《中国经济周刊》三篇调研报道，读懂生物制造如何重塑未来——创新中心王华平主任谈中国装备优势

为什么霍尔木兹海峡的“蝴蝶翅膀”扇动，会让几乎每个人都能感受到？

能源和材料是商品的起点，牵一发而动全身。石油的价格不仅是随着加油枪跳动的数字，还关系着你餐桌上的肉蛋奶粮、身上穿的衣服、每天都要使用的塑料制品。因为生产它们所使用的饲料、化肥、原料都要依赖石化基材料。

作为“工业血液”，石油滋养了人类社会的现代文明，但也暗藏着代价与隐忧：这个逻辑真的可以无限期延续吗？现实挑战就在眼前：资源能源短缺，粮食安全失去保障、生物多样性受到威胁……“老路”正在变窄，这意味着“新路”需要探索加速。

北京化工大学生命科学与技术学院党委书记、教授曹辉告诉本刊记者，生物制造之所以重要，是因为它与“双碳”目标完全契合，因为人类需要用新的方式解决能源和材料问题。

“我们现在用的塑料瓶、穿的衣服，大多是用石油制成的。这个过程相当于把地下封存的碳挖出来，然后变成二氧化碳排到大气中。而生物制造的原料来源于植物通过光合作用固定大气中的二氧化碳，我们把这些物质加工成产品和燃料，然后消耗掉之后再将碳排出去，这一进一出就是一个低碳甚至负碳的循环。”曹辉说。

“生物制造主要有两大发展方向：一是替代化学合成，二是替代动植物组织提取。化学合成经济性好，但环境不友好，动植物提取则常常成本高昂或不易得。”中国科学院微生物研究所项目研究员刘树文告诉本刊记者，“这就是我们希望把更多制造从化工厂搬到‘细胞工厂’，变成生物制造的重要原因。”

北京化工大学生命科学与技术学院实验室

中国科学院微生物研究所实验室

华熙生物生产的核苷酸  本刊记者 孙冰I摄

无论是采访大学和科研机构的实验室，还是生物制造中试平台和生产基地，记者看到最多的就是大大小小的发酵罐，罐子里面则是不计其数的“细胞工厂”。是的，科学家已经让每个细胞都变身为拥有流水线的“小小工厂”。

“简单来说，生物制造就是通过生物体来实现加工制造的过程。它主要利用微生物（如细菌、酵母、动植物细胞等），通过酶（蛋白质）催化其自身的生理代谢，让它们‘吃下’原料，代谢出人们需要的物质，并通过工程化技术进行规模化生产。”曹辉说，这就是发酵罐里“造物”过程。

细胞自身的新陈代谢，是大自然的精妙设计。但对于“细胞工厂”来说，常常还是“不够好”。

“微生物其实是很‘懒’的，自然代谢效率并不高。我们必须改造它们，让原本‘躺在舒适圈里不干活’的天然菌种变成一台高效生产特定产出物的‘活体工厂’，而且尽可能地让它们‘吃得少、干得多还不休息’。”刘树文说。

把微生物变成“细胞工厂”需要几步？这个看似“简单”的问题，科学家们其实走了很多年。

据介绍，一开始科学家是在自然界中去寻找和筛选适配的天然菌种，但这堪比大海捞针。而现在科学家们则是用合成生物学、基因技术等，像重新排布电路板一样设计编辑微生物的代谢网络，以打造理想的“细胞工厂”。

这个改造菌种的过程并不容易。刘树文以维生素B5为例，他和团队先后经历了七八十轮“设计—编辑—测试—反馈”的循环，才最终得到了理想的菌株。目前，中国科学院微生物研究所团队研发的一步发酵法生产维生素B5已经建成全球首套工业生产线。

“以前的化工路线获得维生素B5需要用到氰化物，会产生剧毒含氰废水，还有高温高压，容易爆炸。但生物制造的反应条件则非常温和，目前成本已与化学合成基本持平。”刘树文说。

