本文来自微信公众号： 猫头鹰科技社 ，作者：浦江科技评论，原文标题：《浦江科技评论｜生物制造：真正的考验在产业化》
｜浦江科技评论·PUJIANG TECHNOLOGY REVIEW｜
细胞能造出什么，实验室已经给了答案；能不能稳定、低成本地大规模生产，答案在工厂里。过去10年，生物制造经历了技术与资本的快速升温，如今正回到理性和市场逻辑。
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其实“生物制造”的历史比我们想象的要长——要知道，细胞已经在工厂里工作了80年。
20世纪40年代起，人们用微生物发酵生产青霉素，从此细菌感染不再是致命威胁；今天每年数百万吨赖氨酸饲料，支撑着现代畜禽养殖；柠檬酸、谷氨酸钠这些日常食品中的成分，也几乎全部出自发酵罐。合成生物学的出现，让人们不再局限于筛选自然界现成的菌种，而是可以设计和改造微生物的代谢通路，把可制造产品的清单不断拉长。
这也是政策关注它的原因。在“十五五”规划建议中，生物制造与集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料等一起，被列入要“采取超常规措施、全链条推动”的关键核心技术攻关领域，同时被纳入未来产业布局。当前，国家并不缺少能够发酵的工厂，缺的是把新技术变成新工业能力的路径。
与传统化工相比，这条路径的价值是清楚的。现代化工通过调控分子结构和反应条件，将煤、石油、天然气制成塑料、纤维、燃料、化学品和药物，其中不少过程需要较高的温度、压力或特定条件。生物制造则借助细胞和酶完成物质加工与合成，在部分场景中可以用糖、废弃油脂、农林秸秆等可再生原料替代化石碳，在较温和的条件下完成反应，并生成可降解材料、低碳燃料和高性能功能分子。对化工这类过程工业而言，绿电解决的是能源来源问题，产品中的碳却仍可能来自化石资源；要进一步减排，就需要改变生产路线本身，生物制造提供的正是这样一条从源头减碳的路径。
把产线建在细胞里
谈起生物制造，人们往往先想到“设计一个好的菌株”，但从菌株到产品，还有一系列技术和工程问题。
首先是酶。工业上常用的酶大多是蛋白质催化剂，能够显著加快特定反应，并对反应和产物结构表现出较高的选择性。人类获取和改造酶的方式，逐渐从天然筛选发展到定向进化，再到AI辅助设计。依托蛋白质结构预测与生成模型，研究人员开始从功能需求出发设计氨基酸序列。
酶负责具体反应，菌株则需要协调一整条生产路线。工程师在微生物底盘上设计代谢通路，让碳源经过十几步甚至几十步反应，转化为目标产物。衡量工业菌株性能，主要看得率、产物浓度和生产速率，需要通过基因编辑和代谢工程反复迭代。
青蒿酸的研究展示了这一持续改进。2006年，合成生物学泰斗杰·基斯林（Jay Keasling）的课题组构建出能直接生产青蒿酸的细胞工厂，当时产量为100毫克/升。而到了2013年，经过菌株和发酵工艺持续优化，这个数据已经提高到25克/升，约为最初的250倍，为半合成青蒿素规模化生产创造了条件。这也说明了，细胞工厂的性能提升并不是通过一次设计就能完成的，而是在菌株、代谢通路和发酵工艺之间反复迭代的结果。
但菌株性能提高，并不意味着工业化问题已经解决。细胞工厂进一步的考验在于放大。实验室摇瓶里表现优异的菌株，进入大型发酵罐后，可能因溶氧、传质、污染或副产物积累而大幅减产。实验室解决的是能否生产的问题，而工厂要求的是每一批都能稳定生产。
1,3-丙二醇是生物制造产业化的一个典型案例。杜邦于20世纪90年代初启动该项目，直到2006年年底位于美国田纳西州的工厂投料开车，才实现商业化生产。项目从菌株研发到工厂落地前后经历十余年。菌株开发必须与生产工艺优化同步进行，许多工程经验只能在实际运行中积累。
