原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第23 期 《 中國生物制造關(guān)鍵技術(shù)進展與未來趨勢 》

生物制造作為實現(xiàn)綠色低碳和可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)路徑，正沿著“原料—技術(shù)—過程—產(chǎn)品”全產(chǎn)業(yè)鏈加速演進?！犊萍紝蟆费堉袊こ淘涸菏孔T天偉團隊撰文，文章分別從原料端、技術(shù)端、過程端、產(chǎn)品端重點介紹了生物制造原料向非糧生物質(zhì)拓展的最新進展、設(shè)計應(yīng)用、技術(shù)融合創(chuàng)新及應(yīng)用前景。最后，提出關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向，為未來生物制造的技術(shù)路線與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

生物制造是指利用生物系統(tǒng)或其組成成分，通過原料替代、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新或新產(chǎn)品開發(fā)等方式，實現(xiàn)能源、化工、材料、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的低成本、規(guī)?；涂沙掷m(xù)生產(chǎn)的一種新型工業(yè)生產(chǎn)模式。未來的生物制造正加速從傳統(tǒng)發(fā)酵驅(qū)動向智能化、生物設(shè)計驅(qū)動的顛覆性制造范式躍遷。

在全球新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的浪潮下，生物制造作為生物技術(shù)與先進制造深度融合的核心方向，承載著推動制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的歷史使命。近年來，國家層面將生物制造明確納入未來戰(zhàn)略體系。2024年，政府工作報告提出要“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟等新增長引擎”，并在2025年再次強調(diào)要“培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未來產(chǎn)業(yè)”，標志著中國生物制造發(fā)展進入國家戰(zhàn)略的新階段。

1 生物制造的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢

生物制造是利用生物技術(shù)和生物過程，通過微生物、酶、植物或動物細胞等生物體作為生產(chǎn)平臺，制造各種化學品、材料和能源等產(chǎn)品的可持續(xù)生產(chǎn)模式。生物制造的核心產(chǎn)業(yè)鏈包括原料供應(yīng)、生產(chǎn)平臺（菌株與酶）、裝備、過程與工藝、產(chǎn)品管理與廢棄物處置等環(huán)節(jié)（圖1）。應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了能源、化學品、材料、食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化妝品等多個行業(yè)，并在不斷拓展和深化中。

生物制造作為一種新興的工業(yè)生產(chǎn)模式，經(jīng)歷了從基礎(chǔ)研究到技術(shù)應(yīng)用的多次革新。早期的生物制造主要依賴傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵技術(shù)，用于生產(chǎn)基礎(chǔ)化學品和生物制品。近年來，生物制造底層技術(shù)與關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)不斷取得突破。

圖1 生物制造產(chǎn)業(yè)鏈框架

1.1 生物制造原料向非糧生物質(zhì)拓展

隨著木質(zhì)纖維素和一碳化合物高效利用技術(shù)的不斷突破，生物制造的原料體系正逐步從“糧食依賴”向更多元化的非糧生物質(zhì)拓展。這些新型原料不僅有效緩解了生物制造對可食糖類原料的高度依賴，也有助于減少與糧食生產(chǎn)在土地和資源上的競爭。尤其值得關(guān)注的是一碳化合物，如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲酸（CH2O2）、甲醇（CH4O）等，正成為下一代生物制造的重要候選原料。

在具體技術(shù)實踐上，美國Ginkgo Bioworks公司開發(fā)的工程菌株已能夠高效將木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為稀有糖。諾維信公司設(shè)計并開發(fā)的新型纖維素酶和酵母菌株，則能夠?qū)⒗w維素向乙醇的轉(zhuǎn)化率達到92%。更前沿的平臺如LanzaTech公司的氣體發(fā)酵技術(shù)，開創(chuàng)了“負碳生產(chǎn)”的新模式，為低碳綠色制造提供了新的解決方案。

1.2 高性能菌種及酶的開發(fā)向精準化、智能化演進

在生物制造體系中，微生物菌種是負責原料轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品合成的“生物工廠”，而酶則作為其中的“生物催化劑”，加速和調(diào)控代謝反應(yīng)。因此，高性能菌種與高效酶體系的開發(fā)是提升生物制造生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量的核心因素。

