生物制造

2016年度生物制造发展态势

生物制造是现代生物产业的核心，其研发范围涵盖了从生物资源到生物技术，再到生物产业的价值链，集中体现了现代生物技术在医药、农业、能源、材料、化工、环保等多个工业领域的应用，对经济社会可持续发展进程有重要推动作用。近年来，基因组学、系统生物学、合成生物学等学科飞速发展，工业微生物分子育种、工业酶分子改造等技术不断进步，生物炼制与生物质转化、生物催化与生物加工、现代发酵等现代生物制造技术接连取得重大创新和产业应用，对工业基础原材料的化石原料路线替代、传统工业的工艺路线替代以及生物产业升级显示了巨大的促进作用。当前，生物制造正在全球引发再工业化进程，工业生物制造已经进入产业生命周期中的迅速成长阶段，为生物经济发展注入强劲动力。

一、国际生物制造发展态势

1.全球战略布局持续强化

美国、英国、欧盟等发达国家和地区近年来积极推动生物经济发展，陆续出台路线图、发展蓝图和战略计划等，极大地推动了生物基产业的发展。根据2016年的统计数据，2014年，生物基产业为美国创造了422万个就业机会和3930亿美元的经济价值；英国的生物经济提供了520万个就业机会，产生的总增加值（GVA）约为2200亿英镑，占全国GVA总量的13.6%；欧盟的工业生物技术产品产值已达到316亿欧元，预期到2030年增长到500亿欧元。2016年，美国、欧盟、英国等经济体纷纷设立专项推进工业生物技术研究与产业化发展，以进一步提高其在国民经济中的贡献。美国农业部于2016年2月通过“生物精炼、可再生化学品、生物基产品生产援助计划”向以可再生生物质为原料的化学品和燃料项目提供1亿美元的贷款担保；4月，能源部生物能源技术办公室投入1000万美元支持创新生物能源的发展。2016年，欧盟在地平线“2020计划”未来两年内针对“纳米技术、先进材料、生物技术和产品”等主题部署研究项目，并通过“欧洲联合生物基产业发展计划（BBI JU）”投入1.6亿欧元用于支持2016年生物质原料利用和生物基产品相关项目开发。2016年2月，英国科学部发布《生物经济的生物设计——合成生物学战略计划2016》报告，提出在2030年促进英国合成生物学市场规模至100亿英镑；5月，英国宣布投入1700万英镑资助“工业生物技术催化剂（IB Catalyst）”计划，以促进领先生物技术概念的市场转化。

2.人工设计操纵能力增强

作为目前发展最为迅速的交叉学科之一，合成生物学已被推到解决有关健康、医药、材料、能源、环境、气候变化和人口增长等全球问题的前沿。简适基因组合成、酵母染色体合成等研究取得重大成果，人工设计改造功能生物体不断取得突破，加速推动生物制造进入4.0时代。2016年，美国克雷格·文特尔研究所与加州大学合成了迄今最小的功能细菌基因组，取得合成生物学研究的又一具有里程碑意义的进展，对于深入理解细胞的工作机制和设计人工生物体具有重要意义；2017年，多国科学家合作完成酿酒酵母5条染色体的重头设计与全合成，并最终获得与普通酵母高度一致的人工合成酵母，研究团队包括中国的天津大学、清华大学和华大基因等，向实现真核生物生命代码的人工全编写迈进了一步。在人工设计生物功能方面，哈佛大学乔治·丘奇研究组重新组装大规模改变密码子的活体细菌基因组，美国麻省理工学院先后设计了可在细胞内和细胞外执行复杂计算的基因电路，为进一步开发具有特殊属性的工程化有机体奠定了基础；斯坦福大学克里斯蒂娜·斯莫克研究组利用工程酿酒酵母实现了咖啡因的微生物从头合成，合成生物学将被用于非天然过程的药物与化学品合成。同时，合成生物学的安全、法律与伦理问题也进一步得到重视，由于其在非天然进化的生物体设计、非天然产物的生物合成、非专业人员的科研活动参与等方面存在薄弱环节，应当受到严格的法律监管和实验室安全管理，并应形成一套完整的管理规范与应急预案。

3.生物资源利用更加高效

生物资源与生物多样性研究为功能基因挖掘与高值化利用奠定基础，面向生物制造的生物资源利用更加广泛、智能和高效。2016年，欧盟在BBI JU 2016年计划中将优化产业链末端前方的生物质原料供应、扩大生物精炼过程的生物质原料需求作为年度重点发展目标，并在该框架下启动BIOFOREVER示范项目，将木质生物质转化为化学品；英国、巴西启动先进生物燃料和生物炼制联合研究计划，支持木质纤维素的价值转化；美国能源部将“藻类原料研究与开发”升级为“先进藻类系统研究与开发”计划，以突出藻类生物精炼供应链的开发。2016年6月，哈佛大学开发了利用生物兼容性的无机催化系统裂解水的新型生物合成系统，并利用重组细菌以环境友好的方式将CO2和水转化为有用的化学品，该混合装置与太阳能光伏系统耦合时，还原CO2的能效达到10%，首次超越了天然光合作用效率。德国马普学会研究人员发现自然界中存在一种能够更有效结合固定CO2的酶，通过代谢性逆合成分析形成初步框架并从包含人类、植物和微生物在内的9种生命体中选择了16个其他的酶与其共同组装了全新固碳途径CETCH循环，建立了迄今为止步骤最短、能效最高的非天然固碳途径，在实验室中的固碳效率比自然界光合作用高20%，同时实现了乙醛酸的生产。以色列Weizmann科学院研究人员将植物光合作用的Calvin循环引入异养体大肠杆菌中，通过代谢重构实现能量通路解耦，利用直接进化的方法筛选出以丙酮酸为中间媒介，仅用CO2作为碳源合成糖类和其他生物质的目标菌种。此类生物合成系统有望通过进一步设计改造用于固碳并生产其他有用的化学品。