如果说生物制造替代化学合成，比拼的是谁更便宜、谁更绿色，那在替代动植物组织提取时，生物制造的表现则堪称“颠覆性”。

“只要生物制造的方式走通，就会把各种东西变得很便宜，甚至直接干成‘白菜价’，可能立即颠覆一个产业。”曹辉给记者列出了透明质酸、氨糖、青蒿素、番茄红素、叶黄素……许多正在发生的案例。

以透明质酸为例，这一物质曾被称为“软黄金”，因为靠动物提取方式，一克的价格比黄金还贵。但华熙生物等中国企业通过微生物发酵生产之后，透明质酸现在已经变成了“白菜价”，老百姓都能用得起。

再比如氨糖，这是膝关节保健品的重要原料。以前是用虾蟹壳打碎之后的虾壳粉加浓盐酸进行降解提取，成本高，废酸污染严重。国内企业成功开发微生物发酵法，生产成本降至传统提取工艺的四分之一。依托技术优势，我国氨糖原料出口量占据全球市场 60%—70%。

再看青蒿素，这是中国屠呦呦团队发现的抗疟疾药物。中国种植青蒿，提取并出口青蒿素。但美国科学家用合成生物学合成了青蒿素的前体青蒿酸，颠覆了原有的提取工艺，迅速抢占了市场。

“这是典型的‘发现不等于拥有’。原创的科学发现如果不能在产业端守住，市场就会被别人拿走。比如，虽然氨糖原料粉的产量我们遥遥领先，但消费者真正购买的氨糖胶囊产品，却还是国外品牌更多。这当然有很多方面的因素。”曹辉说。

曹辉透露，现在氨基酸、维生素、功能糖等高价值赛道变化非常大。“像最近很火的‘减肥神药’司美格鲁肽，最早是提取自吉拉毒蜥，现在则是用微生物发酵生产，不仅成本低，而且作用时间长。这一个产品就是一年几百亿美元的市场规模。”他说。

合成生物学是生物制造的前沿基础，生物制造是合成生物学的产业落地。和其他技术的产业化路径相同，生物制造也需要经过“从0到1”的原始创新，“从1到10”的技术转化和“从10到100”的产业化，才能从实验室走向大市场，其中每一步都不易。

北京化工大学生命科学与技术学院实验室培养中的菌种

华熙生物建设的全球最大合成生物中试平台

中国科学院微生物研究所研究人员正在进行实验  本刊记者 孙冰I摄

据刘树文介绍，生物制造的技术链条可分为三个核心环节：一是菌种设计，即通过“设计—构建—测试—学习”的DBTL循环打造“细胞工厂”；二是发酵工艺，即放大培养与过程控制；三是分离纯化，即产物提取与精制。

“后两个环节我们基本与国外先进水平相当，甚至工程化能力更强，产业链效率更是全球最高。我们最大的挑战是在菌种环节，源头创新不足。背后的底层原因还是投入不足，国外毕竟积累多年，很多企业愿意拿十几亿的投入和10余年的时间去研发一个菌种，而我们这样的企业太少。”刘树文介绍说。

“菌种（包括酶）是生物制造的基础，也是最核心的部分，类比芯片非常恰当。如何提高菌种代谢效率、原料适应性和工艺匹配性，已经是生物制造中的核心竞争点。”国家先进功能纤维创新中心主任、东华大学教授王华平告诉本刊记者。

王华平说，“菌种芯片”和芯片类似，不仅是设计重要，“流片”和稳定量产能力也很重要。

“大自然中的菌种和酶非常多，首先要识别出哪些是高效可用的，然后对菌种进行编辑、改性和提升。这个过程需要使用基因测序设备和基因编辑工具。原来都是进口的，现在华大基因等中国企业也能够提供国产化测序设备，但有些设备和国际最先进水平相比还存在一定距离。”王华平说。

