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农业观察 | “细胞工厂”里的创新力量

2026-08-24 00:39:03

“这些发酵罐中，数万亿肉眼看不见的微生物正不知疲倦地干活——吃下玉米淀粉、葡萄糖等，生成各类产品。”微元合成创始人刘波向记者递来一小杯透明黏稠的液体，“这就是用微生物生产出的阿洛酮糖，跟蜂蜜口感很像。”

阿洛酮糖热量极低。过去，阿洛酮糖的生产长期面临成本高、工艺流程复杂的难题。而合成生物制造，能让设计好的生命体将淀粉糖在体内转化成阿洛酮糖。目前，微元合成旗下工厂已可量产阿洛酮糖等多款产品。

“生物制造与‘双碳’目标非常契合，人类需要用新的方式解决能源和材料问题。”北京化工大学生命科学与技术学院党委书记、教授曹辉说。

“生物制造主要有两大发展方向：一是替代化学合成，二是替代动植物组织提取。化学合成经济性好，但环境不友好，动植物组织提取则常常成本高昂或不易得。”中国科学院微生物研究所项目研究员刘树文告诉记者，“这就是我们希望把更多制造从化工厂等搬到‘细胞工厂’的重要原因。”

什么是“细胞工厂”？

无论是大学和科研机构的实验室，还是生物制造中试平台和生产基地，记者看到最多的就是大大小小的发酵罐，里面就是不计其数的“细胞工厂”。“简单来说，生物制造就是通过生物体来实现加工制造的过程。它主要利用细胞——如细菌、酵母、动植物细胞等，通过酶催化其自身的生理代谢，‘吃下’原料，代谢出人们需要的物质，并通过工程化技术进行规模化生产。”曹辉说，这就是发酵罐里的“造物”过程。

如果说生物制造替代化学合成，比拼的是谁更便宜、谁更绿色，那在替代动植物组织提取方面，生物制造的表现更为亮眼。

以曾被称为“软黄金”的透明质酸为例。过去提取透明质酸，需要大量的公鸡鸡冠。如今国内企业通过“细胞工厂”生产透明质酸，生产成本大幅下降。仅华熙生物一家，在全球透明质酸原料市场份额中占比就超过四成，产品销往70余个国家和地区。

再比如氨糖，这是膝关节保健品的重要原料。以前用虾蟹壳打碎之后的粉加浓盐酸进行降解提取，成本高、废酸污染严重。国内企业成功开发微生物发酵法，生产成本降至传统提取工艺的1/4。依托技术优势，我国氨糖原料出口量占全球市场的60%—70%。

“生物制造能助力很多领域降本增效，甚至可能彻底改变一个产业。”曹辉说。

技术产业化面临多种挑战

和其他技术的产业化路径相同，生物制造也需要经过原始创新、技术转化和产业化，才能从实验室走向大市场，其中每一步都不易。

刘树文介绍，生物制造的技术链条可分为3个核心环节：一是菌种设计，即通过“设计—构建—测试—学习”的循环打造“细胞工厂”；二是发酵工艺，即放大培养与过程控制；三是分离纯化，即产物提取与精制。“后两个环节我们基本与国外先进水平相当，甚至工程化能力更强，产业链效率更是全球最高。最大的挑战是在菌种设计环节，源头创新不足。”刘树文说。

“菌种（包括酶）是生物制造的基础，也是最关键的部分。如何提高菌种代谢效率、原料适应性和工艺匹配性，已经是生物制造中的核心竞争点。”国家先进功能纤维创新中心主任、东华大学教授王华平告诉记者，“大自然中的菌种和酶非常多，首先要识别出哪些是高效可用的，然后对菌种进行编辑、改性和提升。这个过程需要使用基因测序设备和基因编辑工具。原来都是进口的，现在华大基因等中国企业也能够提供国产化基因测序设备，但有些设备与国际最先进水平相比还存在一定差距。”

江南大学未来食品科学中心教授康振告诉记者，当前，生物制造已成为各国抢占科技和工业领先地位的新赛道，竞争焦点就是底层核心技术主导权。“当前的主要挑战是底层核心专利仍被海外垄断；基础数据库、生物设计工业软件自主化不足；菌种设计仍以迭代改良为主，能用但不领先、可应用但难引领；高端特种菌种与底层工具卡脖子风险突出。”康振说。

另一大挑战是通过中试检验。中试是从实验室到产业化的关键环节和必经关卡，华熙生物中试成果转化中心总经理王恩旭告诉记者，实验室里表现优异的菌种和工艺，一旦放大到几吨甚至几十吨级的发酵罐，整体成功率大约只有20%。

AI技术重塑生物制造全流程

利用玉米或秸秆里的糖分，“喂饱”基因编辑过的微生物，并代谢出基础单体化学品，再经聚合、复合，变成一种密度仅为钢的1/4、比铝轻1/3的高性能生物基材料，这是上海凯赛生物的创新技术。如今，公司生产的新材料已走出实验室，应用在新能源车的电池外壳、无人物流车的车厢、航空冷链的温控箱等。

研发端仍在提速。凯赛生物投资了生物大模型企业“分子之心”，用AI（人工智能）设计和预测蛋白质结构，直接改造酶和菌种。仅数月，便可把野生菌的产率提升5倍。

多位受访专家认为，“十五五”时期，在国家战略引领、技术突破赋能、市场需求拉动等多重因素驱动下，生物制造将迎来全面提速的黄金发展期。尤其是AI技术的快速进步正在重塑生物制造从研发到生产的全流程。

以菌种设计环节为例，过去研发是试错模式，现在则是计算驱动。“将AI的数据模拟与真实实验结合，成功率和完成效率大幅提升。过去构建一个菌种可能要10年的研发时间，现在已缩短到1—2年。”曹辉说。

AI加快了技术迭代的速度，但生物制造还有一个更根本的问题要回答：应该让“细胞工厂”吃什么？

专家介绍，生物制造的原料正在不断演进。一代原料是玉米等粮食作物。这是当前的主流选择，便宜且效率最高，但也存在“与人争粮”的担忧。二代原料是秸秆等农林废弃物。转化效率低于粮食，收集、储运等成本更高，技术难题尚待突破。三代原料是甲醇、乙酸等化工副产物或一碳化合物。终极目标则是直接使用大气中的二氧化碳。曹辉表示，钢铁厂炼钢时产生的工业尾气，经过乙醇梭菌的代谢转化，可以变成粗蛋白含量超过80%的鱼饲料蛋白，这样的工艺已在部分钢企规模化应用。

王华平认为，我国在生物制造领域可以利用整个制造链和产业链的完整优势，实现规模化量产，最终形成全球竞争力。另外一个优势是能源优势，如果能将清洁能源与生物制造耦合，将太阳能、风能融入生物制造过程，以秸秆和二氧化碳为原料，将新能源系统与生物制造体系融合，就有可能建立一个可持续的、从资源到产品的完整体系。

来源：人民日报

作者：《中国经济周刊》孙冰孙庭阳

中再生农林废弃物综合利用分会依托自身优势，联合相关行业协会、科研院校及专业服务机构为地方政府、产业园区、特色优质企业提供产业规划、项目策划、考察调研、研究报告、活动合作、标准编制、技术推广、企业宣传、产品发布、运营指导、孵化培训等。联系电话：18500281178（同微信）

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