傳統(tǒng)生物技術(shù)主要依賴實驗研究、數(shù)據(jù)分析和模型輔助，通過物理、化學和生物學方法對生物過程進行改造。隨著基因編輯技術(shù)的持續(xù)突破，特別是成簇規(guī)律間隔短回文重復序列（CRISPR）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，微生物代謝途徑的精準調(diào)控與系統(tǒng)重構(gòu)進入了快速發(fā)展階段。生物制造從傳統(tǒng)的經(jīng)驗式改造，邁向機制驅(qū)動的精準代謝工程新時代，使細胞“按需設(shè)計”的愿景逐步成為現(xiàn)實。與此同時，非模式微生物和極端微生物底盤的開發(fā)取得重要進展。此外，國際大型生物科技公司也在不斷加強工業(yè)菌種研發(fā)平臺的建設(shè)，通過打造核心菌種來提升市場競爭力。

在精準化技術(shù)快速演進的同時，AI正成為推動菌種與酶設(shè)計智能化的關(guān)鍵驅(qū)動力。AI已能輔助建立更準確的細胞代謝圖譜，實現(xiàn)代謝瓶頸識別、通路優(yōu)化和策略自動生成。菌種開發(fā)正從傳統(tǒng)的“試錯優(yōu)化模式”轉(zhuǎn)向機制驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能決策、定制合成的新時代，為精準化與智能化的生物制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界正在構(gòu)建基于AI的全流程自動化平臺：美國伊利諾伊大學開發(fā)的集AI設(shè)計—構(gòu)建—測試—學習于一體的智能工程化平臺，已應(yīng)用于番茄紅素生物制造；Ginkgo Bioworks公司通過引入AI和自動化機器人技術(shù)，推動了基因工程的產(chǎn)業(yè)化。

在戰(zhàn)略層面，美國政府已將AI與生物技術(shù)融合列為國家戰(zhàn)略重點。2022年，美國總統(tǒng)簽署“國家生物技術(shù)和生物制造計劃”，未來5年將對100萬種微生物的基因組進行測序，并系統(tǒng)解析至少80%的新發(fā)現(xiàn)基因功能。這一戰(zhàn)略不僅推動生物制造智能化升級，也為生物技術(shù)創(chuàng)新提供了政策和技術(shù)范例。

1.3 過程工程技術(shù)及核心裝備向模塊化、智能化迭代

傳統(tǒng)生物制造在工業(yè)化過程中面臨諸多瓶頸，嚴重制約了產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率。生物制造過程工程正在朝著模塊化和智能化系統(tǒng)集成的方向發(fā)展，推動裝備設(shè)計理念和生產(chǎn)范式的升級，實現(xiàn)從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)的無縫銜接。

模塊化設(shè)計通過標準化生物反應(yīng)器、分離純化單元等功能模塊的解耦，實現(xiàn)了“即插即用”式柔性組裝，大幅提高了工藝的靈活性和拓展性。進一步地，虛擬反應(yīng)器模型的構(gòu)建使工藝預(yù)調(diào)試、故障預(yù)測與動態(tài)優(yōu)化成為可能，從而提高了生產(chǎn)過程的精確性與可靠性。在制造工藝中，增材制造等個性化、精準化技術(shù)的引入使得復雜組織和器官的仿生制造成為現(xiàn)實。此外，響應(yīng)環(huán)境刺激的材料開發(fā)、分離效率和選擇性的提升，將成為未來研究的重點方向。

2 中國生物制造的核心技術(shù)問題與挑戰(zhàn)

中國生物制造整體實力已接近國際先進水平，部分領(lǐng)域已實現(xiàn)領(lǐng)先。然而，中國在生物制造領(lǐng)域仍面臨一系列技術(shù)與產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)，以下從產(chǎn)業(yè)鏈不同階段簡要闡述幾個關(guān)鍵的技術(shù)問題（圖2）。

圖2 生物制造產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)問題與挑戰(zhàn)

2.1 資源利用與原料替代的技術(shù)瓶頸

目前，中國生物制造產(chǎn)業(yè)主要依賴以淀粉類物質(zhì)為代表的糧食資源，約90%的初級原料來自玉米等糧食作物。這種“以糧造料”的模式不僅加劇了“與民爭糧、與畜爭飼”的資源矛盾，還削弱了產(chǎn)業(yè)原料供應(yīng)的安全性和自主可控能力，成為制約生物制造可持續(xù)發(fā)展的重要障礙。

