工业生物技术的现状、发展趋势和规划

付卫平

(中国生物技术发展中心，北京 100081)

工业生物技术是社会经济可持续发展的战略高技术，对于应对能源短缺、环境恶化、食品安全等一系列严峻挑战以及建设绿色、低碳与可持续的产业经济体系具有重大战略意义。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中，工业生物技术是未来着力发展的战略高技术［1］。2010年10月，中华人民共和国国务院颁布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，将生物产业列为七大战略新兴产业之一［2］。2011年11月，科技部印发《“十二五”现代生物制造科技发展专项规划》［3］，指出现代生物制造已经成为全球性的战略性新兴产业，是世界各经济强国的战略重点，大力发展工业生物技术呈现出前所未有的紧迫性和必要性。

1 工业生物技术的现状和发展趋势

1.1 工业生物技术已经成为世界各国的强国策略和竞争的战略重点

随着全球性新生物经济时代的到来，工业生物技术成为世界各国的强国策略和战略重点。欧、美、日等发达国家已先后制定出今后几十年内用生物过程取代传统化学过程的战略计划及目标，加速发展清洁、高效和低碳的工业生物制造技术，促进形成与环境协调的战略产业体系。美国明确将“生物制造技术”视为战略技术领域，并列为2020年制造技术挑战的11个主要方向之一，预期到2030年以生物制造替代25%有机化学品和20%石油燃料［4］;美国政府的一份《21世纪发展规划》提出:到2020年通过生物技术将化学工业的原料、水资源及能量的消耗降低30%，污染物排放和污染扩散减少30%，这将对化学工业、医药工业及农业等产业带来极其深远的影响［5］。欧洲制定了“工业生物技术2025远景规划”，期望于2025年取得向基于生物技术型社会转变的实质性进展，大幅度降低对化石资源的依赖，显著提高欧洲工业可持续发展能力与全球竞争能力［6］。日本政府实施的“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”计划与“阳光计划”中提出了“生物产业立国”的口号，重点提出采用生物制造实现与环境协调的产业体系［7］。

1.2 工业生物技术体系逐渐形成，推动着生物产业发展与工业技术体系的变革

随着基因组学、系统生物学、合成生物学等前沿技术的飞速发展，工业微生物分子育种、工业酶分子改造等新技术不断促进核心“生物工具”的进步，工业生物技术体系逐渐形成。工业生物技术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推动作用，生物制革、生物纺织、生物造纸、生物印染、生物采矿、生物采油等已经成为节能、减排、降耗的新工业模式。一系列新的产品和技术形成了一个庞大的现代工业生物技术产业王国，工业生物技术产业已经成为“绿色经济”、“可持续发展经济”的代名词和主要增长极，正在成为未来世界经济发展的又一战略驱动力量。经济合作与发展组织(OECD)《面向2030生物经济施政纲领战略报告》预计:到2030年，大约有35%的化学品和其他工业产品将来自生物制造，生物经济亦将初步形成［8］。ExxonMobil、DuPont、BASF、DSM、Lonza、Degussa、Roche等众多全球大型传统化工或制药行业的跨国公司都投入大量资金用于工业生物技术的研发，甚至IBM、Microsoft等IT巨头也纷纷涉足工业生物技术研发领域，全球生物基商业活动趋势显示一个大规模的生物制造产业即将到来。

1.3 学科交叉渗透日益显著，工业生物技术已经成为引领生物技术发展的第三次浪潮

随着各种生物全基因组序列的测定以及重组DNA、组学技术、系统生物学等生物技术的飞速发展，细菌基因组工程、系统代谢工程、合成生物学技术、元基因组学技术、最小基因组细胞工厂、虚拟细胞及人工生命组装技术等重大科技前沿技术为重大工业产品的生物制造展现了无限的潜能。生物技术与信息技术、纳米技术、材料科学等学科的交叉渗透为工业生物技术发展开辟了新途径，多学科交叉渗透与集成创新已成为工业生物技术发展的新方向。生物技术的进步和解决资源、能源、人口、环境等社会问题的迫切需求成为工业生物技术崛起的两大推动力。目前，工业生物技术正在向化工、能源、环保、制药、外科整形、清洁剂、纺织品等新的产业进军。美国生物技术产业组织认为:工业生物技术，即在传统加工或合成过程中使用酶、蛋白质或全细胞系统，是生物革命的“第三波”。近来人们也普遍认为，工业生物技术紧随医药生物技术和农业生物技术之后，已在世界掀起生物技术发展的第三次浪潮。