4.催化转化能力持续提升

通过改进工程微生物与酶的功能开发卓越生物催化剂是实现生物制造过程的核心要素，生物催化已从先前单酶/细胞催化体系向多酶/细胞耦合催化体系的方向发展。近年来，在基因组学、宏基因组学等组学技术的支撑下，系统合成生物学研究不断向微生物及微生物群拓展，界定了涵盖微生物群及其全部遗传与生理功能的“微生物组”，2016年5月，美国宣布启动“国家微生物组计划”，拟在微生物组相关的跨学科研究和平台性技术等方面投入巨额资金。随着微生物组研究在学术与产业界引起高度重视，微生物组的特征基因挖掘、复合微生物制剂开发等应用都将面临巨大的发展前景。美国印第安纳大学伯明顿分校的科学家将经修饰的酶导入病毒衣壳内，创建高效催化产氢的纳米反应器“P22-Hyd”，其催化效率达到未改变前酶效率的100倍，且可以在常温下大规模发酵产生。美国麻省理工学院研究人员成功开发出“稳健底物利用操作技术（ROBUST）”，利用改良的菌株通过竞争来战胜发酵过程中可能造成污染的微生物，大大降低将谷物和甘蔗或纤维素植物的生物质转化为乙醇和其他化学品的成本。

革命性的基因组编辑等前沿技术的飞速发展，在技术手段上增强了生物制造过程的操控能力。麻省理工学院-哈佛大学博德研究所的张锋团队在《科学》期刊接连不断地发表其在CRISPR系统深入研发方面的最新进展，并在与加州大学团队伯克利分校詹妮弗·杜德娜团队的基因编辑专利纠纷中取得关键性胜利。加州大学河滨分校的研究团队改良了CRISPR/Cas9基因编辑系统，对难于在遗传水平进行操作的产油酵母Yarrowia lipolytica进行了研究，实现了在基因水平上敲除基因和转入新基因的操作。美国伦斯勒理工学院的研究人员首次将CRISPR/Cas9系统应用于代谢工程，开发出控制细胞内制造化合物的信号途径的新工具，可提高目标产物的产量，降低副产物的生产。

5.产品产业渗透逐步扩大

生物制造产品的门类和用途逐步扩大，越来越多的新材料、新能源、药物中间体、精细化学品和营养品等实现生物路线生产。杜邦公司和Archer Daniels Midland（ADM）公司开发出一种从果糖生产呋喃二羧酸甲酯（FDME）的方法，能够以更高效和更简单的过程实现FDME的低成本和高产率生产，该突破被认为将改变高性能可再生产品的格局，两家公司正计划在美国伊利诺伊州建设一个60t/a的示范工厂，利用FDME生产新型聚合物聚呋喃二甲酸丙二酯（PTF）。德国化工巨头巴斯夫公司与荷兰化工技术公司Avantium商谈合作，以后者生产呋喃二甲酸（FDCA）的YXY工艺为基础，组建合资企业生产生物基聚合物中间体，旨在占据FDCA和以此生产的PEF聚合物两类化工产品的世界领先地位，并计划在比利时安特卫普的巴斯夫一体化基地建造FDCA年生产能力5万吨的工厂。法国生物燃料公司Deinove和法国生物技术公司Arbiom已开始合作，凭借两者技术相结合的优势解决非粮食植物生物质的利用问题，开发“无碳（carbon-free）”的化工行业。

此外，由于国际原油价格持续走低，很多产品在成本经济性上并不具有绝对优势，因此，许多新创企业都将研发重点聚焦于产量规模小但附加值高、与石油基产品无直接竞争的生物化学品上，这些新产品往往具有市场上同类产品所不具备的特殊功能特性，更像是对现有产品的补充而不是替代。例如，Amyris公司和Gingo Bioworks公司开发用于香精和香料的芳香类化学品，Evolva公司开发甜叶菊和香兰素等健康营养成分，Bolt公司开发蛛丝用于高性能时尚纤维，Modern Meadow、Beyond Meat、Clara Foods公司开发基于植物和发酵的肉类、蛋和乳制品的替代品和皮革材料等。

6.创新技术带动产业变革

如今，合成DNA序列的成本已降至每碱基10美分，利用CRISPR/Cas9技术编辑单个基因成本下降到500美元以下，耗时仅需几周，基因组测序的成本也下降到1万美元以下，这些新技术与工具的发展为新产业建立和新产品开发提供了可能。同时，信息技术与生物技术的结合为生物制造提供了更快、更廉价和生产更好产品的工具，革命性的新技术使人们能按既定方式快速设计新产品，生物制造技术已向更加依赖云资源、机器人、机器学习和自动化等软件驱动的范式转变。美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员借助旗舰超级计算机泰坦的帮助实施了迄今为止最大规模的生物分子模拟实验，模拟2370万个原子组成的系统，研究在酶环境中进行预处理的生物质（纤维素和木质素），并进一步解析了纤维素解构的化学特性；美国加利福尼亚州立大学戴维斯分校研究小组利用“蓝水”超级计算机来预测大肠杆菌的细胞行为；莱斯大学生物工程师引入快速计算方法以构建组织特异性代谢途径的模型。

