生物制造是指將生物科學和工程學的成果應用于工業(yè)制造領域，以可再生生物質資源為原料，開發(fā)新產(chǎn)品的制造路線，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需的化學品和高分子材料等。

生物制造是基因技術的具體產(chǎn)品應用和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，包括生物制造的新產(chǎn)品、新工藝、新技術。生物制造體現(xiàn)在三個方面，即仿生設計、生物制造工程和生物過程加工工程。

1．仿生設計

仿生設計或仿生學是借鑒生物的某些特殊的功能，改善機器設計。研究生物、模仿生物的各種特征，生物的自組織、自生長、自生成、遺傳等許多特性和規(guī)律，啟迪制造，形成新的制造技術原理。這些仿生原理在制造技術上的應用將促進制造技術的變革。

2．生物制造工程

上世紀末美國提出組織工程，將細胞加工制造成材料和組織，其應用包括醫(yī)療設備、整形植入物、組織工程化的修復物、人工器官等。從制造科學的角度看，組織器官就是各種功能細胞按特定結構裝配成的復雜機器。將細胞在三維空間中精確定位、排列和組裝，制造出人體組織的雛形，在三維支架上對其進行培養(yǎng)，最終發(fā)育成具有生命功能的組織結構。這是制造科學與技術發(fā)展的嶄新方向。針對生物醫(yī)學的應用，生物制造工程可以按照加工材料的生物學特性分為四個層次，四個層次所需的制造技術難度逐次提高。

第一層次：使用不具備生物相容性的材料，制造個性化的組織或器官的模型，用于手術規(guī)劃、模擬以及假肢的輔助設計加工。

第二層次：使用較好的生物相容性但不具備生物可降解性的材料，在體內長期存在，制造的產(chǎn)品是可以替代組織或器官部分功能的人工器官或植入物。

第三層次：使用具有良好的生物相容性又具有生物可降解性的材料，在人體內逐漸被分化、分解、吸收并排出，主要是組織工程所需的各類具有特定形狀和結構的支架。用作細胞生長、組織再生的臨時性支架，輔助并促進器官組織的修復。

第四層次：使用活細胞作為加工制造的材料，制造出具有特定細胞空間分布結構的三維細胞堆，稱為類組織前體。研究內容包括人工支架的設計與制造、人工活性器官體外生物平臺、器官再造的環(huán)境構建與控制等。利用微流輸送技術進行細胞和外基質仿生材料的人工構造以實現(xiàn)細胞和生命物質的：三維受控組裝。

3．生物加工工程

利用生物體的合成過程和生命機能、活動特性進行制造，包括化合物(藥物、食品、化學品、材料、能源)的制備、加工和信號檢測。

生物制造是近年來制造技術發(fā)展的新方向，美國在2020年制造技術的挑戰(zhàn)中將其列為1 1個主要方向之一，已經(jīng)日益受到來自生物醫(yī)學、材料科學、制造科學領域的科學家們的認同和參與。國內已有多所大學和研究所開展了相關研究工作。

一、生物制造業(yè)的主要產(chǎn)品^[3]

生物制造的主要產(chǎn)品是生物能源、生物基材料和生物化學品。同時，生物制造還包括利用微生物或各種酶制劑對傳統(tǒng)化學制造過程的改造，可顯著降低醫(yī)藥、化工、食品、飼料、紡織、造紙等工業(yè)的能耗和污染。

二、生物制造產(chǎn)品的特點^[4]

與傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品不同，生物制造的產(chǎn)品不但具有復雜的結構和材料組成，而且自成一個生理系統(tǒng)，具有特定的生命功能，其特點如下。

1)具有復雜材料組成和結構，物理特性隨結構分布不均勻，力學性能較低。

2)材料組分存在于不同的生化。結構微環(huán)境中，相互之間具有不同界面特性和結合關系。

3)具有一定的生物學功能，為細胞或組織的生長提供生理環(huán)境，或直接包含活細胞或組織，具有不同層次的生命功能。

4)由于組分，結構所構成微環(huán)境與細胞的作用，產(chǎn)品的組成和結構從微觀至宏觀會隨培養(yǎng)時間不斷發(fā)生預期的變化，最終處于一種相對的生物穩(wěn)定和開放狀態(tài)。