1.4 工业生物技术是推动我国经济结构调整、转变经济发展方式的内在需求

近年来，我国GDP每年以10%左右的速度增长，对化石能源与石油化工原料的需求与依赖程度日益增大。2010年，我国原油进口量达2.54亿t，对外依存度达到56.5%［9］，依赖于石油炼制的大宗化工原料和能源的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和能源外的新来源，减少对石油资源的依赖已经成为我国经济发展的迫切需求。同时，我国工业的能耗、物耗与环境污染物排放水平居高不下，严重制约着我国工业经济的可持续发展。2009年我国GDP约为4.9万亿美元，排名世界第三，约占世界的6%［10］;但能耗达到22.75亿 t标准油，排名世界第二［11］;2009年，我国CO2排放量位居世界第一，达18.6亿t碳(折合CO269亿t)，几乎占了全球化石燃料排放量的1/4［12］。因此，大力发展工业生物技术，以微生物细胞工厂构建石油化工产品的合成通道，以生物可再生资源替代化石资源的工业原料路线，加大绿色、低碳、可再生的生物能源与生物基化工比例，有助于重组我国石油化工原料结构，降低石油资源依赖并减少CO2排放，实现低碳经济与工业可持续发展。同时利用工业废弃物、城市和农村生活垃圾等可实现废物资源化、生态环境友好协调发展，对解决“三农”问题、改善民生有着重要的推动作用。

1.5 工业生物技术是提高我国生物产业效率、增强国际核心竞争力的迫切需要

目前我国主要传统生物技术产品的年产值高达6 600亿元，在国民经济中占有很大的比例，但存在着高生产成本、高环境污染和高资源消耗等缺陷。我国具有国际上工业发酵领域中的所有主要产业，就其规模而言，某些产业在世界上的地位举足轻重，并在大宗发酵产品、生物基材料、生物基化学品、酶制剂、精细化学品等领域掌握一批关键技术，但整体上与世界先进水平相比仍有较大差距。微生物工程菌与新型酶制剂的开发、产业化和工业规模应用明显落后于国外，特别是分子生物学、系统生物学、合成生物学技术在工业生物体改造与应用方面明显滞后;在化学品制造领域，基本停留在利用传统发酵技术生产简单代谢物的低端技术水平上;在精细化学品、重要医药中间体、手性药物等未来工业生物技术高端产品研发上落后于发达国家10年以上，导致我国企业利润率低于国外企业的25%～50%，迫切需要以微生物基因组与系统生物学、合成生物学为基础的新型工业生物技术提高生物产业技术水平，提高生物产业效率，跨越国外知识产权技术保护壁垒，增强国际核心竞争力。

2 工业生物技术领域国家科技计划规划

2.1 解决现代生物制造的重大科学问题

面对我国经济社会发展方式转变和新一轮科技革命带来的挑战，加强工业生物技术的前瞻性基础研究以及解决生物制造的重大科学问题对引领未来高新技术发展具有重大战略意义。工业生物技术领域应重点发展生物催化与生物转化、人工生物体与细胞工厂创建、生物过程工程化等重大基础科学项目。

在生物催化与生物转化领域开展工业酶蛋白与生物催化剂的结构与功能研究，解决生物催化、生物质原料转化、生物分子机器等重要科学问题，为建立高效生物催化技术平台奠定科学基础，提高我国基础化学品、手性化学品与特殊化学品等有机化学品生物合成的核心竞争力与发展的可持续性。在人工生物体与细胞工厂创建领域开展微生物系统生物学与物质代谢的分子基础研究，探索人工生命的构建原理，解决合成生命、人工生物器件、细胞工厂、人工生物叶片等方面的重大科学问题，为解决我国能源、化工、医药和环境等重大需求问题提供原始创新方案。在生物过程工程化领域研究复杂生物过程的原理与规律，解决生物过程及其工程化的科学问题，以突破生物工艺过程、食品加工过程、多物种生态工艺过程、污染物生物降解过程等方面的重大科学问题，为建立工业生物过程模式奠定科学基础。“十二五”以来科技部启动了工业生物技术领域的重点基础研究发展计划(973计划)，包括木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究、微能源规模化制备的科学基础、生物制造手性化学品的科学基础、微生物药物创新与优产的人工合成体系、新功能人造生物器件的构建与集成、用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径等。