江南大学未来食品科学中心教授、教育部“长江学者”特聘教授康振告诉本刊记者，当前，生物制造已成为各国抢占科技和工业领先地位的核心新赛道，竞争焦点就是上游底层核心技术主导权。

“底层核心专利仍被海外垄断；基础数据库、生物设计工业软件自主化不足；菌种设计仍以迭代改良为主，能用但不领先、可应用难引领；高端特种菌种与底层工具卡脖子风险突出。”康振如是总结当前的主要挑战。

康振透露，我国工业成熟菌种自主化率约30%至40%，但核心底盘菌株、原创基因编辑工具自主化不足20%。

“美欧长期垄断高端测序基因设备、生物设计软件、核心工具酶等基础软硬件，通过出口管制构筑技术壁垒。这已经是当前生物制造全球竞争关键的卡脖子环节。”康振说。

即使在实验室中获得了“完美”菌种，距离创造产业化价值还隔着一道“死亡之谷”。实验室阶段的科研成果通常在毫克级到克级规模完成，而工业化生产需要达到公斤级甚至吨级。这不仅仅是规模的简单放大，而是涉及各种工程参数的全面重新优化。

“会有各种各样的‘死法’。”华熙生物中试成果转化中心总经理王恩旭告诉本刊记者。技术从实验室到产业化，中试是重要的关键环节和必经关卡，实验室里表现优异的菌种和工艺，一旦放大到几吨甚至几十吨级的发酵罐，整体成功率大约只有20%。这也是为什么业内常称中试为“死亡之谷”。

“有的时候是因为经济性不好，无法量产，很多时候‘死’就是字面的意思，因为细菌是活的。”王恩旭说。

尽管生物制造赛道政策热、资本热，但真正能跑通从实验室到商业闭环的企业其实不多。

从北京向南驱车约两个多小时，就来到了位于天津滨海新区的华熙生物中试成果转化中心，这里是华熙生物历时6年建成的全球规模最大合成生物中试平台，占地面积约700亩，累计投资额达30亿元。

2025年12月，该平台入选工业和信息化部首批“生物制造中试能力建设平台”，并获得最高等级“五星级”认证（全国仅5家）；2026年5月，该平台入选制造业中试平台首批生物制造领域认证（全国仅8家）。

记者走进发酵车间，最先感受到的是气味——不是刺鼻的化学品气味，而是一种有点像煮豆子味道的焖香。“当罐里放了豆粕或玉米粉的时候，味道会更浓。”工作人员说。

车间里完全没有传统工厂的轰鸣，持久的背景音是类似空气压缩机的低沉嗡鸣。“因为细菌是活的，要呼吸，需要不停地给它们通气。”工作人员解释。

据介绍，这里运行着64条柔性化中试产线，配有从5升到两万升不同规模的发酵系统50余套，以及离心、膜分离、柱层析、结晶、喷干、冻干等分离纯化设备100余套。

“华熙生物中试平台的最大特点就是我们是一个拥有AI‘智慧大脑’的柔性化中试平台。”王恩旭说。

所谓“柔性化”，核心在于该中试平台采用模块化设计，每个设备以模块形式呈现，不同的产品通过不同的管道快速组合串联。

“比如人乳寡糖、麦角硫因、胶原蛋白、透明质酸……这些产品的工艺路径完全不同，但可以通过更换设备模块快速适配。为了满足不同的生物活性物，需要一套‘万能’平台来接住它们。”王恩旭解释说。

王恩旭特别强调，要把实验室技术成功产业化，不仅要解决技术问题，还要考虑成本问题。实验室追求表达量越高越好，会用最好的营养物质，用最纯净的水……但产业化则需要计算投入产出比。

比如，“智慧大脑”通过AI分析发现，当把发酵罐里的氮源从一种换成另一种之后，产物的表达量从每升10克降到了9克，这看起来产量下滑10%，但投料成本降低了90%。综合核算后发现更合适。