随着微软、谷歌、IBM等公司纷纷进入生物科技领域，生物大数据读取、超算与计算机辅助设计、云计算与处理、人工智能和深度学习等在生物科技中的应用也产生颠覆性意义和不可估量的商业价值，涌现出美国的Zymergen和Gingko Bioworks等创新型企业。例如，Zymergen公司围绕合成生物学研究，结合机器学习，进行自动化分析和生物信息学处理，低成本、高效地开发用于工业发酵的基因工程菌。Gingko Bioworks在2017年1月收购合成生物学先驱企业Gen9，将自动化微生物工程和DNA合成与组装相结合，加速功能有机体设计的过程。此类开发模式将为合成生物学领域带来前所未有的规模和发展速度，引发了合成生物学领域的投资热潮，合成生物学初创公司的创业融资额连续四年大幅增长，在2016年达到13亿美元。各种变革性的新技术势必将在未来几年内极大地推动生物科技领域的发展，下一代的科技创新将是人工智能、生物工程和互联网的结合。

二、我国生物制造发展态势

“十二五”期间，我国生物产业复合增长率达到 15%以上，2015年产业规模超过 3.5万亿元，其中，大宗发酵产品产量稳居世界第一，生物能源年替代化石能源量超过3300万吨标准煤，处于世界前列，主要生物基材料品种的产量和技术水平处于世界领先地位，多种传统石油化工产品和精细化学品实现生物质路线生产，在京津冀、长三角、珠三角等地形成了一批高水平、有特色的生物产业集群，自主创新能力显著增强，生产技术水平大幅提高。

当前，全球科技创新呈现出系统化突破性发展态势，众多产业应用领域不断涌现出颠覆性创新案例，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇。我国在2015年发布的《中国制造2025》中提出了推动制造业由大变强、全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署，强调全面推行绿色制造，大力促进新材料、新能源、高端装备、生物产业绿色低碳发展，为生物制造发展指明了方向。2016年作为第十三个五年计划的开局元年，有关生物制造的国家级规划密集出台，明确了生物制造发展的重要任务和发展目标。

为贯彻落实《中国制造2025》，组织实施好绿色制造工程，工业和信息化部于2016年9月发布了《绿色制造工程实施指南（2016～2020年）》，提出到2020年绿色制造水平明显提升，绿色制造体系初步建立的总体目标，预期与2015年相比，传统制造业物耗、能耗、水耗、污染物和碳排放强度显著下降，重点行业主要污染物排放强度下降20%，工业固体废物综合利用率达到73%，部分重化工业资源消耗和排放达到峰值。在传统制造业绿色化改造、资源循环利用绿色发展、绿色制造技术创新及产业化示范应用等方面提出与生物制造技术应用相关的产业化专项，在绿色制造体系构建试点方面提出以企业为主体，以标准为引领，以绿色产品、绿色工厂、绿色工业园区、绿色供应链为重点，以绿色制造服务平台为支撑，推行绿色管理和认证，加强示范引导，全面推进绿色制造体系建设的发展要点。

同期，工业和信息化部还研究编制了《轻工业发展规划（2016～2020年）》和《医药工业发展规划指南》，分别于2016年8月和11月印发。《轻工业发展规划（2016～2020年）》从大力实施“三品”战略、增强自主创新能力、积极推动智能化发展、着力调整产业结构、全面推行绿色制造、统筹国内外市场六个方面提出了具体任务部署，以指导我国未来五年轻工业创新发展，促进我国由“轻工大国”向“轻工强国”转变。《医药工业发展规划指南》作为“十三五”时期指导医药工业发展的专项规划指南，将指导医药工业加快由大到强的转变，从增强产业创新能力、提高质量安全水平、提升供应保障能力、推动绿色改造升级、推进两化深度融合、优化产业组织结构、提高国际化发展水平、拓展新领域发展新业态八个方面提出了具体任务部署。

2016年12月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，提出加快生物产业创新发展步伐，培育生物经济新动力的重要任务，明确了到2020年，生物产业规模达到80 000亿～100 000亿元、形成一批具有较强国际竞争力的新型生物技术企业和生物经济集群的发展目标。在推动生物制造规模化应用方面，提出加快发展微生物基因组工程、酶分子机器、细胞工厂等新技术，不断提升生物制造产品经济性和规模化发展水平，建立生态安全、绿色低碳、循环发展的生物法工艺体系等重要部署；在创新生物能源发展模式方面，提出着力发展新一代生物质液体和气体燃料，促进生物质能源清洁应用，推进先进生物液体燃料产业化等重要部署；并在构建生物医药新体系、加速生物农业产业化发展、培养生物服务新业态等方面提出了具体部署。

2016年12月，能源局公布了我国《生物质能发展“十三五”规划》，提出到2020年，生物质能基本实现商业化和规模化利用，生物质能年利用量约5800万吨标准煤，生物天然气年利用量80亿立方米，生物液体燃料年利用量600万吨，生物质成型燃料年利用量3000万吨；要求推进燃料乙醇推广应用，加快生物柴油在交通领域的应用，推进技术创新与多联产示范；同时提出如下减排目标：预计到2020年，生物质能合计可替代化石能源总量约5800万吨，年减排二氧化碳约1.5亿吨，减少粉尘排放约5200万吨，减少二氧化硫排放约140万吨，减少氮氧化物排放约44万吨。

2017年1月，国家发展改革委印发了我国《“十三五”生物产业发展规划》，提出了形成一批具有自主知识产权、年销售额超过 100亿元的生物技术产品，形成20家以上年销售收入超过100亿元的大型生物技术企业，提高生物基产品经济性10%以上，利用生物工艺降低化工、纺织等行业排放 30%以上；生物能源替代降低二氧化碳年排放量1亿吨，生物产业增加值占GDP的比重超过4%等总体发展目标；并在推动生物制造规模化应用方面提出以下具体目标：提高生物制造产业创新发展能力，推动生物基材料、生物基化学品、新型发酵产品等的规模化生产与应用，推动绿色生物工艺在化工、医药、轻纺、食品等行业的应用示范，到 2020年，现代生物制造产业产值超 1万亿元，生物基产品在全部化学品产量中的比重达到 25%，与传统路线相比，能量消耗和污染物排放降低30%，为我国经济社会的绿色、可持续发展做出重大贡献。

