生物制造

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生物制造(bio-manufacturing)

　　生物制造是指将生物科学和工程学的成果应用于工业制造领域，以可再生生物质资源为原料，开发新产品的制造路线，大规模生产人类所需的化学品和高分子材料等。

　　生物制造是基因技术的具体产品应用和工业规模生产，包括生物制造的新产品、新工艺、新技术。生物制造体现在三个方面，即仿生设计、生物制造工程和生物过程加工工程。

　　1．仿生设计

　　仿生设计或仿生学是借鉴生物的某些特殊的功能，改善机器设计。研究生物、模仿生物的各种特征，生物的自组织、自生长、自生成、遗传等许多特性和规律，启迪制造，形成新的制造技术原理。这些仿生原理在制造技术上的应用将促进制造技术的变革。

　　2．生物制造工程

　　上世纪末美国提出组织工程，将细胞加工制造成材料和组织，其应用包括医疗设备、整形植入物、组织工程化的修复物、人工器官等。从制造科学的角度看，组织器官就是各种功能细胞按特定结构装配成的复杂机器。将细胞在三维空间中精确定位、排列和组装，制造出人体组织的雏形，在三维支架上对其进行培养，最终发育成具有生命功能的组织结构。这是制造科学与技术发展的崭新方向。针对生物医学的应用，生物制造工程可以按照加工材料的生物学特性分为四个层次，四个层次所需的制造技术难度逐次提高。

　　第一层次：使用不具备生物相容性的材料，制造个性化的组织或器官的模型，用于手术规划、模拟以及假肢的辅助设计加工。

　　第二层次：使用较好的生物相容性但不具备生物可降解性的材料，在体内长期存在，制造的产品是可以替代组织或器官部分功能的人工器官或植入物。

　　第三层次：使用具有良好的生物相容性又具有生物可降解性的材料，在人体内逐渐被分化、分解、吸收并排出，主要是组织工程所需的各类具有特定形状和结构的支架。用作细胞生长、组织再生的临时性支架，辅助并促进器官组织的修复。

　　第四层次：使用活细胞作为加工制造的材料，制造出具有特定细胞空间分布结构的三维细胞堆，称为类组织前体。研究内容包括人工支架的设计与制造、人工活性器官体外生物平台、器官再造的环境构建与控制等。利用微流输送技术进行细胞和外基质仿生材料的人工构造以实现细胞和生命物质的：三维受控组装。

　　3．生物加工工程

　　利用生物体的合成过程和生命机能、活动特性进行制造，包括化合物(药物、食品、化学品、材料、能源)的制备、加工和信号检测。

　　生物制造是近年来制造技术发展的新方向，美国在2020年制造技术的挑战中将其列为1 1个主要方向之一，已经日益受到来自生物医学、材料科学、制造科学领域的科学家们的认同和参与。国内已有多所大学和研究所开展了相关研究工作。

　　一、生物制造业的主要产品^[3]

　　生物制造的主要产品是生物能源、生物基材料和生物化学品。同时，生物制造还包括利用微生物或各种酶制剂对传统化学制造过程的改造，可显著降低医药、化工、食品、饲料、纺织、造纸等工业的能耗和污染。

　　二、生物制造产品的特点^[4]

　　与传统制造的产品不同，生物制造的产品不但具有复杂的结构和材料组成，而且自成一个生理系统，具有特定的生命功能，其特点如下。

　　1)具有复杂材料组成和结构，物理特性随结构分布不均匀，力学性能较低。

　　2)材料组分存在于不同的生化。结构微环境中，相互之间具有不同界面特性和结合关系。

　　3)具有一定的生物学功能，为细胞或组织的生长提供生理环境，或直接包含活细胞或组织，具有不同层次的生命功能。

　　4)由于组分，结构所构成微环境与细胞的作用，产品的组成和结构从微观至宏观会随培养时间不断发生预期的变化，最终处于一种相对的生物稳定和开放状态。

　　5)从形状至结构以及材料与功能，均可实现个性化的制造。

　　生物制造工程应保证：

　　1)能够按照最终临床要求给出所制造的器官，组织的数字模型，根据模型可进行各种层次的模拟或预测；

　　2)能制造和操作不同尺度的微滴单元，并以多种连接方式将这些单元粘接起来，形成复杂的三维实体；

　　3)加工过程中不能产生或引入任何有毒物质，不能破坏材料的生物学特性；

　　4)成形过程应当具有高度的自动化程度和柔性以保证产品的个性化要求。

　　5)与体内外培养结合起来对所成形的类组织前体进行培养和训练。

　　一、生物制造产业的定义

　　生物制造产业包括采用微生物细胞、生物酶，以及基因工程、合成生物学和细胞融合为代表的现代生物技术及以发酵和酶转化为代表的近代生物技术成果形成的生物制造业。制造的产品主要是大宗化工产品，包括生物能源、生物材料和化学品等。