发酵之后，分离纯化也是关键环节，却常被忽略。发酵液中的产品通常只占百分之几，将其提纯到客户要求的品级，成本可能占总成本的三到五成。因此，能否稳定放大并控制成本，决定了实验室成果能否真正用于工业生产。
从合成生物学到生物制造
在合成生物学成为热词之前，中国发酵产业已经发展了几十年，抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等产品的合成陆续形成完整工业体系。维生素C两步发酵法、长链二元酸生产工艺等的长期改进，都构成了今天发展生物制造的产业基础。2025年，我国生物发酵行业主要产品产量约3680万吨，占全球70%以上。
2015年前后，随着基因编辑等技术的发展，合成生物学走到聚光灯下。Amyris、Zymergen、Ginkgo等企业以“微生物生产万物”的平台构想吸引资本，中国也出现蓝晶微生物、微构工场、弈柯莱等创业公司，传统发酵企业则加速向PHA、PLA、丙二醇、稀有糖等方向拓展。各地陆续规划产业园和新产线，平台能力一度成为资本衡量企业价值的重要尺度。
2022年以后，行业开始调整。Amyris于2023年启动破产重组，Ginkgo在2022年完成对Zymergen的收购。中国市场也经历估值回调，企业开始减少对平台和管线概念的强调，更重视量产进度、客户订单和商业化价值。欧洲生物塑料协会数据显示，2025年全球生物塑料平均产能利用率约72%。产能落地，不等于需求会同步增长。
这一轮调整并不意味着合成生物学的技术价值下降，而是产业评价标准正在变化：相比拥有多少管线、能生产多少种产品，市场越来越关心具体产品能否量产、成本是否具有竞争力、客户是否愿意购买。生物制造也由此从平台和技术能力的竞争，越来越走向产品与制造能力的竞争。
与此同时，政策支持持续加码。2024年我国《政府工作报告》提出积极打造生物制造等新增长引擎，2025年进一步提出培育生物制造等未来产业；“十五五”规划纲要又将生物制造纳入未来产业布局。政策支持也开始从研发延伸到关键装备、中试放大和产业应用。2025年，工业和信息化部推进高性能生物反应器攻关、中试能力平台培育，并发布人工智能在生物制造领域典型应用案例。一批生物制造中试平台和产业基地加快建设，长三角、珠三角和环渤海形成了各具特色的企业集群。
不同市场，不同节奏
材料、食品与农业、生物医药、能源等市场的价值密度、市场准入、客户验证周期和价格敏感度差异很大，因此生物制造并不存在统一的产业化节奏。从与石油化工直接竞争的材料与化学品，到刚需明确的食品与农业，再到率先实现商业化的生物医药和最考验成本的能源市场，技术路线相似，并不意味着商业化路径相同。
｜生物制造的关键环节与典型应用
材料与化学品：品类对品类的替代战
生物基材料与化学品是生物制造替代传统石油化工空间最广的赛道。一个品类能否真正跑出来，最终取决于生物法能否在成本、纯度或性能上形成相对于既有路线的明确优势。
长链二元酸是率先实现规模化替代的代表。凯赛生物通过生物法工艺不断改善产品质量与经济性，据公开资料，其长链二元酸全球市场份额已超过80%。这说明，生物法真正站稳脚跟，靠的不是“绿色”本身，而是在产品质量、成本或性能上形成可以被客户验证的优势。透明质酸同样是中国生物制造的优势品类，华熙生物已成为全球最大的透明质酸生产及销售企业。
相比之下，可降解塑料与新兴生物基单体仍处于产能扩张和市场开发阶段。PLA已经实现规模化生产，但企业仍在寻找附加值更高的应用。海正生材2025年累计生产纯聚乳酸5.49万吨，3D打印领域销量同比增长约88.6%；PHA仍在寻找更大规模的下游应用。FDCA也处于产业化早期，国内赛瑞克一期5000吨项目计划2027年年中投产，荷兰Avantium旗舰工厂则计划于2026年年底开始商业交付。对这些新材料而言，建成产能只是第一步，下游客户是否愿意改配方、改设备并承担导入成本，往往决定市场爬坡速度。
