工業(yè)生物技術的現狀、發(fā)展趨勢和規(guī)劃

付衛(wèi)平

(中國生物技術發(fā)展中心，北京 100081)

工業(yè)生物技術是社會經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高技術，對于應對能源短缺、環(huán)境惡化、食品安全等一系列嚴峻挑戰(zhàn)以及建設綠色、低碳與可持續(xù)的產業(yè)經濟體系具有重大戰(zhàn)略意義?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中，工業(yè)生物技術是未來著力發(fā)展的戰(zhàn)略高技術［1］。2010年10月，中華人民共和國國務院頒布了《國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》，將生物產業(yè)列為七大戰(zhàn)略新興產業(yè)之一［2］。2011年11月，科技部印發(fā)《“十二五”現代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃》［3］，指出現代生物制造已經成為全球性的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，是世界各經濟強國的戰(zhàn)略重點，大力發(fā)展工業(yè)生物技術呈現出前所未有的緊迫性和必要性。

1 工業(yè)生物技術的現狀和發(fā)展趨勢

1.1 工業(yè)生物技術已經成為世界各國的強國策略和競爭的戰(zhàn)略重點

隨著全球性新生物經濟時代的到來，工業(yè)生物技術成為世界各國的強國策略和戰(zhàn)略重點。歐、美、日等發(fā)達國家已先后制定出今后幾十年內用生物過程取代傳統(tǒng)化學過程的戰(zhàn)略計劃及目標，加速發(fā)展清潔、高效和低碳的工業(yè)生物制造技術，促進形成與環(huán)境協(xié)調的戰(zhàn)略產業(yè)體系。美國明確將“生物制造技術”視為戰(zhàn)略技術領域，并列為2020年制造技術挑戰(zhàn)的11個主要方向之一，預期到2030年以生物制造替代25%有機化學品和20%石油燃料［4］;美國政府的一份《21世紀發(fā)展規(guī)劃》提出:到2020年通過生物技術將化學工業(yè)的原料、水資源及能量的消耗降低30%，污染物排放和污染擴散減少30%，這將對化學工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)及農業(yè)等產業(yè)帶來極其深遠的影響［5］。歐洲制定了“工業(yè)生物技術2025遠景規(guī)劃”，期望于2025年取得向基于生物技術型社會轉變的實質性進展，大幅度降低對化石資源的依賴，顯著提高歐洲工業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力與全球競爭能力［6］。日本政府實施的“基于利用生物機能的循環(huán)產業(yè)體系的創(chuàng)造”計劃與“陽光計劃”中提出了“生物產業(yè)立國”的口號，重點提出采用生物制造實現與環(huán)境協(xié)調的產業(yè)體系［7］。

1.2 工業(yè)生物技術體系逐漸形成，推動著生物產業(yè)發(fā)展與工業(yè)技術體系的變革

隨著基因組學、系統(tǒng)生物學、合成生物學等前沿技術的飛速發(fā)展，工業(yè)微生物分子育種、工業(yè)酶分子改造等新技術不斷促進核心“生物工具”的進步，工業(yè)生物技術體系逐漸形成。工業(yè)生物技術對工業(yè)基礎原材料的化石原料路線替代、傳統(tǒng)工業(yè)的工藝路線替代以及生物產業(yè)升級顯示了巨大的推動作用，生物制革、生物紡織、生物造紙、生物印染、生物采礦、生物采油等已經成為節(jié)能、減排、降耗的新工業(yè)模式。一系列新的產品和技術形成了一個龐大的現代工業(yè)生物技術產業(yè)王國，工業(yè)生物技術產業(yè)已經成為“綠色經濟”、“可持續(xù)發(fā)展經濟”的代名詞和主要增長極，正在成為未來世界經濟發(fā)展的又一戰(zhàn)略驅動力量。經濟合作與發(fā)展組織(OECD)《面向2030生物經濟施政綱領戰(zhàn)略報告》預計:到2030年，大約有35%的化學品和其他工業(yè)產品將來自生物制造，生物經濟亦將初步形成［8］。ExxonMobil、DuPont、BASF、DSM、Lonza、Degussa、Roche等眾多全球大型傳統(tǒng)化工或制藥行業(yè)的跨國公司都投入大量資金用于工業(yè)生物技術的研發(fā)，甚至IBM、Microsoft等IT巨頭也紛紛涉足工業(yè)生物技術研發(fā)領域，全球生物基商業(yè)活動趨勢顯示一個大規(guī)模的生物制造產業(yè)即將到來。