　　二、生物制造产业的特点

　　生物制造产业的特点是常温、常压、一般为水相。反应时间24小时到200小时不等。一般没有有毒的化合物参与或形成。通常需要鼓入空气维持微生物的有氧呼吸。产业使用的原料一般是可再生的资源如淀粉、脂肪酸、各种糖类甚至是纤维素的水解物。相对于化学工业，生物制造产业除了有发酵废水，一般对环境没有污染。

　　三、生物制造产业的分类

　　按照所生产的产品不同，本产业分为生物能源、生物材料和化学品制造产业。按照发展的阶段不同，可以分为研发或生产企业。按照所用的技术不同，又可以分为细胞转化发酵企业或者酶转化企业。

　　四、发展生物制造产业的意义^[6]

　　1．有利于减少对石油资源的依赖，实现可持续发展

　　当前，人类面临着气候变暖、石油等石化资源即将枯竭、环境污染日益加剧的严重局面。我国已成为世界第一资源加工消费大国，世界第二能源耗用大国，对石油化工原料的需求旺盛和依赖程度较大。如2008年我国乙烯产量为1025万吨，进口依存度仍在58％以上，2008年，中国丙烯酸(酯)消费量为88万吨，连续10年保持18．94％的世界最高消费增长速度。石油价格飙升，大宗化学品(基本化工原料)的价格飞涨、经济竞争力下降，下游制造业的成本负担大幅度增加。进入2008年10月后，由于金融危机的影响，石化产品价格开始大幅下降，而生产成本下降有限，导致全行业生产和效益下滑，经营难度加大。依赖于石油炼制的大宗化工原料短缺与高价，已经成为我国工业经济发展的制约性因素，寻求传统石油化工原料的新来源，减少对石油资源的依赖，探索新的可持续产业发展模式已经成为我国社会经济发展中的迫切需求。随着生物制造科技的进步，汽油、柴油、塑料、橡胶、合成纤维以及许多大宗的传统石油化工产品，正在不断地被来自可再生原料的工业生物制造产品所替代，对缓解我国目前的资源、能源及环境危机，提高制造业的可持续发展能力和出口产品的国际竞争力具有重要作用。因此，发展生物制造对中国这样一个正处于全面建设小康社会，迈向中等发达社会的发展中国家而言，显得尤为重要。

　　2．有利于节能减排，实现清洁高效绿色生产

　　基于生物催化剂清洁、高效等特点，与化学制造相比，生物制造具有常温下的高反应速率、转化条件温和、优异的化学选择性、区域选择性和立体选择性、温和的反应条件、能耗低、物耗少、对环境友好等优点。抗生素、化学原料药、除草剂、食品添加剂、化工原料等采用生物工艺，可以取得明显的经济与环境效益，特别是在精细化学品生产部门，生物催化剂具有很大影响，尽管2000年以来全球化学品产量增加了4倍，而生物催化剂使废物的生成却减少了约20％，此外，溶剂减少及其再利用也有助于生产过程的环保效应。据世界发达国家案例分析，生物制造技术替代传统化工技术，可以有效降低成本和污染(环境成本)，一般而言，投资和操作；费用可以下降10％～50％，能耗和水资源消耗可以下降10％～80％，环境；污染物排放减少20％～90％。基于我国产业现状，生物制造产业发展潜力巨大，在未来5～7年内，完全可以实现化学工业在能耗、水资源消耗、环境污染物排放方面分别降低30％的目标。加快培育生物制造产业，促进生物技术向食品、制药、造纸、纺织、采矿、能源以及环境保护等工业领域渗透，以现代生物制造技术改造传统发酵工业，高温高压高污染的化学工业过程向条件温和、清洁环保的生物加工过程转移，以“减量化、再利用、资源化”为原则，实现发酵工业低消耗、低排放、高效率的目标，促进经济与环境协调发展，具有重大战略意义。