食品与农业：刚需市场里的不同路径
氨基酸、维生素、酶制剂等传统发酵产品拥有长期明确需求，竞争核心更多在规模、工艺和成本控制。梅花生物2025年实现营业收入242.09亿元、归母净利润32.81亿元，在赖氨酸、苏氨酸等领域处于行业头部。
在饲料工业端，我国蛋白饲料原料进口依存度较高，其中大豆对外依存度长期超过80%。依托发酵技术生产氨基酸、菌体蛋白，减少对豆粕、鱼粉等传统蛋白源的依赖，兼具产业经济价值与粮食安全意义。
与大宗发酵产品不同，功能活性分子单价更高、用量更小，除了制造能力，还要经历产品准入和客户验证。嘉必优的燕窝酸经过多年研发实现量产，2025年6月结束三年安全监测期并纳入《已使用化妆品原料目录》Ⅱ，产品进入自然堂、欧莱雅集团旗下羽西等品牌供应链。
替代蛋白与未来食品则处于更前沿的阶段。2026年6月，紧密镰刀菌蛋白获批成为新食品原料。这类产品从实验室走向市场，不仅要解决规模化生产的问题，还要跨越食品安全审批和消费者接受度等门槛。此外，在农业生产端，生物农药、生物肥料以及饲用替抗产品的发展，也在为传统发酵产业打开新的应用空间。
生物医药：率先兑现商业价值
1982年重组人胰岛素Humulin获得美国FDA批准，微生物发酵由此成为动物提取之外新的药物生产路径。发展至今，从传统抗生素到重组蛋白、抗体药物，发酵工程与动物细胞培养技术已经深度进入医药工业。
相较于生物基材料、能源等赛道，医药产品单位附加值更高，能够支撑复杂工艺研发投入；需求又往往由明确的临床价值驱动，因此成为酶催化、细胞工厂等技术较早实现商业化落地的领域。但更高的价值密度并不意味着制造端可以忽略成本和可靠性，尤其当生物路线要替代已经成熟的化学或天然提取路线时，经济性仍然是最终门槛。
在小分子药物领域，弈柯莱利用自主开发的氨基酸裂解酶，建立度鲁特韦关键手性中间体的生物合成路线；凯莱英在瑞美吉泮关键手性中间体合成中使用转氨酶催化路线，并实现8000升规模放大。针对复杂天然药物，中国科学院天津工业生物技术研究所建立了一系列“人工本草细胞”，其中“人参酵母”等产品系列已实现技术转让，2025年又构建出“复方丹参酵母1.0”。
但高附加值并不意味着可以忽略经济性。半合成青蒿素后来进入规模化生产，但植物来源青蒿素价格下降以及半合成路线自身成本较高等因素削弱了其经济竞争力。这说明，即使在医药领域，技术可行与经济可行仍是两道不同的门槛。
生物能源：政策驱动下的经济性考验
据国家能源局2026年发布的信息，截至2025年年底，我国生物燃料乙醇产能达到530万吨/年，生物天然气已建项目146个，产能约10亿立方米/年。
2025年，国投生物3万吨/年纤维素燃料乙醇项目进入国家能源局首批绿色液体燃料技术攻关和产业化试点，探索秸秆等非粮生物质路线。与玉米、木薯等成熟原料相比，纤维素乙醇的优势在于减少了对粮食原料的依赖，但对预处理、酶解和综合成本也提出了更高要求。
能源市场体量大且价格敏感度高，经济性是制约产业扩张的重要因素。2019年发布的《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》提出，到2025年生物天然气年产量超过100亿立方米；而截至2025年年底，全国已建项目产能约10亿立方米/年。两者口径不同，不能简单等同，但仍能看出产业规模与当初规划存在明显距离。政策可以推动项目启动、培育市场，却不能替代长期的成本竞争力，原料组织、运输半径和稳定消纳同样影响项目经济性。
产业化路径的关卡
生物制造已经展现出市场潜力，但行业整体仍处于产业化早期，在原料、装备、标准和人才等方面面临共性瓶颈。
