工业生物技术发展现状、问题及对策思考

谭　涛,　赵黎明

1.中国生物技术发展中心, 北京 100039;2.华东理工大学生物工程学院, 生物反应器国家重点实验室, 上海 200237



工业生物技术发展现状、问题及对策思考

谭涛1,赵黎明2*

1.中国生物技术发展中心, 北京 100039;2.华东理工大学生物工程学院, 生物反应器国家重点实验室, 上海 200237

摘要：工业生物技术在推进全球可持续发展中具有重要的地位和作用。结合国际工业生物技术发展现状及趋势，分析了我国工业生物技术的现状和面临的挑战并针对强化我国工业生物技术的发展提出了对策建议。

关键词：工业生物技术;发展趋势;挑战;对策建议

工业生物技术是利用微生物、植物和动物细胞或酶的生物催化功能，进行大规模的物质加工与转化的先进制造技术，涉及食品、医药、造纸、皮革、纺织、化工、石油等许多重要的工业领域。工业生物技术是社会经济可持续发展的战略高技术，对于缓解人类当前面临的能源短缺、资源紧张、环境恶化、经济衰退、气候变化和食品安全等一系列严峻挑战，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，大力发展工业生物技术是生物科技为国家做出重大贡献的战略选择。

本文归纳和凝练了国内外工业生物技术发展的现状和趋势，指出了我国工业生物技术发展中存在的不足，结合我国在工业生物技术领域的重大战略需求，提出了我国建设性的应对策略和思考，为推动我国工业生物技术的发展提供借鉴。

1国际工业生物技术发展现状

1.1发达国家对工业生物技术的战略定位

工业生物技术已经成为发达国家实现经济可持续发展的重要举措。工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济可持续发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度，主要发达国家和新兴经济体纷纷将发展工业生物技术及产业上升为国家战略并制定国家规划。

美国政府将工业生物技术列为2020年制造技术挑战的11个主要方向之一，并于2002年专门制定了《生物质技术路线图》，计划到2030年用生物基产品和生物能源替代25%的有机化学品和20%的运输用石油燃料[1]，2015年又发布了《生物学产业化：加速先进化工产品制造路线图》，提出了生物学产业化的目标。日本政府从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”计划[2]，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够形成和环境协调的产业体系的根本技术。德国于2010年发布实施了《生物经济2030：国家研究战略》[3]，旨在通过强化以促进生物质原材料可持续资源化和能源化应用为导向的研发创新，并于2012年编制了《生物精炼路线图》，明确界定了生物炼制发展需求，并规划了德国生物炼制技术未来的行动领域。欧盟于2014年发起了欧洲联合生物基产业发展计划，并于2015年发布了《推动生物经济——面向欧洲不断繁荣的工业生物技术产业路线图》，提出“欧洲工业生物技术产业产值将从2013年的280亿欧元增至2030年的500亿欧元,年增长率达7%”的重大目标。

1.2国际工业生物技术产业发展现状

工业生物技术产业加速发展，正在成为世界绿色经济发展的战略驱动力量。在发达国家和新兴经济体，工业生物技术正在进入大规模产业化阶段，生物制造、生物能源等新兴产业快速兴起，已经成为节能、减排、降耗的新工业模式。2013年美国生产了4 000万t生物乙醇，替代了13%的原油进口量，使美国石油对外依存度由2005年的62%下降到43%[4]；欧盟燃料乙醇和生物柴油对汽油和柴油的替代率为5%～6%。塑料、橡胶、纤维以及许多大宗的传统石油化工产品被来自可再生原料的生物基产品所替代的比例日益加大，其中2011年，全球生物塑料产能约为120万t，占材料市场总份额1.5%，预计2016年将增长5倍，达到600万t[5]。工业生物技术的市场热度日益高涨，成为众多企业追捧的对象，传统化工、医药行业的跨国巨头杜邦公司(DuPont)、巴斯夫公司(BASF)、帝斯曼公司(DSM)、罗氏公司(Roche)等纷纷投入大量资金用于工业生物技术的研发，甚至国际商业机器公司(IBM)和微软(Microsoft)等信息工业领域巨头也开始涉足工业生物技术研发领域，抢占国际市场。