1.发酵产业

我国在发酵产业方面具有量产优势，近三年来产品产量稳定在2420万吨左右，稳居世界首位。2015年，我国主要发酵产品产量达到2426万吨，与2014年基本持平，年总产值接近2900亿元，柠檬酸、味精、山梨醇、酵母等产品的生产技术工艺已经达到国际先进水平，产品市场竞争力大大提高，已逐步形成味精、赖氨酸、柠檬酸、结晶葡萄糖、麦芽糖浆、果葡糖浆等大宗产品为主体，小产品氨基酸、功能糖醇、低聚糖、微生物多糖等高附加值产品为补充的多产品协调发展的产业格局，为食品、医药、化工等相关行业提供了品质优良的原料。其中，味精、赖氨酸、柠檬酸等产品的产量和贸易量位居世界前列；淀粉糖的产量居世界第二位，仅次于美国；山梨醇、葡萄糖酸钠、木糖醇、麦芽糖醇、甘露糖醇、酵母、酶制剂和功能发酵制品等处于快速发展阶段。

“十二五”期间，我国生物发酵产业经历了激烈的市场竞争，兼并、重组越发活跃，进一步提升了产业集中度。目前年产值达到100亿元以上的大型企业集团已有4家。2015年，中国轻工业联合会根据行业特点综合评价企业的市场能力、盈利能力、价值能力和发展能力，评选出发酵行业综合实力10强，分别为西王集团有限公司（主营：淀粉糖）、阜丰集团有限公司（氨基酸）、梅花生物科技集团有限公司（氨基酸）、潍坊英轩实业有限公司（柠檬酸）、菱花集团有限公司（氨基酸）、安琪酵母股份有限公司（酵母）、山东省鲁洲食品集团有限公司（淀粉糖）、山东隆科特酶制剂有限公司（酶制剂）、河南金丹乳酸科技有限公司（乳酸）、秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司（淀粉糖）。

（1）氨基酸　我国是氨基酸生产和消费大国，无论在产能规模和产值来看都居于世界前列。目前我国氨基酸产业规模以上生产厂家已达近百家，在产业结构不断优化后，产能高度集中，产能排名前三的企业拥有市场份额的75%，在国际上也占有举足轻重的地位。2015年，我国氨基酸产量约为370万吨。

谷氨酸是目前全球销量第一的氨基酸品种，主要加工成为谷氨酸钠用于食品行业，少量用于医药行业。2015年，我国味精产量达到230万吨，居世界首位。2016年，国家放开玉米价格，将玉米收储制度调整为“市场化收购”加“补贴”的新机制，给包括味精在内的玉米深加工行业带来利好。同时，近年大多数企业采用的温敏菌种发酵技术，明显提高了谷氨酸的产酸率和转化率，提升了产品品质，发挥了节能降耗作用。目前，作为行业前三甲，阜丰集团有限公司（以下简称阜丰集团）、梅花生物科技集团股份有限公司（以下简称梅花生物）与宁夏伊品生物科技股份有限公司（以下简称宁夏伊品）的产能及产量占国内味精市场的90%左右。阜丰集团已成为全球第一大味精和黄原胶生产企业，至2015年形成100万吨味精和9万吨黄原胶产能，分别占全球总产量的40%和60%，全年营业收入达135亿元。2015年，梅花生物全年营业收入首破100亿元，味精销售约68万吨，正在积极将苏氨酸、赖氨酸、色氨酸、谷氨酰胺等高附加值氨基酸产品作为未来重要的盈利增长点。宁夏伊品的味精产能约23万吨，2015年营业收入约49.6亿元。

赖氨酸是全球产量第二大的氨基酸品种，全世界赖氨酸产量已达260余万吨。我国现已成为全球最大的赖氨酸生产和出口国，出口量不断攀升。2015年，我国赖氨酸和赖氨酸酯及盐出口量为26万吨，增长率为1.2%，出口金额达3.22亿美元，远销俄罗斯、荷兰、美国、丹麦、立陶宛、比利时等60多个国家与地区。近年来由于赖氨酸的产能过剩较为严重，国内外市场竞争日趋激烈。2015年，我国赖氨酸年生产能力已达到220万吨，较2014年增加15万吨；年产量在2014年的96万吨基础上大幅提升，达到150余万吨，在全球产量中占据近60%。2015年，吉林长春大成实业有限公司在历经停产和资产重组后恢复生产，年产能已达到80万吨；宁夏伊品年产能达到37万吨；梅花生物年产能达到36万吨；希杰（中国）公司年产能达到25万吨，四大企业的合计年产能占全国的80%以上，龙头企业议价能力明显提升，也加剧了国内市场供大于求的局面，中小厂家面临巨大压力。着眼于未来的国际市场，赖氨酸在饲料、营养品和化妆品等生产行业有广泛应用需求，仍有较大的发展空间。

苏氨酸是近年来需求增长最快的氨基酸品种之一，产品用于医药、化学试剂、食品强化剂、饲料添加剂等方面。国外苏氨酸发酵产业发展较早，日本味之素公司是世界上主要的苏氨酸生产企业。近年我国苏氨酸市场扩张速度明显加快，在全球苏氨酸市场具有一定的议价能力。2015年全球苏氨酸产量50万吨，我国达到37万吨，产量较2014年增长了9万吨；出口量为26万吨，同比增长约22%。苏氨酸行业集中度高，梅花生物和阜丰集团两家企业的产能远超国内其他厂家，形成双寡头格局。2015年梅花生物拥有苏氨酸产能15万吨，当年生产苏氨酸15.28万吨，处于满负荷运转状态。阜丰集团也于2015年顺利扩产，苏氨酸产能从5.1万吨提升为13.6万吨。