首先是原料和成本。当前工业菌株普遍以葡萄糖为核心碳源，粮食来源工业糖供应稳定、工艺成熟，但碳源成本也是许多产品的重要成本变量。非粮替代路线虽然众多，却各有短板：废弃油脂收运和品控难度高；秸秆预处理与高效糖化仍有技术瓶颈；工业尾气、甲醇等碳一原料潜力显著，但往往需要重新开发菌株与配套工艺。
核心装备与工程化能力同样制约产业发展。高端生物反应器控制系统、在线传感器、膜材料、层析填料等设备和耗材，在部分环节仍存在较高的进口依赖。与此同时，国际企业围绕高端酶制剂的核心序列、生产工艺和应用配方形成较强的专利壁垒。2025年，工业和信息化部和中国科学院启动高性能生物反应器创新任务揭榜挂帅，任务覆盖反应器系统、关键部件与耗材、工业操作系统等方向，也说明关键装备仍是需要补强的环节。
标准体系则在逐步补齐。国家标准《生物基材料与制品生物基含量及溯源标识要求》已于2026年3月实施，国家产品碳足迹因子数据库也在建设。但不同细分行业的数据基础、国际认证和规则适配仍需完善。随着欧盟碳边境调节机制等规则进入实施阶段，碳足迹核算能力正在从“加分项”逐渐变成企业进入部分国际市场需要具备的基础能力。
人才供给同样是制约因素。产业尤其需要兼具菌株设计能力、大罐发酵工艺经验，同时理解下游客户需求与成本控制的复合型人才，这类能力很大程度上仍需要在工业生产中长期积累。高校生命科学与化工专业各有侧重，而真正的产业化问题往往横跨菌株筛选、设备选型、工艺优化、成本控制和客户维护多个环节，这也是经验丰富的工程化人才尤其稀缺的原因。
当然，这些约束并非静止不变。非粮原料、AI辅助设计、自动化实验和新型反应体系正在改善部分研发与生产环节，但能否最终转化为稳定的放大能力和更低的综合成本，仍需要工业实践验证。
结语：融合，而非替代
随着原料体系、研发工具与生产工艺的持续迭代，生物制造的应用边界还会继续拓展。但在未来相当长一段时间内，它仍难以全面替代传统化学化工，毕竟化学工业在反应体系、工程放大和成本控制上已经积累了上百年的经验。
未来更可能出现的，是发酵、酶催化、化学合成与材料加工深度融合的混合体系。生物制造并不需要在所有产品和环节取代既有路线；只要在具有明确成本、性能或资源优势的领域持续建立竞争力，就可能成为未来工业体系中越来越重要的一部分。
【注释】
酶：由生物产生的蛋白质（少数为RNA），属于生物催化剂，可在温和条件下高选择性地加速化学反应，反应后自身不被消耗。通过基因工程可以改变其活性、稳定性和底物选择性。
菌株：具有特定遗传特征的微生物群体。生物制造通常通过筛选或基因改造菌株，使其能够高效生产特定目标产物。
定向进化：在实验室中模拟自然进化，通过人为制造突变并反复筛选性能更优的蛋白质或酶，以提高催化效率、稳定性或底物适应性的技术。
代谢通路：细胞内由一系列酶催化反应组成的物质转化路径。通过增加、删除或调节其中的反应步骤，可以让更多原料流向目标产物。
代谢工程：通过调节细胞中的基因表达、酶活性和代谢通路，提高目标产物产量、得率或生产速率的工程方法。
细胞工厂：经过工程化改造、能够利用糖等原料生产特定化学品、药物、材料或食品成分的细胞系统，是合成生物学进入工业制造的核心载体。
PHA：聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalk-anoates），由微生物在胞内合成的一类生物基可降解高分子材料，目前生产成本较高，仍在拓展规模化应用场景。
PLA：聚乳酸（Polylactic Acid），通常以生物质来源的糖为原料，经发酵获得乳酸后再聚合形成的生物基材料，可用于包装、纤维、3D打印等领域。
FDCA：2,5-呋喃二甲酸（2,5-Furandicarboxylic Acid），新兴生物基平台化合物，可用于合成PEF等聚酯材料，被视为部分替代石油基芳香单体的潜在路线，目前仍处于产业化早期。