除了美国和欧盟等主要经济体外，工业生物技术在韩国、日本、巴西等国家也受到了高度重视，无论是在科研投入和产业化等方面都发展迅速。

在国家、市场双重驱动下，大批新的产品和技术涌现和聚集，现代工业生物技术产业格局基本形成，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，并正在成为未来世界经济发展的又一战略驱动力量。

1.3前沿技术的发展趋势

工业生物技术的前沿技术发展日新月异，学科交叉渗透日益显著，带动了工业生物技术水平提升和产业加速变革。合成生物学、系统生物学、基因编辑技术等前沿技术的出现与发展，增强了对生命体进行改造和操纵的能力，带动工业生物技术向着高端化、自动化、智能化不断迈进。如国内外科学家利用合成生物技术完成了酵母染色体的合成、工业菌种的代谢路径改造，甚至超级细胞工程的私人定制；借助基因编辑技术，完成对DNA位点精确编辑，使功能生物体的改造变得更加简便、高效。多学科的交叉渗透与集成创新为工业生物技术的发展开辟了新途径。如高通量测序技术与组学技术的发展，推动工业生物研究逐渐进入大数据时代。前沿生物技术与计算机、物理、化学等技术的结合，促进了生物计算模拟、生物功能结构设计、材料与过程仿真等领域的发展，为工业酶制备、代谢通路优化、材料合成、菌种筛选等提供了数据支撑。

2我国工业生物技术发展现状

2.1政府政策导向和战略定位

我国政府对工业生物技术高度重视，积极出台政策措施，为工业生物技术发展提供了良好环境。工业生物技术是继医药生物技术、农业生物技术之后，国际生物技术领域的“第三次浪潮”，引导我国工业生物技术和产业良性、高效发展一直是我国政府的重点工作之一。

2006年制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》[6]中，将新一代工业生物技术列为未来着力发展的战略高技术和国家重大战略发展方向。2007年，发展改革委印发了《可再生能源中长期发展规划》(发改能源〔2007〕2174号)[7]，提出要积极发展以纤维素类生物质为原料的生物燃料技术，到2020年，实现生物燃料乙醇年利用量达到1 000万t，生物柴油年利用量达到200万t，沼气年利用量达到440亿m3。2011年，科技部发布了《“十二五”生物技术发展规划》(国科发社〔2011〕588号)[8]，将生物制造技术列为重点发展方向。同年，印发了《“十二五”现代生物制造科技发展专项规划》(国科发计〔2011〕587号)[9]，提出要围绕“两个替代、一个提升”，积极抢占国际前沿制高点，培育战略性新兴产业增长点，到“十二五”末期，初步建成现代生物制造创新体系，带动形成现代生物制造产业链，生物制造领域技术水平进入世界先进行列。2015年，国务院印发了《中国制造2025》(国发〔2015〕28号)[10]，提出制造业发展要由资源消耗大、污染物排放多、生产效率低的粗放制造向绿色制造转变，要努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系。伴随相关政策措施的出台，大学、科研院所、企业开展工业生物研究的活力得到了进一步激发，掀起了一股大力发展工业生物技术、引领绿色经济发展、建设制造强国的新热潮。

中央财政投入引导，地方、企业经费配套，为工业生物技术研发和产业化提供了资金保障。“十二五”以来，为抢占工业生物前沿制高点、培育产业增长点，相关部门积极强化工业生物领域战略布局，并引导地方、企业加大科研投入，确保了重点领域研发活动的顺利进行。其中，科技部等部门依托973计划、863计划、科技支撑计划等项目，重点在合成生物学、微生物及酶工程、生物过程工程、重大化工产品研发等方面进行布局，设立科研项目20多项，中央财政投入超过10亿元，带动地方、企业投入经费超过50亿元。通过政产学研联合攻关，一系列重大的共性关键技术取得突破，产业化示范成效显著，有效带动了生物制造产业的快速兴起及传统化工产业的转型升级。