5)從形狀至結構以及材料與功能，均可實現(xiàn)個性化的制造。

生物制造工程應保證：

1)能夠按照最終臨床要求給出所制造的器官，組織的數(shù)字模型，根據(jù)模型可進行各種層次的模擬或預測；

2)能制造和操作不同尺度的微滴單元，并以多種連接方式將這些單元粘接起來，形成復雜的三維實體；

3)加工過程中不能產(chǎn)生或引入任何有毒物質，不能破壞材料的生物學特性；

4)成形過程應當具有高度的自動化程度和柔性以保證產(chǎn)品的個性化要求。

5)與體內外培養(yǎng)結合起來對所成形的類組織前體進行培養(yǎng)和訓練。

一、生物制造產(chǎn)業(yè)的定義

生物制造產(chǎn)業(yè)包括采用微生物細胞、生物酶，以及基因工程、合成生物學和細胞融合為代表的現(xiàn)代生物技術及以發(fā)酵和酶轉化為代表的近代生物技術成果形成的生物制造業(yè)。制造的產(chǎn)品主要是大宗化工產(chǎn)品，包括生物能源、生物材料和化學品等。

二、生物制造產(chǎn)業(yè)的特點

生物制造產(chǎn)業(yè)的特點是常溫、常壓、一般為水相。反應時間24小時到200小時不等。一般沒有有毒的化合物參與或形成。通常需要鼓入空氣維持微生物的有氧呼吸。產(chǎn)業(yè)使用的原料一般是可再生的資源如淀粉、脂肪酸、各種糖類甚至是纖維素的水解物。相對于化學工業(yè)，生物制造產(chǎn)業(yè)除了有發(fā)酵廢水，一般對環(huán)境沒有污染。

三、生物制造產(chǎn)業(yè)的分類

按照所生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，本產(chǎn)業(yè)分為生物能源、生物材料和化學品制造產(chǎn)業(yè)。按照發(fā)展的階段不同，可以分為研發(fā)或生產(chǎn)企業(yè)。按照所用的技術不同，又可以分為細胞轉化發(fā)酵企業(yè)或者酶轉化企業(yè)。

四、發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)的意義^[6]

1．有利于減少對石油資源的依賴，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

當前，人類面臨著氣候變暖、石油等石化資源即將枯竭、環(huán)境污染日益加劇的嚴重局面。我國已成為世界第一資源加工消費大國，世界第二能源耗用大國，對石油化工原料的需求旺盛和依賴程度較大。如2008年我國乙烯產(chǎn)量為1025萬噸，進口依存度仍在58％以上，2008年，中國丙烯酸(酯)消費量為88萬噸，連續(xù)10年保持18．94％的世界最高消費增長速度。石油價格飆升，大宗化學品(基本化工原料)的價格飛漲、經(jīng)濟競爭力下降，下游制造業(yè)的成本負擔大幅度增加。進入2008年10月后，由于金融危機的影響，石化產(chǎn)品價格開始大幅下降，而生產(chǎn)成本下降有限，導致全行業(yè)生產(chǎn)和效益下滑，經(jīng)營難度加大。依賴于石油煉制的大宗化工原料短缺與高價，已經(jīng)成為我國工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的制約性因素，尋求傳統(tǒng)石油化工原料的新來源，減少對石油資源的依賴，探索新的可持續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展中的迫切需求。隨著生物制造科技的進步，汽油、柴油、塑料、橡膠、合成纖維以及許多大宗的傳統(tǒng)石油化工產(chǎn)品，正在不斷地被來自可再生原料的工業(yè)生物制造產(chǎn)品所替代，對緩解我國目前的資源、能源及環(huán)境危機，提高制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力和出口產(chǎn)品的國際競爭力具有重要作用。因此，發(fā)展生物制造對中國這樣一個正處于全面建設小康社會，邁向中等發(fā)達社會的發(fā)展中國家而言，顯得尤為重要。

2．有利于節(jié)能減排，實現(xiàn)清潔高效綠色生產(chǎn)