1.3 學科交叉滲透日益顯著，工業(yè)生物技術已經成為引領生物技術發(fā)展的第三次浪潮

隨著各種生物全基因組序列的測定以及重組DNA、組學技術、系統(tǒng)生物學等生物技術的飛速發(fā)展，細菌基因組工程、系統(tǒng)代謝工程、合成生物學技術、元基因組學技術、最小基因組細胞工廠、虛擬細胞及人工生命組裝技術等重大科技前沿技術為重大工業(yè)產品的生物制造展現了無限的潛能。生物技術與信息技術、納米技術、材料科學等學科的交叉滲透為工業(yè)生物技術發(fā)展開辟了新途徑，多學科交叉滲透與集成創(chuàng)新已成為工業(yè)生物技術發(fā)展的新方向。生物技術的進步和解決資源、能源、人口、環(huán)境等社會問題的迫切需求成為工業(yè)生物技術崛起的兩大推動力。目前，工業(yè)生物技術正在向化工、能源、環(huán)保、制藥、外科整形、清潔劑、紡織品等新的產業(yè)進軍。美國生物技術產業(yè)組織認為:工業(yè)生物技術，即在傳統(tǒng)加工或合成過程中使用酶、蛋白質或全細胞系統(tǒng)，是生物革命的“第三波”。近來人們也普遍認為，工業(yè)生物技術緊隨醫(yī)藥生物技術和農業(yè)生物技術之后，已在世界掀起生物技術發(fā)展的第三次浪潮。

1.4 工業(yè)生物技術是推動我國經濟結構調整、轉變經濟發(fā)展方式的內在需求

近年來，我國GDP每年以10%左右的速度增長，對化石能源與石油化工原料的需求與依賴程度日益增大。2010年，我國原油進口量達2.54億t，對外依存度達到56.5%［9］，依賴于石油煉制的大宗化工原料和能源的短缺與高價已經成為我國工業(yè)經濟發(fā)展的制約性因素。尋求傳統(tǒng)石油化工原料和能源外的新來源，減少對石油資源的依賴已經成為我國經濟發(fā)展的迫切需求。同時，我國工業(yè)的能耗、物耗與環(huán)境污染物排放水平居高不下，嚴重制約著我國工業(yè)經濟的可持續(xù)發(fā)展。2009年我國GDP約為4.9萬億美元，排名世界第三，約占世界的6%［10］;但能耗達到22.75億 t標準油，排名世界第二［11］;2009年，我國CO2排放量位居世界第一，達18.6億t碳(折合CO269億t)，幾乎占了全球化石燃料排放量的1/4［12］。因此，大力發(fā)展工業(yè)生物技術，以微生物細胞工廠構建石油化工產品的合成通道，以生物可再生資源替代化石資源的工業(yè)原料路線，加大綠色、低碳、可再生的生物能源與生物基化工比例，有助于重組我國石油化工原料結構，降低石油資源依賴并減少CO2排放，實現低碳經濟與工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同時利用工業(yè)廢棄物、城市和農村生活垃圾等可實現廢物資源化、生態(tài)環(huán)境友好協(xié)調發(fā)展，對解決“三農”問題、改善民生有著重要的推動作用。

1.5 工業(yè)生物技術是提高我國生物產業(yè)效率、增強國際核心競爭力的迫切需要

目前我國主要傳統(tǒng)生物技術產品的年產值高達6 600億元，在國民經濟中占有很大的比例，但存在著高生產成本、高環(huán)境污染和高資源消耗等缺陷。我國具有國際上工業(yè)發(fā)酵領域中的所有主要產業(yè)，就其規(guī)模而言，某些產業(yè)在世界上的地位舉足輕重，并在大宗發(fā)酵產品、生物基材料、生物基化學品、酶制劑、精細化學品等領域掌握一批關鍵技術，但整體上與世界先進水平相比仍有較大差距。微生物工程菌與新型酶制劑的開發(fā)、產業(yè)化和工業(yè)規(guī)模應用明顯落后于國外，特別是分子生物學、系統(tǒng)生物學、合成生物學技術在工業(yè)生物體改造與應用方面明顯滯后;在化學品制造領域，基本停留在利用傳統(tǒng)發(fā)酵技術生產簡單代謝物的低端技術水平上;在精細化學品、重要醫(yī)藥中間體、手性藥物等未來工業(yè)生物技術高端產品研發(fā)上落后于發(fā)達國家10年以上，導致我國企業(yè)利潤率低于國外企業(yè)的25%～50%，迫切需要以微生物基因組與系統(tǒng)生物學、合成生物學為基礎的新型工業(yè)生物技術提高生物產業(yè)技術水平，提高生物產業(yè)效率，跨越國外知識產權技術保護壁壘，增強國際核心競爭力。

2 工業(yè)生物技術領域國家科技計劃規(guī)劃

2.1 解決現代生物制造的重大科學問題

面對我國經濟社會發(fā)展方式轉變和新一輪科技革命帶來的挑戰(zhàn)，加強工業(yè)生物技術的前瞻性基礎研究以及解決生物制造的重大科學問題對引領未來高新技術發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。工業(yè)生物技術領域應重點發(fā)展生物催化與生物轉化、人工生物體與細胞工廠創(chuàng)建、生物過程工程化等重大基礎科學項目。

