先進(jìn)生物制造過程獲取的工業(yè)酶制劑可以用于生物印染、生物漂白、生物制革、生物脫膠等，能夠有效促進(jìn)紡織、造紙、制革、化工等工藝的綠色升級改造。因此，工業(yè)生物制造的發(fā)展對于應(yīng)對資源緊張、能源短缺、環(huán)境惡化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而建設(shè)低碳循環(huán)、綠色清潔的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)體系具有重要戰(zhàn)略意義。

當(dāng)前，現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展逐漸進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，全球生物經(jīng)濟(jì)處于起步向快速發(fā)展的轉(zhuǎn)折期，生物制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已成為現(xiàn)代生物經(jīng)濟(jì)和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。

世界主要國家與地區(qū)都將生物制造作為生物經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略中的規(guī)劃重點。歐盟于2012年2月發(fā)布《創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展：歐洲生物經(jīng)濟(jì)》戰(zhàn)略[2]，提出增加研發(fā)投入和開發(fā)生物基產(chǎn)品市場等內(nèi)容。美國奧巴馬政府于2012年4月發(fā)布《國家生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖》[3]，提出采取切實行動促進(jìn)生物技術(shù)研究創(chuàng)新，以應(yīng)對健康、食品、能源和環(huán)境挑戰(zhàn)。我國科技部在2011年11月發(fā)布《“十二五”現(xiàn)代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃》[4]，提出到“十二五”末期初步建成現(xiàn)代生物制造創(chuàng)新體系的總體目標(biāo)；2013年2月，國務(wù)院印發(fā)了《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[5]，提出提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性、推動生物制造產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的主要任務(wù)。

2 現(xiàn)代生物技術(shù)正推動生物制造創(chuàng)新體系的形成與發(fā)展

基礎(chǔ)生物學(xué)研究的快速發(fā)展使得技術(shù)方面的障礙已不再像過去那樣難以逾越。DNA測序的進(jìn)步、蛋白組學(xué)的跨越式進(jìn)展以及合成生物學(xué)領(lǐng)域的突破引領(lǐng)了生物學(xué)的空前進(jìn)步，進(jìn)一步推動了工業(yè)生物制造體系的形成與發(fā)展。

隨著基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)研究的發(fā)展，功能性人工合成生物體系的構(gòu)建將使得多種化合物的綠色和高效生物制造成為可能；隨著生物煉制、生物催化、生物加工與現(xiàn)代發(fā)酵等生物過程工程技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)生物制造的產(chǎn)業(yè)支撐能力將進(jìn)一步得到增強(qiáng)。

石油化工原料替代性路線、化學(xué)工藝的生物法替代性路線是國際工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的重點方向。近年來對微生物的基因重組與合成生物學(xué)組裝、系統(tǒng)生物技術(shù)優(yōu)化，構(gòu)建了石油化工產(chǎn)品的生化合成通道，是生物技術(shù)領(lǐng)域的新熱點，1,3丙二醇、3-羥基丙酸、丁二酸、類異戊二烯、1,4-丁二醇、異戊醇、丙烯酸等傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)品的生物制造，已經(jīng)或即將取得對石油路線的競爭優(yōu)勢，全球生物基材料技術(shù)不斷創(chuàng)新，生物塑料、生化纖維已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，生物橡膠概念輪胎已被推出。基于生物催化劑的綠色生物催化技術(shù)不斷進(jìn)步，在原料藥及其中間體、農(nóng)藥及其中間體、化妝品及其中間體，以及其他精細(xì)化學(xué)品的合成中逐漸應(yīng)用，不斷創(chuàng)造節(jié)能減排典型案例。

經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）預(yù)測，生物基化學(xué)品和其他工業(yè)產(chǎn)品（不包括生物醫(yī)藥產(chǎn)品）在全部化學(xué)品產(chǎn)量中的比重有可能從2005年的1.8%提升至2015年的12%—20%，到2030年進(jìn)一步提升到35%[6]。世界經(jīng)濟(jì)論壇（WEF）報告預(yù)測到2020年，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料、能源與化學(xué)品的技術(shù)將為全球帶來2300億美元的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

3 中國面臨工業(yè)生物制造快速發(fā)展的良好機(jī)遇

我國是傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)大國，近年已經(jīng)形成一定的生物制造產(chǎn)業(yè)格局，正在逐漸形成以市場為導(dǎo)向、企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、上下游鏈?zhǔn)降墓I(yè)生物制造體系。經(jīng)過近年發(fā)展，我國科研人員在人工細(xì)胞工廠構(gòu)建等方面不斷取得原始創(chuàng)新突破；一批大宗發(fā)酵產(chǎn)品的國際競爭力實現(xiàn)了大幅提升，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益；針對一批化學(xué)原料藥與中間體生產(chǎn)開發(fā)了清潔高效的生物工藝，在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時，節(jié)能、節(jié)水、減少有毒物質(zhì)與廢水排放效果也較為顯著。