基于生物催化劑清潔、高效等特點，與化學制造相比，生物制造具有常溫下的高反應速率、轉化條件溫和、優(yōu)異的化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性、溫和的反應條件、能耗低、物耗少、對環(huán)境友好等優(yōu)點?？股亍⒒瘜W原料藥、除草劑、食品添加劑、化工原料等采用生物工藝，可以取得明顯的經(jīng)濟與環(huán)境效益，特別是在精細化學品生產(chǎn)部門，生物催化劑具有很大影響，盡管2000年以來全球化學品產(chǎn)量增加了4倍，而生物催化劑使廢物的生成卻減少了約20％，此外，溶劑減少及其再利用也有助于生產(chǎn)過程的環(huán)保效應。據(jù)世界發(fā)達國家案例分析，生物制造技術替代傳統(tǒng)化工技術，可以有效降低成本和污染(環(huán)境成本)，一般而言，投資和操作；費用可以下降10％～50％，能耗和水資源消耗可以下降10％～80％，環(huán)境；污染物排放減少20％～90％?；谖覈a(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮螅谖磥?～7年內，完全可以實現(xiàn)化學工業(yè)在能耗、水資源消耗、環(huán)境污染物排放方面分別降低30％的目標。加快培育生物制造產(chǎn)業(yè)，促進生物技術向食品、制藥、造紙、紡織、采礦、能源以及環(huán)境保護等工業(yè)領域滲透，以現(xiàn)代生物制造技術改造傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)，高溫高壓高污染的化學工業(yè)過程向條件溫和、清潔環(huán)保的生物加工過程轉移，以“減量化、再利用、資源化”為原則，實現(xiàn)發(fā)酵工業(yè)低消耗、低排放、高效率的目標，促進經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。

3．有利于解決“三農”問題，促進農村產(chǎn)業(yè)升級

生物制造產(chǎn)業(yè)的原料主要來自農業(yè)和林業(yè)，其發(fā)展對中國農業(yè)發(fā)展更具有特殊意義。發(fā)展生物制造產(chǎn)業(yè)是農業(yè)和農村的工業(yè)化、工業(yè)原料農業(yè)化、工農融合的戰(zhàn)略途徑。通過發(fā)展生物制造業(yè)，可為我國9億農民的增收脫貧和增加就業(yè)崗位做出巨大貢獻，既推進了農村城鎮(zhèn)化發(fā)展，又有利些于農村富余勞動力的就近轉移，減少大中城市人口及就業(yè)壓力，是一條具撾有中國特色的現(xiàn)代化發(fā)展道路。生物經(jīng)濟的原料基礎是生物質資源，生物研質資源具有分散的特征，加快生物制造產(chǎn)業(yè)的培育，大力建設規(guī)模適宜的現(xiàn)代化農村小城鎮(zhèn)，以適應生物經(jīng)濟對最佳經(jīng)濟圈的要求，從而有利于我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。面向陽光型能源和原料基礎的轉型，對于確保全球社會的未來安全將具有劃時代的重要意義，其深度的、廣度的和長遠的影響可以與工業(yè)革命相匹敵。

五、我國生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展任務^[7]

1．著力建設生物制造產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新能力

針對生物制造業(yè)技術密集的特點和國內企業(yè)研發(fā)能力低下的國情，以整合國內有限、分散的研究資源服務于企業(yè)和產(chǎn)業(yè)為目的，組建跨領域、高水平、設施先進的國家工程研究中心和工程實驗室，構筑生物制造工程技術平臺，凝聚和培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新人才，建立和積累我國生物制造業(yè)所需要的成套技術與核心技術，建立重要技術標準，顯著提升該行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，促進產(chǎn)業(yè)的跨越與持續(xù)發(fā)展。在已經(jīng)建立的國家工程中心、工程實驗室的基礎上，建設“手性生物合成國家工程實驗室”、“輕紡生物加工國家工程實驗室”、“生物煉制國家工程實驗室”，全面提升重要精細與大宗化學品生產(chǎn)以及傳統(tǒng)工業(yè)工藝過程的生物技術介入能力，促進傳統(tǒng)化學工藝向綠色、高效的生物工藝過度，減少環(huán)境污染。

2．做強生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)