2.2 突破一批核心关键技术

围绕生物能源、生物基化学品、生物材料、生物医药、生物工艺等生物技术产业发展的需要，我国将重点支持一批符合经济建设和社会发展总体目标、位居国际工业生物技术发展前沿、能够形成我国工业生物技术领域新技术、新方法及理论体系的前瞻性研究。重点突破关键性、共同性、战略性核心高技术的研发，提高生物制造科技的核心技术水平，抢占国际生物制造研究开发的制高点。重点开展工业合成生物学、微生物基因组育种、工业酶分子改造、工业蛋白质表达、工业微生物高通量筛选、生物炼制与生物质转化、工业生物催化、工业生物加工、生物过程工程及装备等一批工业生物技术领域的核心关键技术研发。

“生物过程关键技术及装备开发”作为“十二五”期间863计划主题项目已经正式启动，项目下设5个课题。该项目针对我国生物制造过程中存在的资源综合利用率低、能耗高、环境污染严重、产品质量差、工业放大周期长等问题，开展生物过程关键共性技术与装备研究，以实现生物过程装备的巨型化、多样化、高效化、自动化、连续化、绿色化，整体提升我国大规模制造生物产品的技术和装备水平。

2.3 研究开发一批重大产品和技术系统

围绕战略性新兴产业的培育与《“十二五”现代生物制造科技发展专项规划》目标的实现，“十二五”期间国家将部署一批科技计划项目，加强生物制造关键技术的集成示范，研究开发一批重大生物制造产品和技术系统，实现产业化，为我国转变经济增长方式作出重要贡献。优先突破的重大产品和技术系统有:重大化工产品的生物制造、大宗生物基产品的衍生转化、木质纤维素生物糖化、非粮生物能源产品、生物油脂产品、营养化学品的生物合成、糖生物工程关键技术与重大产品、固体发酵工艺系统优化、工业生物废弃物综合利用、生物质热转化与气化技术等。

“重大化工产品的先进生物制造”已列为“十二五”生物和医药技术领域首批启动的“863”计划重大项目，为了推进以企业为主导的科技创新模式，促进科技成果转化，下设11个课题均以企业为承担单位［13］。重点研究生物基平台化合物、手性化工中间体、生物基材料等重大化工产品的先进生物制造技术，突破化工产品生物合成途径构建与优化、原料利用与生物炼制、工业生物催化转化、聚合物的全生物或生物 化学组合合成等关键技术;形成有机酸、化工醇、生物基材料等生物基产品合成生化平台技术体系，实现传统石油化工产品石油基原料与加工路线的转移;形成手性醇、手性酸、甾体等高附加值手性中间体生产的创新型生化技术路线，大幅提升我国生物制造领域科技创新能力与产业技术水平。糖工程关键技术与重大产品开发、工业生物废弃物综合利用关键技术、固体发酵工艺系统优化等3个项目已经作为“十二五”期间863计划的主题项目正式启动。“糖工程关键技术与重大产品开发”项目下设5个课题，该项目将围绕糖链转化、单糖转化、糖醇合成、糖链修饰及天然多糖的制备纯化、糖功能科学评价等糖工程关键技术开展研究，研制功能性寡糖、多糖、稀少糖、糖醇、糖衍生物等糖工程产品，带动我国糖工程产业发展。“工业生物废弃物综合利用关键技术”项目下设5个课题，该项目针对白酒糟、啤酒糟、酱渣、醋糟、果酒渣等大宗发酵糟渣、含糖高的有机废水以及组分复杂的工业废物混合物，分别研发高值转化技术，形成关键技术中试和成套技术或关键单元技术的示范，为解决我国工业发酵等行业原料消耗大、效益低、污染重等问题提供技术支撑。“固体发酵工艺系统优化”项目下设3个课题，该项目重点开展固体发酵食品产业中的原料高效处理、酿造微生物功能优化、风味调控以及清洁生产等技术，形成绿色、高效、可循环的固体发酵新工艺，建立相关产品的生产线，降低能源资源消耗与环境污染，提高产品品质。