蛋氨酸是氨基酸产品中为数不多的需要全合成生产的品种之一，主要用于家禽饲料、医药和香精行业等，近年来全球市场需求量一直保持6%的增长速度。蛋氨酸生产工艺复杂，国际上主要生产企业包括赢创（蛋氨酸产能58万吨）、安迪苏（41万吨）、诺伟司（28万吨）和住友（16万吨）等，我国进口替代及需求增长空间巨大。我国蛋氨酸进口依存度较大，2015年进口蛋氨酸15.8万吨，比2014年增长20%。安迪苏公司是最早在中国建立蛋氨酸生产基地的全球性企业之一，其南京蛋氨酸工厂二期已完工投产，蛋氨酸产能达到14万吨，进一步巩固其全球领先的市场地位。宁夏紫光天化蛋氨酸有限责任公司投资60亿元分三期建设饲料级DL-蛋氨酸及相关配套设施，一期实现产能5万吨，2015年完成产值13.9亿元；至2016年8月，其二期蛋氨酸项目已具备投产条件，下一步将加快推进三期10万吨/年蛋氨酸项目建设，争取2018年建成投产，全部建成后产能将达到20万吨。山东新和成氨基酸有限公司的一期5万吨蛋氨酸项目已基本完成，于2016年12月提出定增募资49亿元用于投资25万吨蛋氨酸项目，扩产后目标产能达到30万吨。未来我国蛋氨酸供需行情有望取得实质性改变。

此外，国际小品种氨基酸和药用氨基酸的市场需求正在不断增长，市场前景诱人。一方面，饲料市场技术进步和产品细分为小品种氨基酸打开一定发展空间，例如色氨酸是动物体内不能合成又具有多项生理功能的必需氨基酸，用途广泛，目前处于快速成长期，需求及产能迅速增加，国内厂商正在积极扩产，2015年合计产能达到1.1万吨。另一方面，我国许多氨基酸研制仅停留在实验室阶段，氨基酸保健品生产企业多但生产规模都很小，有着较广阔的拓展空间。

（2）有机酸　有机酸种类繁多、用途广泛，除用作食品与饲料添加剂外，在医药、化妆品以及工业上有多方面用途，我国有机酸产业在世界上有着重要地位，是最大的柠檬酸生产与出口国，产能约占全球的75%，产量的70%～80%用于出口。2015年，我国柠檬酸产量约为212万吨，行业平均产酸率达到15.86%，平均总收率为89.86%，较“十二五”初期的行业平均水平有明显提升。由于产业扩展过快、产能过剩严重以及美国、欧盟等国市场反倾销措施严厉等原因，我国近几年柠檬酸出口呈现量增价减的走势，国内柠檬酸行业运转困难，加快淘汰落后产能、调整产品结构、加强高值衍生产品及应用领域的开发、在扩大内需市场的同时实施“走出去”战略成为脱困之道。我国柠檬酸行业集中度高，主要企业包括潍坊英轩实业有限公司（柠檬酸产能30万吨）、日照金禾生化集团股份有限公司（25万吨）、安徽丰原生物化学股份有限公司（22万吨）等，山东昌乐柠檬酸特色产业基地的产业发展带动效应显著。

维生素C是我国大宗原料药的代表产品，我国维生素C产业拥有自主知识产权、生产成本低廉、产业集中度高、国际市场份额高，目前供需处于饱和状态。2015年，我国维生素C出口量12.37万吨，同比增长1.4%。乳酸主要用于食品工业和生物基材料单体，2015年，我国乳酸产量约12.8万吨，出口占总产量的29%，国内食品级乳酸产能已经饱和，用于生物基材料聚合的乳酸发展步伐加快，中国科学院天津工业生物技术研究所的微生物发酵制造 D-乳酸技术已经在山东寿光巨能金玉米有限公司中试生产，年生产能力1万吨。葡萄糖酸作为蓬松剂、凝固剂、螯合剂、酸味剂而广泛应用于食品、医药、建筑等行业。目前我国葡萄糖酸产能约100万吨，2015年产量约60万吨，产品出口量占总产量的24%。

（3）酶制剂　生物酶具有优越的催化性能，广泛应用于食品、饲料、洗涤、纺织、造纸、制革、医药、开采、化工等领域。近年来，食品饮料和纺织品等市场的急速扩增为工业酶制剂的市场发展提供强劲动力，食品酶制剂已成为我国12万亿元产值的食品行业发展的重要推动力，酶制剂的全球市场产值在2015年已达到46.2亿美元。全球食品和工业酶制剂的生产商仍呈现寡头垄断局面，荷兰帝斯曼集团、丹麦诺维信公司、美国杜邦公司的行业主导地位仍然十分显著。2015年，我国酶制剂产量约为120万吨，同比增长4.3%，销售收入亿元以上企业达到8家，产品品种增多，产品大类超过20种，一些特种酶陆续实现商业化生产。产品市场竞争力大大提高，改变了以往国外产品占绝对主导地位的局面，国产酶制剂产品国内市场占有率显著提升，已由“十二五”初期的不足10%提升到现在的近30%，与2014年相比，2015年产品出口量增加3.9%，出口额增加5.8%。未来，技术含量和附加值更高的复合酶制剂与精制酶制剂将成为重要发展方向。广东溢多利生物科技股份有限公司是目前亚洲最大、产品品类最全的酶制剂生产商，公司于2015年先后收购主营甾体激素医药中间体的新合新、主营甾体激素原料药的利华制药，打通甾体激素产业链。2017年1月，该公司提出定增预案，拟募资10.86亿元，其中2.5亿元用于年产1.5万吨食品级生物酶制剂项目，2.5亿元用于年产2万吨生物酶制剂项目，2亿元用于年产1200t甾体药物及中间体项目，3亿元用于药物制剂系列产品建设项目，以及0.86亿元用于收购长沙世唯科技有限公司51%股权项目，在医药领域和农牧领域进行产业延伸。