我國在氨基酸、維生素等傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品和大宗發(fā)酵產(chǎn)品方面具有量產(chǎn)優(yōu)勢，具備生物法生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品的技術(shù)能力。在生物能源方面，正在積極開發(fā)由非糧作物轉(zhuǎn)化的生物燃料，并將微藻原料利用作為生物柴油發(fā)展的主要方向。在生物基材料方面，已實現(xiàn)年產(chǎn)5000噸聚乳酸（PLA）的生產(chǎn)能力（世界第二）、年產(chǎn)1萬噸聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的能力、年產(chǎn)1萬噸二氧化碳共聚物（PPC）的能力（世界第一）、年產(chǎn)2萬噸以上淀粉基材料的能力，成為目前唯一應(yīng)用微生物發(fā)酵技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)多種長碳鏈二元酸的國家；聚羥基脂肪酸（PHA）年總產(chǎn)能超過1.8萬噸，產(chǎn)業(yè)化種類和產(chǎn)量都處于國際領(lǐng)先地位；并于2012年建成全球首條生物質(zhì)制取聚乙烯醇（PVA）生產(chǎn)線。

當(dāng)前，工業(yè)生物制造的發(fā)展正在為世界經(jīng)濟(jì)增長注入新的活力，加速現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程，我國在工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域也將面臨新的發(fā)展機(jī)遇。一方面，生命科學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域與其他學(xué)科研究的交叉與融合將帶來新的科學(xué)突破，加強(qiáng)合成生物學(xué)等具有重要影響和有可能發(fā)生重大變革的新興學(xué)科研究與相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，將有力提高我國在先進(jìn)工業(yè)生物制造領(lǐng)域的核心競爭力；另一方面，全鏈條的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系的建立與完善將推動技術(shù)重大變革，發(fā)展基于高效生物催化劑的現(xiàn)代生物制造科技及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將有效促進(jìn)我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。

4 未來10年中國可能取得的突破

未來10年，圍繞工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大需求，我國在酶蛋白與生物催化劑的結(jié)構(gòu)與功能、微生物代謝與合成生物學(xué)、復(fù)雜生物過程的原理與規(guī)律等方面的科學(xué)研究將會取得新的突破。預(yù)期我國將在基因組功能解析、計算設(shè)計、化學(xué)合成和系統(tǒng)優(yōu)化等取得突破的基礎(chǔ)上，構(gòu)建全新的、具有國際影響的“合成生物體”，實現(xiàn)糖、非糧生物質(zhì)、有機(jī)廢物等可再生生物質(zhì)資源，甚至工業(yè)廢氣（一氧化碳、二氧化碳）等的高效轉(zhuǎn)化利用，改變功能材料、工業(yè)化學(xué)品與藥品合成的現(xiàn)有生產(chǎn)模式，大幅提高生物產(chǎn)品的生產(chǎn)水平，制造出一系列經(jīng)濟(jì)可行并能與石油基產(chǎn)品競爭的能源與化工產(chǎn)品，建立國際領(lǐng)先的工業(yè)生物制造技術(shù)體系[8]。

1 科技部.“十二五”現(xiàn)代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃.2011.http://most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2011/201112/W020111202596694213952.doc.

2 EU.Innovating for Sustainable Growth:a Bioeconomy for Europe.2012.http://ec.europa.eu/research/bioeconomy/pdf/201202_innovating_sustainable_growth.pdf.

3 The White House.National Bioeconomy Blueprint Released.2012.http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/national_bioeconomy_blueprint_april_2012.pdf.

4 科技部.“十二五”現(xiàn)代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃.2011.http://most.gov.cn/fggw/zfwj/zfwj2011/201112/W020111202596694213952.doc.

5 國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知.2012.http://www.zdt.com.cn/flgz/fg/201302/P020130227359851717264.doc.

6 OECD.The Bioeconomy to 2030:designing a policy agenda.2009.http://www.oecd.org/document/48/0,3746,en_2649_36831301_42864368_1_1_1_1,00.html.

7 World Economic Forum.The Future of Industrial Biorefineries.2010.http://www3.weforum.org/docs/WEF_FutureIndustrialBiorefineries_Report_2010.pdf

8 中國科學(xué)院.科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020的戰(zhàn)略選擇.北京：科學(xué)出版社，2012，18.