　　3．有利于解决“三农”问题，促进农村产业升级

　　生物制造产业的原料主要来自农业和林业，其发展对中国农业发展更具有特殊意义。发展生物制造产业是农业和农村的工业化、工业原料农业化、工农融合的战略途径。通过发展生物制造业，可为我国9亿农民的增收脱贫和增加就业岗位做出巨大贡献，既推进了农村城镇化发展，又有利些于农村富余劳动力的就近转移，减少大中城市人口及就业压力，是一条具挝有中国特色的现代化发展道路。生物经济的原料基础是生物质资源，生物研质资源具有分散的特征，加快生物制造产业的培育，大力建设规模适宜的现代化农村小城镇，以适应生物经济对最佳经济圈的要求，从而有利于我国经济的持续发展。面向阳光型能源和原料基础的转型，对于确保全球社会的未来安全将具有划时代的重要意义，其深度的、广度的和长远的影响可以与工业革命相匹敌。

　　五、我国生物制造产业的发展任务^[7]

　　1．着力建设生物制造产业技术创新能力

　　针对生物制造业技术密集的特点和国内企业研发能力低下的国情，以整合国内有限、分散的研究资源服务于企业和产业为目的，组建跨领域、高水平、设施先进的国家工程研究中心和工程实验室，构筑生物制造工程技术平台，凝聚和培养产业技术创新人才，建立和积累我国生物制造业所需要的成套技术与核心技术，建立重要技术标准，显著提升该行业的自主创新能力，促进产业的跨越与持续发展。在已经建立的国家工程中心、工程实验室的基础上，建设“手性生物合成国家工程实验室”、“轻纺生物加工国家工程实验室”、“生物炼制国家工程实验室”，全面提升重要精细与大宗化学品生产以及传统工业工艺过程的生物技术介入能力，促进传统化学工艺向绿色、高效的生物工艺过度，减少环境污染。

　　2．做强生物发酵产业

　　大力发展利用高效生物制造技术产业化生产大宗消费性新兴发酵功能食品、氨基酸、有机酸、抗氧化剂和功能性糖(醇)等生物保健品，生物色素，生物香料，功能性甜味剂和添加剂等新兴生物制造消费品，到2015年末，促进消费型生物制造产值达到1万亿元，涉及相关消费品应用行业总产值达到10万亿元；以酶工程技术和基因工程等技术为基础，加快开发生产特种复合酶制剂；以新兴生物酶催化与转化技术为基础，加快改造升级精细化工品的生物制造工艺；拓展绿色生物工业品应用领域，加大其在食品、饲料、日化、造纸和皮革等行业的应用；加快生物制造产业的传统工艺技术改造步伐，促进新技术的推广与应用，提高企业市场竞争能力，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型的低碳经济社会。以现代生物工程等生产技术为基础，针对不同生物产品进行稳定、可靠、节能的工艺设计及装备制造；开展各项放大技术研究及制造装备技术研究，实现各种技术的绿色高效化和设备的国产现代化，促进“两化”融合，并培育大型生物制造生产企业。

　　3．重点培育生物化工产业

　　发展生物炼制技术，利用丰富的木质纤维素生物质资源、废弃物、工业废气等为原料，进行石油化工替代产品以及大宗化工原料，如生物基乙烯、丙烷、异丙醇、化工醇、二元酸、溶剂、涂料、表面活性剂等产品的生物法制造，培育生物基化工产业，减少对石油资源的依赖，利用低劣生物质以管网形式大规模生产甲烷，构建中国特色的高燃值生物燃气生产体系，大大减少CO₂排放与环境污染。发展工业生物催化与转化技术体系，深化生物精细化工产业；重点开发医药原辅料、中间体、添加剂、营养剂、农药中间体及其他农化产品等，如甾体激素、头孢氨苄、普伐他汀的酶法合成技术，手性醇、手性胺等医药中间体与手性氨基酸等化学品的生物催化技术，甘油二酯及糖基化学品等精细化工产品的生物合成技术，取得对化学合成工艺的成本与质量优势。

　　4．大力发展生物基材料产业

　　着重开发生物高分子聚合物、生物基单体原料聚合物、生物质加工材料等产品，发展合成生物塑料、生化纤维、生物橡胶等新材料的微生物代谢工程改良技术，以可再生资源为原料的平台化合物生物合成技术，高分子材料聚合与改性的生物技术；进行生物质材料的生物加工、开发新型功能材料等。