3 工业生物技术科技计划的实施原则和保障措施

3.1 科技计划的实施原则

国家科技计划项目的组织实施将按照“国家主导、资源共享，深入挖掘、高效利用，自主创新、技术集成，重点开发、培育产业”的指导思想，紧密围绕我国能源、资源、环境和农村发展等的战略需求，努力提高技术与产品研发的起点，抢占生物制造发展的战略高地。实行分类管理，努力实现前沿技术创新，重点突破关键与共性技术，加强技术突破与产业发展之间的有机衔接，打造具有知识产权的核心产业技术体系。注重发挥高校和科研院所在创新中的引领作用，推进企业在技术创新中的主体地位，注重产学研的有机结合，强化课题研究与示范建设有机结合，加强产业化推进。“十二五”期间国家科技计划的组织与实施还将加强政府推动与市场主导之间的系统联动，形成政府引导、市场为主、企业主体、社会参与的工业生物技术产业发展模式。

3.2 科技计划的保障措施

“十二五”期间国家科技计划的保障措施将得到进一步加强，为工业生物技术产业的快速、健康发展奠定坚实基础。主要的保障措施有强化和完善国家工业生物技术和生物产业发展协调机制，建立工业生物技术及生物产业部际协调机制，加大财政投入和建立多渠道投入机制，大力促进工业生物技术企业创新能力建设，促进知识产权的创造、管理、实施和保护，实施促进自主创新的政府采购，加强高素质工业生物技术及产业人才队伍建设，加强国际合作和充分利用国外优势资源。

4 结语及展望

工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度，相关产业加速发展，已成为世界绿色经济的重要增长极。发展低碳经济、促进能源与化工原材料替代、工业节能减排、保障经济与环境协调发展迫切需要大力发展工业生物技术，国家已经部署了一系列相关科技计划，并强化了保障措施。党的十八大进一步确立了科技创新的战略地位，重申到2020年进入创新型国家行列，进一步确立了科技创新的战略目标，并作出了实施创新驱动发展战略的重大部署，进一步确立了科技创新的战略导向。工业生物技术作为先导性战略高技术，争当实施创新驱动战略的突破口，预期经过“十二五”期间的科技攻关，产业技术水平将进入世界先进行列，为我国加快工业经济增长方式的转变和实现科技创新战略目标作出重大贡献。

［1］ 中华人民共和国国务院.国家中长期科学和技术发展规划纲要［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.htm

［2］ 中华人民共和国国务院.国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.gov.cn/zwgk/2010 －10/18/content_1724848.htm

［3］ 中华人民共和国科学技术部.科技部“十二五”现代生物制造科技发展专项规划发布［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.most.gov.cn/kjbgz/201112/t20111201_91176.htm

［4］ Benn S，Berndt C，reen R.Trends in manufacturing to 2020［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.innovation.gov.au/Industry/FutureManufacturing/FMIIC/Documents/TrendsinManufacturingto2020.pdf

［5］ Scouten W H.New biocatalysts:essential tools for a substainable 21stcentury chemical industry［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www1.eere.energy.gov/biomass/pdfs/biocatalysis_roadmap.pdf

［6］ Carrez D，Soetaert W.Industrial or white biotechnology:a driver of sustainable growth in Europe［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.europabio.org/sites/default/files/report/industrial_or_white_biotechnology_-_a_driver_of_sustainable_growth_in_europe.pdf

［7］ 海野肇，冈田惠雄.Green biotechnology［M］.［S.l.］:讲谈社科学部，2002.

［8］ OECD.The bioeconomy to 2030:designing a policy agenda［M］.Pairs:OECD publication，2009.

［9］ 新华网.2011年原油进口同比增6%，对外依存度达56.5%［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥business.sohu.com/20120113/n332064721.shtml

［10］ 广州日报.中国名义GDP总值4.9万亿美元，仍然排名世界第三［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.ce.cn/macro/more/201001/22/t20100122_20844698.shtml

［11］ 中国证券网.中国能源消费超美争论再起的背后［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥finance.people.com.cn/stock/h/2011/0725/c226333 －3756898532.html

［12］ 艾米·海因策林，李康民.2009全球二氧化碳排放量下降，过去十年二氧化碳排放仍然快速增长［J］.世界环境，2010(5):45-46.

［13］ 863计划生物和医药技术领域办公室.国家高技术研究发展计划(863计划)生物和医药技术领域重大化工产品的先进生物制造重大项目申请指南［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.863.gov.cn/FuJianPath/1010/22/FJ_101022-10-26-10-8151_2960.pdf