相比之下，中國非糧生物質(zhì)資源極為豐富，涵蓋農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物及有機生活垃圾等多種類型，具有巨大的資源潛力。然而，在非糧生物質(zhì)的利用上仍面臨較大挑戰(zhàn)，尚未實現(xiàn)規(guī)模化和高附加值的有效利用。因此，構(gòu)建多元化、非糧化原料體系，已成為推動生物制造高質(zhì)量發(fā)展、突破資源約束的關(guān)鍵突破口。

2.2 核心菌種的自主可控性問題

中國在微生物菌種資源的自主掌控能力上仍存在明顯短板，關(guān)鍵工業(yè)菌種和酶制劑的高度依賴已成為制約生物制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要瓶頸。特別是2025年4月4日起美國對中國科研人員訪問敏感生物醫(yī)學數(shù)據(jù)的限制，提高微生物資源的自主掌控能力，已成為保障國家生物安全、推動生物制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的首要任務(wù)。

2.3 生物催化劑設(shè)計與底層技術(shù)短板

中國在生物催化劑智能設(shè)計領(lǐng)域起步較晚，與國際先進水平仍存在顯著差距。中國在酶設(shè)計、分子對接等核心技術(shù)環(huán)節(jié)，仍大量依賴國外開發(fā)的如AlphaFold、RoseTTAFold、AutoDock等算法與平臺，關(guān)鍵技術(shù)的自主性亟待突破。

在菌種構(gòu)建方面，中國普遍通過敲除或過表達合成途徑中個別基因來優(yōu)化菌種，但這種方法周期長、效率低，難以滿足高性能工業(yè)菌種快速構(gòu)建的需求。中國在菌種設(shè)計的基礎(chǔ)算法與軟件開發(fā)、高性能底盤細胞優(yōu)化、基因元件性能評估及表達調(diào)控的精細化等方面仍處于追趕階段，亟需加快自主構(gòu)建工程化菌種系統(tǒng)平臺，推動技術(shù)集成和自主創(chuàng)新。

2.4 高端裝備與智能制造能力的不足

中國生物制造在裝備與自動化體系方面存在明顯短板，尤其是在高端科研儀器和關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的對外依賴度較高，這已成為制約自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)安全的關(guān)鍵因素。因此，構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端裝備體系，發(fā)展智能化、標準化和可控的制造平臺，是推動中國生物制造跨越式發(fā)展的關(guān)鍵支撐。

3 中國生物制造未來關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向與關(guān)鍵任務(wù)

為實現(xiàn)生物制造的規(guī)?；⒅悄芑途G色化發(fā)展，亟需圍繞全產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)開展系統(tǒng)性的技術(shù)攻關(guān)。未來生物制造的技術(shù)突破將集中在原料供應(yīng)、細胞工程、裝備體系與過程控制以及終端產(chǎn)品拓展4大方向。以下將從原料端、細胞工程、裝備過程和產(chǎn)品應(yīng)用等方面系統(tǒng)闡述未來生物制造的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向與核心任務(wù)（圖3）。

圖3 生物制造關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向與關(guān)鍵任務(wù)

3.1 原料端：發(fā)展一碳原料轉(zhuǎn)化與非糧資源的利用技術(shù)

針對二氧化碳、一氧化碳、甲烷等低成本可再生碳資源，以及農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物和木質(zhì)纖維素等豐富的非糧生物質(zhì)資源，未來應(yīng)重點發(fā)展高效的原料轉(zhuǎn)化關(guān)鍵技術(shù)。

1）一碳原料高效轉(zhuǎn)化。開發(fā)可高效利用一碳原料的新型發(fā)酵技術(shù)和化學/多酶級聯(lián)催化體系，突破一碳原料到目標產(chǎn)品生物合成技術(shù)。

2）非糧生物質(zhì)資源利用。充分利用中國豐富的非糧生物質(zhì)資源，實現(xiàn)原料的高轉(zhuǎn)化率與高附加值利用。構(gòu)建木制纖維素原料的智能化生物利用路線，實現(xiàn)從原料到目標化學品的高效轉(zhuǎn)化。

3）智能化與工程化應(yīng)用。打通一碳原料及非糧資源的高效人工生物利用路徑，構(gòu)建智能生物發(fā)酵和催化技術(shù)平臺。完成一碳原料與非糧資源向化學品生產(chǎn)的工業(yè)放大驗證與全生命周期評估，推進規(guī)模化生產(chǎn)示范與推廣應(yīng)用。