大力發(fā)展利用高效生物制造技術產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大宗消費性新興發(fā)酵功能食品、氨基酸、有機酸、抗氧化劑和功能性糖(醇)等生物保健品，生物色素，生物香料，功能性甜味劑和添加劑等新興生物制造消費品，到2015年末，促進消費型生物制造產(chǎn)值達到1萬億元，涉及相關消費品應用行業(yè)總產(chǎn)值達到10萬億元；以酶工程技術和基因工程等技術為基礎，加快開發(fā)生產(chǎn)特種復合酶制劑；以新興生物酶催化與轉化技術為基礎，加快改造升級精細化工品的生物制造工藝；拓展綠色生物工業(yè)品應用領域，加大其在食品、飼料、日化、造紙和皮革等行業(yè)的應用；加快生物制造產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)工藝技術改造步伐，促進新技術的推廣與應用，提高企業(yè)市場競爭能力，建設低投入、高產(chǎn)出，低消耗、少排放，可持續(xù)的國民經(jīng)濟體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的低碳經(jīng)濟社會。以現(xiàn)代生物工程等生產(chǎn)技術為基礎，針對不同生物產(chǎn)品進行穩(wěn)定、可靠、節(jié)能的工藝設計及裝備制造；開展各項放大技術研究及制造裝備技術研究，實現(xiàn)各種技術的綠色高效化和設備的國產(chǎn)現(xiàn)代化，促進“兩化”融合，并培育大型生物制造生產(chǎn)企業(yè)。

3．重點培育生物化工產(chǎn)業(yè)

發(fā)展生物煉制技術，利用豐富的木質纖維素生物質資源、廢棄物、工業(yè)廢氣等為原料，進行石油化工替代產(chǎn)品以及大宗化工原料，如生物基乙烯、丙烷、異丙醇、化工醇、二元酸、溶劑、涂料、表面活性劑等產(chǎn)品的生物法制造，培育生物基化工產(chǎn)業(yè)，減少對石油資源的依賴，利用低劣生物質以管網(wǎng)形式大規(guī)模生產(chǎn)甲烷，構建中國特色的高燃值生物燃氣生產(chǎn)體系，大大減少CO₂排放與環(huán)境污染。發(fā)展工業(yè)生物催化與轉化技術體系，深化生物精細化工產(chǎn)業(yè)；重點開發(fā)醫(yī)藥原輔料、中間體、添加劑、營養(yǎng)劑、農藥中間體及其他農化產(chǎn)品等，如甾體激素、頭孢氨芐、普伐他汀的酶法合成技術，手性醇、手性胺等醫(yī)藥中間體與手性氨基酸等化學品的生物催化技術，甘油二酯及糖基化學品等精細化工產(chǎn)品的生物合成技術，取得對化學合成工藝的成本與質量優(yōu)勢。

4．大力發(fā)展生物基材料產(chǎn)業(yè)

著重開發(fā)生物高分子聚合物、生物基單體原料聚合物、生物質加工材料等產(chǎn)品，發(fā)展合成生物塑料、生化纖維、生物橡膠等新材料的微生物代謝工程改良技術，以可再生資源為原料的平臺化合物生物合成技術，高分子材料聚合與改性的生物技術；進行生物質材料的生物加工、開發(fā)新型功能材料等。

5．推進生物加工產(chǎn)業(yè)

發(fā)展生物紡織、生物制漿、生物制革等輕工產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)示范，減少水資源消耗及廢棄物減排。針對低品位金礦、銅礦、錳礦等礦產(chǎn)資源，實施生物冶煉加工工藝，提高金屬提取效率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)能降耗，減少污染。生物制造產(chǎn)業(yè)是關系到國家發(fā)展與未來國際經(jīng)濟地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，但目前產(chǎn)業(yè)影響力尚非常有限，需要從體制、科技、產(chǎn)業(yè)、投資、稅收、市場等方面，對生物制造技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行統(tǒng)籌規(guī)劃，制定有利于發(fā)揮人才和資源優(yōu)勢的生物制造技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策體系，加快生物制造技術的應用，加速生物制造產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

六、生物制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的措施及建議^[3]

1．在管理體制上要進行創(chuàng)新。有調研報告顯示，目前我國生物產(chǎn)業(yè)散布在各行各業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主管部門包括發(fā)改委、科技、衛(wèi)生、農業(yè)、藥監(jiān)、工傷等多個部門，致使在管理上形成多頭管理的局面，導致效率十分低下，而且不利于企業(yè)形成規(guī)模，制約了生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。建議生物產(chǎn)業(yè)統(tǒng)一由國家發(fā)改委主管。