2.2我国工业生物技术成果和存在的问题

经过“十一五”、“十二五”一系列政策的带动和扶持，我国工业生物技术进入快速发展时期，一大批优质的区域协同创新和成果转化平台顺利建成，以企业为主体，产学研联合的产业创新技术体系基本形成，自主创新能力显著增强，国际竞争力不断提高。创新技术体系基本形成，产业进入快速发展时期，成果与问题并存。

2013年，我国发酵工业总产量2 429万t，居世界第一，产值近3 000亿元[11]，而且发酵制造水平不断提升，主要产品的水耗、能耗得到较大改善。2015年，生物制造产业产值预计达到1万亿元，占GDP比重达3%[12]。大宗发酵产品如谷氨酸、赖氨酸、柠檬酸、结晶葡萄糖、山梨醇等产量保持世界领先[13]。乙烯、富马酸、丁二酸、乙二醇、丁醇等大宗化学品已实现生物法制造。聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、丁二酸丁二醇共聚物 (PBS)等生物基材料生产技术大幅提升，PHA、PLA的产量或生产能力达到国际领先地位。中国成为世界上第三大生物燃料乙醇生产国和应用国，生物航油研发取得了突破性进展，首次成功使用混合生物航油完成了载客商业飞行，微藻生物能源技术也取得新的突破，产业化进程不断推进。泛酸、丙烯酰胺、乳链菌肽等占据世界市场份额达到50%～70%[14]。生物印染、生物退浆在纺织行业的应用比例已经分别占到了40%～50%和80%～90%，接近发达国家水平。

此外，依托高校、科研院所、企业重点在生物质能源开发、生物反应器研制、生物膜研发、能源清洁利用、非粮生物质资源利用、固态酿造、生物催化等方面组建了一大批产业技术创新战略联盟、国家重点实验室、工程技术研究中心以及产业基地，有效整合了产学研等方面的资源，形成科技攻关合力，实现了基础前沿、重大共性关键技术和产业化示范的有效衔接，支撑了我国工业生物领域关键技术突破和传统产业的转型升级。

近年来我国工业生物技术在科技创新、产业化、平台建设等方面都取得了快速发展，同时也显现出诸多不足。

2.2.1自主创新能力相对不足我国工业生物技术高端人才依然匮乏，研发水平和成果转化能力明显不足，以低水平的跟踪和复制为主，缺乏具有完全自主知识产权的技术和产品，成本处于高位，市场竞争力较弱。生产菌种、装备水平、生产工艺等相对落后，大量依赖进口，进口额度超过100亿元/年。

2.2.2技术研发和产业化脱节我国目前的研发能力主要集中在科研院所，但科研人员对成果转化认识不足、对市场需求把握不准等导致产出成果无法满足市场需求，而且成果一产出就被束之高阁，产业化难度较大。企业对市场把握能力强、产业化基础好，但应用研发经费投入较少，原始创新能力相对较差，成果产出率较低，难以有效开拓市场。

2.2.3缺乏完整的核心技术体系我国工业生物技术研发大多集中在生物加工过程技术与产品的开发上，超级细胞工厂、工业催化剂的开发力度相对较弱，对涉及工业生物技术核心的“合成生物学技术、生物大数据”等现代生物技术重视不够。

2.2.4产业结构不合理我国仍以传统发酵品为主，产能过剩、产品同质化竞争严重、行业利润低。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，在重要医药中间体、精细化学品、手性药物和功能营养食品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[15]。