3.2 細胞工程的智能設(shè)計與創(chuàng)制

在生物制造體系中，酶和菌種是生物制造的核心驅(qū)動要素，因此，未來生物制造的重點之一是發(fā)展工業(yè)酶和菌種的精準挖掘和智能設(shè)計技術(shù)。

1）工業(yè)酶的智能開發(fā)。深入解析重要酶種的催化機制與構(gòu)效調(diào)控原理，結(jié)合AI模型和大數(shù)據(jù)分析，精準發(fā)掘具有全新功能、新穎序列和高生物活性的酶基因資源。與此同時，開發(fā)新型生物基元反應(yīng)，利用酶催化反應(yīng)替代傳統(tǒng)化學難以合成的反應(yīng)。此外，還需開發(fā)適配性強的固定化材料與技術(shù)，實現(xiàn)高性能固定化酶制劑的低成本規(guī)模化制備。最終，要構(gòu)建基于AI驅(qū)動的工業(yè)酶智能開發(fā)技術(shù)體系，實現(xiàn)酶信息的精準挖掘和性能提升方法的快速創(chuàng)新。

2）智能細胞工廠與精準生物發(fā)酵。應(yīng)開發(fā)基于規(guī)則、數(shù)據(jù)驅(qū)動和AI方法的基礎(chǔ)開源工具和算法，致力于細胞的AI建模，為細胞工廠的設(shè)計和優(yōu)化提供指導。其次，建設(shè)極端微生物資源庫，并開發(fā)高效基因編輯技術(shù)，以大幅提升非模式微生物細胞工廠的制造能力。同時，利用AI分析大規(guī)模生物數(shù)據(jù)，建立集細胞代謝與過程控制為一體的智能細胞工廠技術(shù)。

3.3 裝備與過程：智能細胞工廠、精準生物發(fā)酵、智能裝備

發(fā)展多元化的生物過程智能感知設(shè)備與在線檢測技術(shù)，實現(xiàn)溶氧、pH值、溫度、底物濃度及代謝產(chǎn)物等關(guān)鍵參數(shù)的實時高精度監(jiān)測。融合大數(shù)據(jù)和AI等前沿技術(shù)，建立精準放大模型。通過開發(fā)智能生物反應(yīng)器和過程強化技術(shù)，構(gòu)建“智能感知—智能決策—智能調(diào)控”的生物反應(yīng)過程智能控制系統(tǒng)。此外，建立關(guān)鍵支撐材料數(shù)字設(shè)計平臺，推動新一代智能生物制造系統(tǒng)的構(gòu)建。

1）高性能分離與材料技術(shù)。建立關(guān)鍵支撐材料的數(shù)字化設(shè)計平臺，開發(fā)高精度分離介質(zhì)，實現(xiàn)分離效率和選擇性的雙重提升。推動連續(xù)化分離工藝及裝備的研發(fā)，實現(xiàn)過程集成化、模塊化與可擴展性。探索響應(yīng)性材料和智能分離技術(shù)，提高工藝的靈活性和穩(wěn)定性。

2）智能裝備與過程集成。構(gòu)建智能化、模塊化的生物制造系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗室—中試—工業(yè)生產(chǎn)的無縫銜接。結(jié)合AI與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率、降低能耗和資源消耗。推動智能裝備與細胞工廠、精準生物發(fā)酵的深度耦合，為生物制造的綠色低碳、柔性化和高通量化提供支撐。

3.4 產(chǎn)品端：生物制造驅(qū)動的多領(lǐng)域產(chǎn)品體系拓展

生物制造不僅催生了高能量密度生物燃料、可持續(xù)材料、環(huán)境友好型產(chǎn)品和創(chuàng)新食品等新興產(chǎn)品，更推動了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重構(gòu)與新業(yè)態(tài)涌現(xiàn)，帶來顯著的經(jīng)濟效益、社會價值和戰(zhàn)略意義。

1）能源領(lǐng)域推動綠色低碳替代。應(yīng)重點布局生物航空燃料、生物氫能等可再生替代能源。

2）化學品領(lǐng)域突破生物基平臺化合物。應(yīng)重點突破生物基有機酸、多元醇、胺類等平臺化合物的合成瓶頸，為化工行業(yè)脫石化、降碳化提供重要支撐。