2.生物基化学品产业

化学品的生物制造是生物产业的重要组成部分，主要包括大宗基础性化学品与化工原料，重要的化学单体与中间体，以及精细化学品等。当前全球生物基化学品与聚合物的产量估计值已经达到每年5000万吨，2020年全球生物基产品销售额预期将达到3750亿美元以上。经过“十二五”期间的发展，我国完成了乙烯、化工醇等传统石油化工产品的生物质合成路线的开发，实现了生物法DL-丙氨酸、L-氨基丁酸、琥珀酸、戊二胺/尼龙5X盐等产品的中试或小规模商业化，针对一批化学原料药与中间体生产开发了清洁高效的生物工艺，在提高产品品质的同时，取得了显著的节能、节水、减少有毒物质与废水排放效果。

丁二酸（琥珀酸）是重要的有机化工原料及中间体，在化工、材料、医药、食品领域有着广泛的用途。荷兰DSM公司、美国Myriant公司、美国BioAmber公司、德国BASF公司及日本三菱化学公司等已开发出微生物发酵法生产丁二酸的生物制造技术，2015年全球丁二酸的表观消费量约为10万吨。我国主要的二元酸生产厂家包括山东兰典生物科技股份有限公司、中国石化扬子石油化工有限公司和常茂生物化学工程股份有限公司等，技术合作机构包括南京工业大学和中国科学院天津工业生物技术研究所。2016年12月，美国BioAmber公司和韩国希杰集团签署合作意向，拟在中国建立一家合资企业，结合BioAmber的琥珀酸技术改造希杰现有的发酵设备，每年生产3.6万吨生物基丁二酸，预期将于2018年第一季度正式投产，产品供应亚洲市场。

异戊二烯是极其重要的碳五双烯烃，可通过聚合合成橡胶、塑料以及萜烯类化合物，目前主要由石化原料生产。由于化石资源的匮乏，以生物质为原料的异戊二烯生物合成线路受到研究者的关注，目前处于中试放大阶段。浙江大学于洪巍教授课题组通过在酿酒酵母线粒体中构建异戊二烯合成途径，发现双重改造的线粒体途径与细胞质途径具有协同效应，异戊二烯产量较仅改造线粒体或细胞质途径分别提升2.1倍和1.6倍，实现了目前报道的真核细胞生产异戊二烯的最高产量。

甾体激素药物是全球仅次于抗生素的第二大类药物。我国是全球甾体原料药最大的生产和供应基地，目前，我国甾体药物年产量占世界总量的1/3左右，生产能力和实际产量均居世界第一位。龙头企业包括浙江仙琚制药股份有限公司、天津天药药业股份有限公司、天津市津津药业有限公司等。中国科学院天津工业生物技术研究所吴洽庆研究员和朱敦明研究员团队在和金耀集团开展的一种甾体药物关键中间体生物转化合成中取得显著成效，产品纯度和得率均达到90%以上。

L-天冬氨酸是天然存在的重要氨基酸，在医药、食品和化工等方面有着广泛的用途，国内生产规模约2万吨/年。L-天冬氨酸传统生产工艺步骤繁琐，并有大量的副产物外排，环境污染大。中国科学院天津工业生物技术研究所吴洽庆研究员团队和天津渤化集团开展天冬氨酸的酶法生物制造技术合作，实现了4t规模的中试转化试验。2016年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所与安徽雪郎生物科技股份有限公司就“L-天冬氨酸一锅双酶法新工艺”项目合作签约，项目的产业化将实现一步法催化生产L-天冬氨酸的绿色新工艺，降低氨、硫酸等的使用量，提高过程经济效益的同时实现节能减排。

肌醇是重要的生物医药原料，也可用作健康营养品、高端饲料和婴儿奶粉等产品的原料。肌醇的传统生产主要依靠化工提取，污水排放量非常大，主要是含磷废水排放量太高。依靠新的专利技术，采用生物合成的方式来替代生产，不但能够实现零排放，生产工艺成本也大大下降。2016年4月，四川省自贡市政府与中国科学院天津工业生物技术研究所签订协议，共同打造“自贡生物科技产业园”，拟新增投资10亿元人民币，建设年产1万吨肌醇项目生产线、年产1000t 5-氨基乙酰丙酸生产线、年产100t谷胱甘肽项目示范生产线和年产10t人参皂苷项目生产线，预计到2020年产值可达50亿元以上。2016年8月，中国科学院天津工业生物技术研究所与成都远泓生物科技有限公司签署生产专利技术转让协议，预期引发上千亿元规模的市场。