3我国工业生物技术的发展方向

3.1促进生物基化学品的绿色制造

发展低碳经济、促进能源与化工原材料替代与结构重组迫切需要大力发展工业生物技术。当前，我国是世界能源消费大国，对化石能源与石油化工原料的需求旺盛且依赖程度日益增大。2014年，我国原油进口量近3.1亿t，对外依存度高达59.6%，依赖于石油炼制的能源和大宗化工原料的短缺与高价，已经严重制约了我国工业经济发展。大力发展工业生物技术，建立生物炼制技术体系，打通非粮及废弃物生物质资源的生物转化途径，实现可再生生物资源对石油原料的部分替代，提升绿色、低碳、可再生的生物基产品比例，对于我国工业经济可持续发展、降低石油资源依赖、减少CO2排放等具有重大战略意义。

3.2促进环境友好的工业生物制造

推动工业节能减排、保障经济与环境协调发展迫切需要发展工业生物技术。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。工业生物技术具有绿色清洁、高效、低碳等特点，通过生物催化剂来替代化学催化剂的工艺路线替代和可再生生物资源替代化石资源的原料替代，可以有效减少化石原料消耗，减少废气、废水排放，能够大幅降低企业生产成本。通过发展工业生物技术，革新传统化工、制药、纺织、造纸和采矿等生产过程，对于实现工业节能减排、促进经济与环境协调发展，具有重大战略意义。

3.3提高农业生物质资源高效利用

提高农业资源利用、调整农业结构、解决“三农”问题迫切需要发展工业生物技术。大力发展工业生物技术，把农产品和近7亿t的废弃生物质加工成高附加值的生物基材料、化学品、生物能源等工业产品，不仅是解决当前能源、资源紧张和环境污染等问题的有效途径，而且对于梯级利用生物质资源、高效利用土地资源、提高农业生产的整体效益、调整农村产业的经济结构、增加农民收入和就业岗位、缩小工农及城乡间的差距和矛盾具有非常重要的意义。目前国内在秸秆等生物质的高效利用方面已经积累了较丰富的研究和应用经验，为生物质作为工业生物技术绿色制造的进一步发展奠定了良好基础。

4发展工业生物技术的对策思考

4.1鼓励产学研结合，提升自主创新能力

加大政府引导力度，积极构建科研院所、大专院校、企业一体化的科技创新组织体系，大力推进产学研协同创新战略联盟建设，整合优势资源，确保科研成果产出与转化的有效衔接。通过财税、金融、投资等政策，积极引导企业增加研究开发投入，加快培育一批原始创新能力强、产业化基础好的龙头骨干企业和拥有特色技术、高端人才的创新型中小企业，并进而有效带动整个行业的自主创新能力提升，增强产业核心竞争力。

4.2加强核心技术研发，建立完善的工业生物技术体系

影响我国工业生物技术领域整体快速、稳定发展的重要因素之一是一些共性技术、工艺和装备上的制约，科技创新能力依然较弱，缺乏方法和装备创新体系，核心技术研究不足，工业生物技术体系尚不完善。尽管近年来研究开发投入比例明显增加，但仍显相对不足，国内市场开发仍然主要靠模仿跟踪，拥有自主知识产权的菌种、技术及新型发酵产品相对较少，关键技术和装备创新力度弱，新兴产品比例相对较低。企业缺乏对新兴产品创新的动力，新产品产业化能力也相对较弱，新产品市场和品牌培育不足。

因而，我国今后需要着力加强合成生物学、微生物基因组育种、代谢工程、工业酶分子改造、非粮原料生物炼制、系统生物学、工业生物大数据等工业生物技术领域的核心技术研究，通过多学科的交叉融合，进一步完善我国的工业生物技术体系。推动促进产品应用链体系建设工作。巩固大宗生物发酵产品领域稳定增长的同时，大力发展产品应用体系的多元性，拓展各种新应用领域的研究与发展，同时推动产品产业链协同发展，增强生物制造产品和共性技术对各种产业和新产业的支撑能力，在强化重点产品上下游配套能力及重点领域间的协调发展能力的基础上，大力支持发展延伸服务，构建具有竞争优势的产业链，提高工业生物行业的发展水平和层次。