3）材料領(lǐng)域構(gòu)建可再生材料體系。材料端應(yīng)大力發(fā)展高性能可降解塑料、生物基纖維、復合材料等關(guān)鍵產(chǎn)品，推動材料體系從石化依賴向可再生資源依托轉(zhuǎn)型。

4）醫(yī)藥領(lǐng)域合成生物學驅(qū)動藥物創(chuàng)新。應(yīng)加快合成生物學驅(qū)動的藥物中間體、中藥活性成分、天然產(chǎn)物和疫苗的開發(fā)，以增強中國醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

5）食品與農(nóng)業(yè)構(gòu)建非耕地依賴型營養(yǎng)供應(yīng)體系。在食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)大力發(fā)展替代蛋白、代糖、功能性食品和生物農(nóng)資產(chǎn)品，推動農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型與糧食安全保障。

6）環(huán)境治理與高端精細化應(yīng)用，拓展戰(zhàn)略新興賽道。在環(huán)境治理方面，應(yīng)發(fā)展生物降解材料與綠色修復制劑；在高端精細應(yīng)用方面，應(yīng)面向消費升級與產(chǎn)業(yè)前沿，提升中國在新興產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中的國際話語權(quán)。

未來，需要通過政策引導、標準建設(shè)、示范推廣和國際合作，加快推動生物制造產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用與國際化發(fā)展，使其成為支撐綠色低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)支柱。

4 結(jié)論

隨著科技的不斷發(fā)展，生物制造已逐漸從傳統(tǒng)的以糧食為原料、依賴手工實驗的模式，轉(zhuǎn)向更加智能化、綠色低碳、非糧資源化的生產(chǎn)路徑。

未來，生物制造將著重突破智能細胞工廠、精準生物發(fā)酵與核心裝備國產(chǎn)化等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建更高效、穩(wěn)定、安全的制造體系。智能化技術(shù)的深度融入將推動生物制造由經(jīng)驗驅(qū)動向“計算驅(qū)動??智能決策”轉(zhuǎn)型，加速細胞工廠設(shè)計、路徑重構(gòu)與過程優(yōu)化。同時，非糧資源和一碳原料的廣泛應(yīng)用，將為生物制造開辟全新的原料供應(yīng)渠道，減緩傳統(tǒng)糧食資源與生物制造之間的競爭與矛盾，提升產(chǎn)業(yè)韌性。

盡管中國在生物制造領(lǐng)域已取得顯著進展，但仍面臨許多挑戰(zhàn)，必須加大基礎(chǔ)研究投入，推動關(guān)鍵技術(shù)突破，進一步提升產(chǎn)業(yè)自主可控能力。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)體系提升與政策制度保障，中國有望進一步夯實在生物制造領(lǐng)域的核心競爭力，為推動全球綠色經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮更加重要的引領(lǐng)作用。

本文作者：云慧敏、陳必強、譚天偉

作者簡介：云慧敏，北京化工大學綠色生物制造全國重點實驗室，北京化工大學國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學經(jīng)濟管理學院，講師，研究方向為生物制造系統(tǒng)建模與優(yōu)化、全生命周期分析等；陳必強（通信作者），北京化工大學綠色生物制造全國重點實驗室，北京化工大學國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學生命科學與技術(shù)學院，教授，研究方向為生物催化劑工程；譚天偉（共同通信作者），北京化工大學綠色生物制造全國重點實驗室，北京化工大學國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京化工大學生命科學與技術(shù)學院，教授，中國工程院院士，研究方向為生物能源、生物材料、生物基化學品。

文章來 源 ： 云慧敏, 陳必強, 譚天偉. 中國生物制造關(guān)鍵技術(shù)進展與未來趨勢[J]. 科技導報, 2025, 43(23): 24?32 .

本文有刪改，

內(nèi)容為【科技導報】公眾號原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)載
白名單回復后臺「轉(zhuǎn)載」

《科技導報》創(chuàng)刊于1980年，中國科協(xié)學術(shù)會刊，主要刊登科學前沿和技術(shù)熱點領(lǐng)域突破性的研究成果、權(quán)威性的科學評論、引領(lǐng)性的高端綜述，發(fā)表促進經(jīng)濟社會發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學文化、促進科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的決策咨詢建議。常設(shè)欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。