“这就是产业化的核心思路，要算总经济账，而不是只看单一指标。”王恩旭说。

据透露，目前该中试平台除了满足华熙生物自身的需求，也服务了覆盖高校院所、初创团队、投资机构、大型国央企等诸多外部客户。

该中试平台构建了“研发试验验证—中试放大—检验检测—市场转化”一体化运行模式，打破了传统中试环节仅承担工艺放大功能的单一局限。

“我们依托华熙生物的全产业链资源，进一步延伸出中试下游的制造匹配、市场对接、应用场景开发能力，已成功推动多项科研成果从实验室走向生产线，实现了‘样品—产品—商品’的全链路贯通。”王恩旭说。

华熙生物副总裁王瑞妍告诉本刊记者，全国大部分中试平台，尤其是如此大规模的中试平台，一般都是由地方政府、央国企等建设，民营企业牵头建设的并不多见，尤其是在生物制造领域。而华熙生物之所以要做这种“慢而重”的积累，就是要破解成果转化难题。

“从中试到规模化生产，需要大量的资金投入，且投资周期长、不确定性高。许多资本更倾向于短平快的项目，但生物制造这种需要长期坚守的领域需要足够的耐心。”王瑞妍说。

任何一个产业的发展与繁荣都不可能是“独角戏”。王瑞妍说，通过自主建设全球最大的合成生物中试平台，华熙生物希望将25年积累的工程化经验形成可复用的平台能力输出给行业，进而构建更好的产业发展生态。

《中国经济周刊》：生物制造与传统工业制造有哪些区别？

王华平：区别很多，其中一个特别重要：生物制造的材料和产品是可持续的，能有效减少使用传统材料对生态环境和人类健康造成的危害。

咱们以秸秆的利用举例。我国每年生产数亿吨的秸秆，如果将其烧掉，会变成二氧化碳，增加碳排放且污染环境。

但以秸秆作为原料，通过生物作用与能源耦合，生产绿色甲醇，所需能源来自光伏或风力发电，整个生产链条都是低碳的。与传统化石燃料相比，绿色甲醇全生命周期的碳排放量大大降低。

用秸秆生产的餐盒，服装，可再回收利用，把生物质资源吃干榨净，增加了秸秆的利用层级。

当然，在经历了几个循环后，秸秆所含的碳最终会排放到大气中，但与直接烧掉相比，其间增加了许多小循环，达到降低碳排放目的。

与石油和煤炭要经历上亿年才能形成不同，秸秆一年就能产一季或几季，光伏和风电是可再生能源。

《中国经济周刊》：生物制造范围很广，目前大家主要发力在哪些赛道中？

王华平：我认为可分成3个。

第一个是面向资源，比如前面提到的用非粮原料，如秸秆等作为生物制造原料，未来还要用二氧化碳作原料。核心是原料替代，生产出高价值资源，如生物蛋白、维生素、服装纤维、替代燃料等。

第二个是面向生物制造核心技术，包括生物基因编辑技术和微生物技术。

从工业化角度来看，大自然中的细胞非常多，我们需要识别出它们的位置和性质，以提高资源适应性。研究人员挖掘、改造细胞，通过基因编辑向细胞传达特定的“代码”，将其作为能生产目标产品的“细胞工厂”， “吃”掉可再生的原料，“生产出”高价值产品。

此外，这个“细胞工厂”的生产效率要高，尽可能少“吃”原料，更快更多地“生产”出高价值产品。降低生物制造成本，提高生产效率。

第三个是面向应用的技术，我们在这方面有优势。细胞工厂“生产”出高价值产品后，后续装备要跟上。例如，细胞工厂制出纤维后，原来基于石化资源加工体系的如原料聚合、纤维聚合、纺丝聚合设备，要能够与生物制造生产纤维兼容。我们此前积累的强大装备力量，为发展生物制造提供了坚实基础。