3.生物基材料产业

生物基材料是新材料制造的生力军，其应用市场近年来发展十分迅速。欧洲Nova研究所分析报告指出，2016年全球生物基聚合物的产能达660万吨，比2014年增长4%，预期到2021年达到850万吨；2016年产值为130亿欧元，而2014年仅为110亿欧元，儿童玩具、包装材料、工业耐用品等应用市场发展迅速。我国生物基材料产业处于实验室研发阶段迈向工业化生产和规模应用阶段，主要品种生物基材料及其单体的生产技术在近年取得了长足发展，已形成以可再生资源为原料的生物材料单体的制备、生物基树脂合成、生物基树脂改性与复合、生物基材料应用为主的生物基材料产业链。2015年，我国生物基材料与关键单体的年产能约为600万吨，形成环渤海、长三角、珠三角三个产业集群。近两年，通过实施国家发改委、财政部的“生物基材料产业专项实施计划”、中国科学院科技服务网络（STS）计划“生物基合成材料产业链建设和示范”项目等，建立生物基材料产业链联盟以及产业应用示范区，打通生物基材料上下游技术链和产业链中的关键技术难点，有力推动了中国生物基材料产业发展进程。

目前，国内生物基材料的研究单位主要有中科院长春应用化学研究所、中科院宁波材料研究所、中科院理化研究所、中科院天津工业生物技术研究所、清华大学等，技术合作企业包括江苏海正集团、江苏允友成生物环保材料有限公司、山东通佳机械有限公司、广州碧佳新材料有限公司、佛山碧嘉高新材料科技有限公司、山东兰典生物科技股份有限公司、山西金晖兆隆新材料有限公司等。

在淀粉基降解塑料（PSM）产业化方面，国内市场以包装薄膜、农用薄膜、日用塑料和泡沫塑料等为主，主要生产企业包括武汉华丽生物材料有限公司（年产能6万吨）、深圳虹彩新材料科技有限公司（3.0万吨）、烟台阳光澳洲环保材料有限公司（1.5万吨）、广东上九生物降解塑料有限公司（1.0万吨）、南京比澳格环保材料有限公司（1.0万吨）、广东益德环保科技有限公司（1.0万吨）、浙江华发生态科技有限公司（0.8万吨）、常州龙骏天纯环保科技有限公司（0.8万吨）等。

在聚酯产品研发与产业化方面，聚羟基脂肪酸酯（PHA）年总产能超过2万吨，产品类型和产量均处于国际领先地位，正向着材料的多样性和生产技术的先进性发展。材料的多样性在多种单体及其分布、分子量、聚合方式等方面越来越细化，形成了PHA组学的概念。而合成生物学技术的应用与蓝水生物技术的出现，有望大幅度降低PHA的生产成本，更有经济性和竞争性。PHA已经有一些商业化的例子，同时，PHA在医药等领域的高附加值也被不断开发出来。主要的研究单位有清华大学、中国科学院微生物研究所、天津工业生物技术研究所以及深圳先进技术研究院等。同时，聚丁二酸丁二酯（PBS）、聚丁二酸己二酸丁二酯（PBSA）、聚对苯二甲己二酸丁二酯 （PBAT）合计年产能已超过 10万吨。国内主要研究单位有中国科学院理化所、清华大学、四川大学等，主要的企业包括安庆和兴化工有限公司（年产能1 万吨PBS）、杭州亿帆鑫富药业股份有限公司（1.3 万吨PBS、PBAT）、广州金发科技股份有限公司（3 万吨 PBSA）、山东悦泰生物新材料有限公司（2.5 万吨 PBS、PBAT）、新疆蓝山屯河聚酯有限公司（0.5t薄膜级PBS、PBAT，3万吨生产线待建）和金晖兆隆高新科技有限公司（2万吨PBS、PBAT）等。

4.生物能源产业

（1）生物乙醇　2015年，全球生物液体燃料消费量约1亿吨，其中燃料乙醇全球产量约8000万吨。我国是世界上第三大生物燃料乙醇的生产国和应用国，仅次于美国和巴西，但总产量占比仅为约3%，与前两者相比差距明显。2015年美国燃料乙醇产量达4422万吨，占全世界产量的58%，我国燃料乙醇年产量约为210万吨，调和汽油2500万吨，但仅占当年全国汽油总消费量的20%。同时，我国燃料乙醇在生产效率、能源耗费、污染排

放等方面，也与美国存在较大差距。由于国内燃料乙醇生产成本较高，美国出口至中国的燃料乙醇在2015年和2016年出现井喷式增长，令中国一跃成为美国第二大燃料乙醇进口国。

过去几年中，我国燃料乙醇行业规模受制于粮食安全和玉米库存，燃料乙醇行业政策支持力度减弱，2016年，中国玉米面临高达2.5亿吨的库存，作为去库存途径的乙醇行业将再次迎来政策红利。国务院批准自2016年9月1日起将玉米淀粉、酒精等玉米深加工产品的增值税出口退税率恢复至13%，东北三省一区玉米深加工补贴政策先后出台，有望提振燃料乙醇市场。同时，2015年以来新增非粮燃料乙醇项目较多，纤维素乙醇有望走上快车道，包括天冠生物能源（天津）有限公司年产60万吨非粮木薯燃料乙醇项目、中聚天冠生物能源（福建）有限公司年产50万吨非粮木薯燃料乙醇项目、国投广东生物能源有限公司年产15万吨木薯燃料乙醇项目、湖北天冠生物能源有限公司年产10万吨纤维素燃料乙醇项目等。

近年来，国内多个城市长时间处于雾霾空气污染环境中，乙醇替代汽油的应用推广既能实现节约能源资源，又可减少汽车排出的有害气体，有利于优化能源结构、改善大气环境。国家发展改革委等七部门印发《加快成品油质量升级工作方案》明确要求自2016年1月1日起，东部地区11个省市（北京、天津、河北、辽宁、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东和海南）全面供应符合国Ⅴ标准的车用汽油（含E10乙醇汽油）和车用柴油（含B5生物柴油）。湛江成为广东第一个封闭实行乙醇汽油的地级市，要求2016年3月起封闭推广销售使用车用乙醇汽油。

