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我国生物制造发展现状 该从哪些方面重点发力?

  原标题:加快技术突破,加速产业布局

  积极打造生物制造新增长引擎(科技视点·走近新质生产力⑤)

  生物制造是利用生物组织或生物体(酶、微生物细胞等)进行物质加工,生产相关产品的先进工业模式。

  作为生物经济的重点发展方向,生物制造是培育新质生产力的重要手段之一。今年的《政府工作报告》明确提出:“积极打造生物制造、商业航天、低空经济等新增长引擎。”

  生物制造与传统的制造方式有何不同?我国生物制造的发展现状如何?打造生物制造新增长引擎该从哪些方面重点发力?请看记者的采访。

  改变生产原料、制造工艺,生物制造革新物质生产方式

  北京市顺义区中德产业园,北京微构工场生物技术有限公司(以下简称“微构工场”)的生产线连着实验室。记者到访时,科研人员正将小瓶内的微黄色液体加入小型发酵罐中。电机转动,液体随即与发酵罐内的水和碳源一起均匀搅拌。

  “这是让液体内的菌株在发酵罐内‘快速生长’。”微构工场董事长徐绚明向记者解释,微生物菌株像一个个“细胞工厂”,通过“吃”发酵罐内的物质,最终“长”出PHA(聚羟基脂肪酸酯)材料。

  PHA是一类可降解的生物基高分子材料,加工成塑料后既可生产日常用品,也可制作医疗植入材料。塑料等大宗化学品,通常以石化资源为原料,再经过复杂的化工工艺提炼而成;生物制造则以淀粉糖、油脂、纤维素等可再生物质为原料,通过生物合成的方法生产。

  不只是原料不同,生物制造与传统的物质加工过程也不一样。“生物制造是对生物体进行的工程化改造,发酵过程能够在温和条件下完成。这种发酵方式既降低能耗,也减少了工厂设备投入。”徐绚明说。

  记者在车间看到,这里既没有专门的高温、高压生产设备,也没有高大的压力存储罐。在实验室内通过中试验证后的菌株,接下来会被放入大型的生物反应器进行发酵。发酵车间的技术人员告诉记者,发酵的温度维持在37摄氏度左右即可。

  提取纯化车间紧挨着发酵车间。在这里,发酵液经过固液分离等工序,PHA便从细胞中分离出来,再通过烘干等简单工序后制成颗粒,就成为加工产品的原料。

  PHA材料是采用生物制造方式生产的诸多新产品之一。由于生物制造在生产原料、制造工艺、产品性质等方面均有重大革新,因此被视为制造领域的“工业革命”。

  “作为一种颠覆性技术,生物制造是我国产业转型升级的‘绿色动力’,也是实现绿色发展的重要途径。”中国工程院院士、北京化工大学校长谭天伟说。

  由于石油、天然气等石化资源相对不足,我国的化工原料对外依存度较高。谭天伟认为,生物制造技术为我国的化工原料多元化提供了新途径。与传统的石化路线相比,目前生物制造可平均节能减排30%—50%,未来这一比例有望达到50%—70%。此外,生物制造还可以将二氧化碳直接转化为燃料和化学品,有助于“双碳”目标的实现。

  “通过生物制造实现蛋白质、淀粉、油脂、糖等的发酵合成,既能显著减少对自然资源的依赖,也有望变革现有的农产品生产方式,更好保障国家粮食安全。”谭天伟说。

  我国生物制造研究稳步推进,产业发展前景广阔

  生物制造蕴含的巨大潜力,使其成为国际竞争的前沿阵地。

  我国生物制造研究可圈可点。“十三五”期间,科技部启动了绿色生物制造国家重点研发专项。“在科技界和产业界的共同努力下,近些年我国生物制造在底层工具、关键技术等方面取得了重要突破,一些领域的探索走在世界前列。”谭天伟说。