　　5．推进生物加工产业

　　发展生物纺织、生物制浆、生物制革等轻工产业，实现产业示范，减少水资源消耗及废弃物减排。针对低品位金矿、铜矿、锰矿等矿产资源，实施生物冶炼加工工艺，提高金属提取效率，降低生产成本，节能降耗，减少污染。生物制造产业是关系到国家发展与未来国际经济地位的战略性新兴产业，但目前产业影响力尚非常有限，需要从体制、科技、产业、投资、税收、市场等方面，对生物制造技术及其产业发展进行统筹规划，制定有利于发挥人才和资源优势的生物制造技术创新和产业发展的政策体系，加快生物制造技术的应用，加速生物制造产业规模化发展。

　　六、生物制造产业创新的措施及建议^[3]

　　1．在管理体制上要进行创新。有调研报告显示，目前我国生物产业散布在各行各业，产业发展的主管部门包括发改委、科技、卫生、农业、药监、工伤等多个部门，致使在管理上形成多头管理的局面，导致效率十分低下，而且不利于企业形成规模，制约了生物产业的快速发展。建议生物产业统一由国家发改委主管。

　　2．加快PHA(聚羟基脂肪酸酯)的产业化。目前，世界石油的日益枯竭和石化树脂对环境造成危害的日益凸现，引起各国的高度重视，一些国家的科技界和产业界都在寻找石油的替代品——可再生的生物质原料。生产可完全生物降解的塑料，既能节约石油又能保护环境。有专家认为，“在生物材料制造领域，我国与世界先进水平的差距不大，在一些方面，我们甚至是领先的。”PHA是我国生物材料产业中发展最为成熟的领域。PHA被世界各国共同认为是“绿色塑料”、“环境友好塑料”，可以替代传统不可降解塑料。PHA的发展可以带动相关产业，如餐饮业、旅游业、信息业、建筑业、交通设施、家具用品、医药用品等领域的发展。

　　3．政府要制定积极的产业政策。政府要鼓励对生物制造业的风险投资，从政策上优先支持从事生物技术自主创新及其成果转化的中小型企业，为生物制造业的发展创造良好的外部环境。一是要鼓励有条件的大型生物制造企业到国外发展业务，对中小企业国家也应创造条件使他们走出国门；二是发展具有上下游产业关联特色的、具有国际竞争力的生物产业带，积极引导生物造企业和服务业企业建立合作伙伴关系；三是建立生物技术人才培育基地，积极推动生物技术人才向生物产业流动，并给予政策支持和配合，鼓励国外生物技术科技和开发人才在国内创办生物企业。

　　4．增强生物制造业自主创新能力。企业是创新的主体，应提倡其自主创新，培育国际知名品牌，并做好知识产权保护工作。要发展新兴战略性产业，如生物能源、生物医药、生物农业；加快发展技术密集型产业，突出信息技术、生物制药、生物农业、生物能源、生物环保为发展重点；集中力量突破关键核心技术和系统集成技术。

　　5．技术创新与商业模式创新相结合。创新不仅仅是技术创新，还应是技术创新与商业模式创新的有机结合。生物制造业的培育和发展受到市场前景、成长潜力、资源条件、产业结构等要素影响，必须要创新适应生物制造业发展的商业模式，为自主创新产品打开市场做好服务工作。生物制造业要适应而且要稍超前于经济社会的总体发展。要建立若干个生物产业基地，推动生物产业集聚化发展，发挥集聚效应。同时，做好市场调查，提高生物产品前端生产性服务业的竞争力，逐步提高其所占服务业的比重。

　　6．加快自主创新和人才开发。科技是支撑，人才是根本。生物产业是知识密集型、智力密集型行业，因此要建立科技创新体系，实施重点科技工程。要尊重人才、重视人才、培养人才、引进人才，建立完善的用人机制。必须把创新型人才培养当成重中之重，系统设计和实施可持续发展的人才政策。

　　7．加强行业部门之间的协调配合。生物制造业是新兴战略性产业，政策性强、难度大，与市场发育关系紧密，涉及原料供应、生产、储运和流通及相关配套措施，是一个复杂的系统工程，因此各级政府、中介组织、行业协会和现代服务企业之间要加强联系，协调配合，使资源共享。

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