4.3加强高端产品的研发，推进创新产品市场应用

发挥战略性产业的地位作用，促进扩大内需，进一步拓展和占领国际市场。强化对功能营养食品、手性药物、高端酶制剂、精细化学品等高端产品的研发，建立具有自主知识产权的高、中、低端产品互补体系，打破国外企业的垄断。加大对产品及成果的宣传力度，积极突显产品的安全性、环保性等优势，正确引导消费者，快速推进创新产品市场化。结合国情及相关行业情况，参照国际标准，积极参与制/修订生物技术产品的国际和国家标准，建立国家标准和统一、规范的认证认可体系，完善安全检测和监控系统体系，确保产品生产全程质量安全，保障食品安全。

4.4加大财政投入力度，建立多渠道投入机制

我国在工业生物领域的投入与产业发展需求不匹配，相配套的税收与市场扶持政策较少，融资渠道不畅，缺乏资金，影响了原始创新速度和技术体系及产业体系的完善与发展。虽然目前新兴资本市场对行业关注度持续增加，投资公司和资本市场希望能够进入行业，促进行业的发展，但在投资和发展方向与行业发展和技术创新对接不足，资本市场对行业缺乏有效的认识和深度了解，企业在资本市场的显现度不够，从而影响行业在资本市场的融资力度。因此，需要进一步加强投融资主体的科技金融互动意识，完善互动机制，尽快形成科技金融资源有效对接互动的良好局面。同时，积极鼓励设立创业投资引导基金、成果转化风险基金，引导社会资本进入领域创业投资和支持高等院校、科研院所成果的孵化与转化。

4.5加强高素质生物技术人才队伍建设

创新人才的引进和培养模式，改革创新人才使用和评价政策机制，紧扣《国家中长期人才发展规划纲要》，结合创新人才推进计划、千人计划等系列人才计划推进高素质工业生物技术及产业人才队伍建设。采取团队引进、核心人才引进等方式，吸引和支持出国留学人员、海外华人华侨回国创办企业、从事科学研究和教学工作。同时，鼓励支持我国科学研究人员“走出去”，主动开展国际合作，参与国际大科学工程和研究计划，积极融入全球创新网络。鼓励建设一批创业创新中心等人才培养平台，加强协同创新。

5展望

“十三五”时期是我国国民经济和社会发展全面纳入科学发展轨道的重要时期，也是工业制造产业巩固结构调整成果和产业全面升级的关键时期。在这一经济转型的重要时期，按照我国经济社会发展目标和经济结构变化趋势，科学分析工业生物技术的发展现状、问题和环境，把握工业生物制造产业的发展方向，科学制定具有战略性、前瞻性和导向性的工业生物领域“十三五”规划，对全面提高我国工业生物技术及生物制造产业的发展水平和竞争力具有十分重要的战略意义。

参考文献

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Current Situation, Challenge, Countermeasures and Suggestions of Industrial Biotechnology

TAN Tao1, ZHAO Li-ming2*

1.ChinaNationalCenterforBiotechnologyDevelopment,Beijing100039,China;2.StateKeyLaboratoryofBioreactorEngineering,SchoolofBiotechnology,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China

Abstract:The important status and functions of industrial biotechnology in the global sustainable development had been expatiated based on the development trends of international industrial biotechnology. The paper analyzed the development status and challenges of domestic industrial biotechnology, and proposed the countermeasures and suggestions for the development of domestic industrial biotechnology.

Key words:industrial biotechnology; current situation; challenge; counter measures and suggestions

收稿日期：2016-02-22; 接受日期：2016-03-07

作者简介：谭涛，助理研究员，研究方向为科技项目管理。*通信作者：赵黎明，教授，博士生导师，研究方向为生物工程。E-mail:zhaoliming@ecust.edu.cn

DOI:10.3969/j.issn.2095-2341.2016.03.01