  走进位于北京化工大学的国家能源生物炼制研发中心,实验室一个连着一个,科研人员正在专心致志地工作,有的在培养菌株,有的在修饰基因,有的在进行样品检测。

  “该中心瞄准国家重大发展需求和产业技术前沿,在生物质转化制备生物能源、生物基化学品、生物材料等领域取得诸多研究成果。”指着摇瓶内的发酵液,北京化工大学生命科学与技术学院教授曹辉告诉记者,“这是我们在摇瓶内测试菌株的生长情况。只有通过反复实验,才能找出适合工业用途的菌株。”

  专家介绍,从发酵原料看,当前以淀粉和油脂为代表的第一代生物制造商业化比较成熟;以木质纤维素为原料的第二代生物制造,逐步进入中试和产业化示范阶段。为进一步降低生物制造的原料成本,科研人员正在探索以二氧化碳为原料的第三代生物制造。

  在国家能源生物炼制研发中心的一间实验室内,整齐排列着四个玻璃瓶,瓶盖和瓶底分别接着导管,通电后瓶内开始冒气泡。“这是我们尝试用电化学的方法固定二氧化碳。”曹辉解释,2021年,我国科学家通过多酶级联催化的方法首次实现了从二氧化碳到淀粉的从头合成。目前,科研人员正在探索用二氧化碳制备生物燃料和生物基材料,开辟二氧化碳工业转化的新空间。

  利用生物制造方式,人们已经生产出一批性能好、经济价值高的新产品,如重组蛋白药物、生物航空煤油、生物降解塑料等。从理论上讲,全球一半以上的重要化学品都可以用生物制造的方法获得,发展潜力巨大。

  不断发展的生物制造技术,也开始造福人类。比如,利用生物制造技术,科研人员根据患者的特定需求和遗传背景研发个性化的新药物、新疗法,提高治疗效果。

  “在医药、农业、食品、化工等领域,生物制造都有广阔的施展空间。”谭天伟说,随着相关技术的发展,生物制造还有望向采矿、冶金、电子信息等行业拓展,为经济高质量发展注入更多新动能。

  补短板、锻长板,加快推进生物制造产业发展

  近年来,从国家到地方,我国加快布局生物制造产业。2022年国家发展改革委印发《“十四五”生物经济发展规划》,把推动生物制造发展列为重要内容。依托中国科学院天津工业生物技术研究所等机构,天津市的合成生物技术研发和产业发展正稳步推进。去年9月,上海市发布了《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)》。北京市将合成生物制造产业作为未来产业的重要支撑,该市的合成生物制造技术创新中心于今年1月落户未来科学城。

  发展生物制造,我国有何优势?“我国生物发酵产业规模庞大,产量约占全球的70%,完善的发酵产业体系为生物制造产业提供了坚实的基础。”清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强认为,未来,随着人们对健康、绿色、环保产品的需求持续增加,生物制造产业发展的空间将越来越大。

  我国发展生物制造面临哪些挑战?陈国强表示,目前我国拥有自主知识产权的微生物菌种还不多,部分关键装备仍依赖进口。此外,生物制造部分产品产业链尚不完善,科技成果的转化效率还有待提高。“我们面对的竞争是全球性的,必须补短板、锻长板,加快推进生物制造产业发展。”

  “作为一个新兴产业,生物制造从原始创新到产业落地周期比较长,也存在一定的不确定性。”谭天伟说,要快速开发针对特定需求的生物制造关键技术,提高从源头创新到产业发展的效率。

  谭天伟建议,在科技创新方面,必须重视底层数据库、软件及工业菌株和酶的设计与应用,推动生物制造与人工智能融合,提升我国生物制造的原始创新能力;在平台建设方面,要做好实验室研究与中试验证的衔接,通过搭建产业共性需求平台等方式,加速创新成果“从0到1”“从1到100”的进程;在产业扶持方面,要尽快完善相匹配的监管机制和市场准入机制,打造生物制造产业先行先试示范区。

  生物制造涉及的环节多,靠单个企业或科研院所难以打通产业链全过程。陈国强认为,要构建新的产业生态系统,让产业链上下游的参与者各展所长,通过集群化发展模式,实现共同进步。“特别是要推动化工、医药、材料等工业领域与生物制造技术深度融合,进一步扩大生物制造技术的应用范围。”陈国强说。

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