2．加快PHA(聚羥基脂肪酸酯)的產(chǎn)業(yè)化。目前，世界石油的日益枯竭和石化樹脂對環(huán)境造成危害的日益凸現(xiàn)，引起各國的高度重視，一些國家的科技界和產(chǎn)業(yè)界都在尋找石油的替代品——可再生的生物質原料。生產(chǎn)可完全生物降解的塑料，既能節(jié)約石油又能保護環(huán)境。有專家認為，“在生物材料制造領域，我國與世界先進水平的差距不大，在一些方面，我們甚至是領先的。”PHA是我國生物材料產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最為成熟的領域。PHA被世界各國共同認為是“綠色塑料”、“環(huán)境友好塑料”，可以替代傳統(tǒng)不可降解塑料。PHA的發(fā)展可以帶動相關產(chǎn)業(yè)，如餐飲業(yè)、旅游業(yè)、信息業(yè)、建筑業(yè)、交通設施、家具用品、醫(yī)藥用品等領域的發(fā)展。

3．政府要制定積極的產(chǎn)業(yè)政策。政府要鼓勵對生物制造業(yè)的風險投資，從政策上優(yōu)先支持從事生物技術自主創(chuàng)新及其成果轉化的中小型企業(yè)，為生物制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。一是要鼓勵有條件的大型生物制造企業(yè)到國外發(fā)展業(yè)務，對中小企業(yè)國家也應創(chuàng)造條件使他們走出國門；二是發(fā)展具有上下游產(chǎn)業(yè)關聯(lián)特色的、具有國際競爭力的生物產(chǎn)業(yè)帶，積極引導生物造企業(yè)和服務業(yè)企業(yè)建立合作伙伴關系；三是建立生物技術人才培育基地，積極推動生物技術人才向生物產(chǎn)業(yè)流動，并給予政策支持和配合，鼓勵國外生物技術科技和開發(fā)人才在國內創(chuàng)辦生物企業(yè)。

4．增強生物制造業(yè)自主創(chuàng)新能力。企業(yè)是創(chuàng)新的主體，應提倡其自主創(chuàng)新，培育國際知名品牌，并做好知識產(chǎn)權保護工作。要發(fā)展新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，如生物能源、生物醫(yī)藥、生物農業(yè)；加快發(fā)展技術密集型產(chǎn)業(yè)，突出信息技術、生物制藥、生物農業(yè)、生物能源、生物環(huán)保為發(fā)展重點；集中力量突破關鍵核心技術和系統(tǒng)集成技術。

5．技術創(chuàng)新與商業(yè)模式創(chuàng)新相結合。創(chuàng)新不僅僅是技術創(chuàng)新，還應是技術創(chuàng)新與商業(yè)模式創(chuàng)新的有機結合。生物制造業(yè)的培育和發(fā)展受到市場前景、成長潛力、資源條件、產(chǎn)業(yè)結構等要素影響，必須要創(chuàng)新適應生物制造業(yè)發(fā)展的商業(yè)模式，為自主創(chuàng)新產(chǎn)品打開市場做好服務工作。生物制造業(yè)要適應而且要稍超前于經(jīng)濟社會的總體發(fā)展。要建立若干個生物產(chǎn)業(yè)基地，推動生物產(chǎn)業(yè)集聚化發(fā)展，發(fā)揮集聚效應。同時，做好市場調查，提高生物產(chǎn)品前端生產(chǎn)性服務業(yè)的競爭力，逐步提高其所占服務業(yè)的比重。

6．加快自主創(chuàng)新和人才開發(fā)。科技是支撐，人才是根本。生物產(chǎn)業(yè)是知識密集型、智力密集型行業(yè)，因此要建立科技創(chuàng)新體系，實施重點科技工程。要尊重人才、重視人才、培養(yǎng)人才、引進人才，建立完善的用人機制。必須把創(chuàng)新型人才培養(yǎng)當成重中之重，系統(tǒng)設計和實施可持續(xù)發(fā)展的人才政策。

7．加強行業(yè)部門之間的協(xié)調配合。生物制造業(yè)是新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，政策性強、難度大，與市場發(fā)育關系緊密，涉及原料供應、生產(chǎn)、儲運和流通及相關配套措施，是一個復雜的系統(tǒng)工程，因此各級政府、中介組織、行業(yè)協(xié)會和現(xiàn)代服務企業(yè)之間要加強聯(lián)系，協(xié)調配合，使資源共享。