（2）生物柴油　国际油价长期持续低迷，导致生物燃料在交通运输中的需求减少。2015年，全球生物柴油产量出现首次下滑，全年产量约2910万吨，同比减少2.3%，而此前十年全球生物柴油产量年均增幅为250万吨。欧盟和阿根廷生物柴油产量大幅减少，而巴西、哥伦比亚和印度尼西亚的产量有所增加。据不完全统计，2015年我国生物柴油产能约为415万吨，同比增长13.7%；实际产量为118万吨，同比增长24.2%。尽管产能及产量都有所提升，但产能利用率仍较低，开工率严重不足，无法满足巨大的市场需求。为此，生物柴油企业正在积极寻求替代原料，开发和推广生物柴油新技术，加快建设工业装置。同时，建立行之有效的生物柴油国家级协调机制，从全产业链通盘考虑启动生物柴油试点示范工作，推行封闭化专供专销，有望解决生物柴油原料供应问题，让生物柴油产业发展步入良性轨道。2016年3月，深圳市日东生物能源有限公司历时10年斥资上亿元成功研发的“第三代生物柴油项目”入驻深圳市才智云创园，其研发的纳米再生生物柴油的成分100%为烷烃，可在现今市场上任意一款柴油发动机上使用，且无需对柴油机进行调校。2016年5月，中国科学院大连化学物理研究所与沈阳化工研究院有限公司、清华大学共同完成的“富油能源微藻培育与生物柴油制备技术”在北京通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，为实现能源微藻稳定工业化生产和微藻基高值天然产物生产等实际应用奠定了技术基础。

5.绿色生物加工

近年来，我国经济快速发展，但资源和能源消耗是世界平均水平的2～3倍。造纸、纺织和医药化工等轻化工产业普遍存在高能耗、高物耗、高水耗的问题，是环境污染的重点源头，迫切需要引入节能减排的绿色工艺来缓解产业压力，而基于酶的绿色生物工艺可以显著降低能耗、物耗和水耗，近年来取得一定进展。针对传统纺织行业的绿色生物工艺改进，2016年7月，中国科学院天津工业生物技术研究所宣布成功研制出退浆精炼复合生物酶制剂，并针对该酶制剂开发了生物酶法前处理工艺，可以将传统工艺中的退浆和精炼合并成一步完成，完全替代传统碱处理工艺，达到了节能、节水、减排、提高品质和降低成本的良好效果，并在河北宁纺集团成功完成了10万米布的生物酶法前处理工艺的应用示范和推广，大大推动了我国纺织行业从传统的高能耗、高水耗、高污染工艺向绿色、环保、可持续发展的生物新工艺的转型升级。中国科学院理化技术研究所研发的酶法骨明胶生产技术使得骨明胶生产周期由60天缩短至3天，吨胶耗水减少50%，消除了固废排放，减少了吨胶用工量，提高了优质胶得率，同时降低了成本。该技术2016年9月在宁夏鑫浩源生物科技股份有限公司实现3000t/a生产线投产运行，标志着我国自主研发的酶法骨明胶生产工艺技术经过中试、工业示范正式进入规模化、商业化运营阶段，将对明胶行业的绿色生产具有重要的带动示范效应。目前采用酶法骨明胶生产技术在建的明胶生产线还有内蒙古包头东宝生物技术股份有限公司（年产能3000t，预计2017年6月投产）、安徽丰原集团有限公司（年产能3000t，预计2018年年底投产）等，到2020年将形成10 000t年产能。

三、结束语

当前，全球生物科技领域呈现出系统化突破性发展态势，生物及交叉应用领域不断涌现出颠覆性创新应用，随着我国国家创新驱动发展战略的深入实施，创新型国家建设进程加速，我国生物制造产业发展面临重要的历史机遇。经过“十二五”的发展，我国在生物制造领域自主创新能力显著增强，生产技术水平大幅提高，产品与服务国际竞争力明显提升，已经形成加快发展、实现赶超的良好基础。

为了更好地迎接即将蓬勃发展的生物经济，未来我国应围绕生物产业发展技术支撑需求，做好生物制造与上游生物农业、下游生物服务产业的融合，推动高效、清洁、低碳、循环的生物制造产业创新体系建设。在研究与开发方面，瞄准生物科技发展前沿，加强人工生命体、基因组编辑、分子识别与生物传感、仿生制造等颠覆性技术创新和应用的基础科学问题研究，重点开发二氧化碳等单碳资源的生物转化、天然化合物的异源合成、生物基材料的规模制造等方面实现关键技术与工艺突破，夯实技术应用转化基础。在产业发展方面，按照“创新发展”和“绿色发展”的要求，推进提质增效、加快转型升级，进一步提升发展质量与效益，构建大宗发酵产品、大宗化工产品、功能性材料、先进能源产品等生物制造核心技术体系，构建具有系列化、智能化、多元化、精细化特色的产品体系，持续提升生物基产品的经济性和市场竞争力；构建高效的工业生物催化与转化技术体系，大幅提高工业酶和蛋白质的催化效率、工业应用属性，显著降低生产成本。在行业与市场发展方面，提高供给结构对需求变化的适应性和灵活性，加强供给侧改革，推动调整优化产业升级，培育一批具有产业自主创新能力和国际竞争水平的代表性企业，进一步协调加快完善产业集群建设，构建国际合作新机制，抓住“一带一路”建设的历史契机，推动产业链全球布局，拓展发展新路径。加快我国推进创新型工业化建设，满足人民群众在健康、生态方面的新需求，打造经济增长新动能，推进我国生物制造强国建设进程。

（撰稿专家：刘斌）