在生物催化與生物轉化領域開展工業(yè)酶蛋白與生物催化劑的結構與功能研究，解決生物催化、生物質原料轉化、生物分子機器等重要科學問題，為建立高效生物催化技術平臺奠定科學基礎，提高我國基礎化學品、手性化學品與特殊化學品等有機化學品生物合成的核心競爭力與發(fā)展的可持續(xù)性。在人工生物體與細胞工廠創(chuàng)建領域開展微生物系統(tǒng)生物學與物質代謝的分子基礎研究，探索人工生命的構建原理，解決合成生命、人工生物器件、細胞工廠、人工生物葉片等方面的重大科學問題，為解決我國能源、化工、醫(yī)藥和環(huán)境等重大需求問題提供原始創(chuàng)新方案。在生物過程工程化領域研究復雜生物過程的原理與規(guī)律，解決生物過程及其工程化的科學問題，以突破生物工藝過程、食品加工過程、多物種生態(tài)工藝過程、污染物生物降解過程等方面的重大科學問題，為建立工業(yè)生物過程模式奠定科學基礎。“十二五”以來科技部啟動了工業(yè)生物技術領域的重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)，包括木質纖維素資源高效生物降解轉化中的關鍵科學問題研究、微能源規(guī)?；苽涞目茖W基礎、生物制造手性化學品的科學基礎、微生物藥物創(chuàng)新與優(yōu)產的人工合成體系、新功能人造生物器件的構建與集成、用合成生物學方法構建生物基材料的合成新途徑等。

2.2 突破一批核心關鍵技術

圍繞生物能源、生物基化學品、生物材料、生物醫(yī)藥、生物工藝等生物技術產業(yè)發(fā)展的需要，我國將重點支持一批符合經濟建設和社會發(fā)展總體目標、位居國際工業(yè)生物技術發(fā)展前沿、能夠形成我國工業(yè)生物技術領域新技術、新方法及理論體系的前瞻性研究。重點突破關鍵性、共同性、戰(zhàn)略性核心高技術的研發(fā)，提高生物制造科技的核心技術水平，搶占國際生物制造研究開發(fā)的制高點。重點開展工業(yè)合成生物學、微生物基因組育種、工業(yè)酶分子改造、工業(yè)蛋白質表達、工業(yè)微生物高通量篩選、生物煉制與生物質轉化、工業(yè)生物催化、工業(yè)生物加工、生物過程工程及裝備等一批工業(yè)生物技術領域的核心關鍵技術研發(fā)。

“生物過程關鍵技術及裝備開發(fā)”作為“十二五”期間863計劃主題項目已經正式啟動，項目下設5個課題。該項目針對我國生物制造過程中存在的資源綜合利用率低、能耗高、環(huán)境污染嚴重、產品質量差、工業(yè)放大周期長等問題，開展生物過程關鍵共性技術與裝備研究，以實現生物過程裝備的巨型化、多樣化、高效化、自動化、連續(xù)化、綠色化，整體提升我國大規(guī)模制造生物產品的技術和裝備水平。

2.3 研究開發(fā)一批重大產品和技術系統(tǒng)

圍繞戰(zhàn)略性新興產業(yè)的培育與《“十二五”現代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃》目標的實現，“十二五”期間國家將部署一批科技計劃項目，加強生物制造關鍵技術的集成示范，研究開發(fā)一批重大生物制造產品和技術系統(tǒng)，實現產業(yè)化，為我國轉變經濟增長方式作出重要貢獻。優(yōu)先突破的重大產品和技術系統(tǒng)有:重大化工產品的生物制造、大宗生物基產品的衍生轉化、木質纖維素生物糖化、非糧生物能源產品、生物油脂產品、營養(yǎng)化學品的生物合成、糖生物工程關鍵技術與重大產品、固體發(fā)酵工藝系統(tǒng)優(yōu)化、工業(yè)生物廢棄物綜合利用、生物質熱轉化與氣化技術等。

“重大化工產品的先進生物制造”已列為“十二五”生物和醫(yī)藥技術領域首批啟動的“863”計劃重大項目，為了推進以企業(yè)為主導的科技創(chuàng)新模式，促進科技成果轉化，下設11個課題均以企業(yè)為承擔單位［13］。重點研究生物基平臺化合物、手性化工中間體、生物基材料等重大化工產品的先進生物制造技術，突破化工產品生物合成途徑構建與優(yōu)化、原料利用與生物煉制、工業(yè)生物催化轉化、聚合物的全生物或生物 化學組合合成等關鍵技術;形成有機酸、化工醇、生物基材料等生物基產品合成生化平臺技術體系，實現傳統(tǒng)石油化工產品石油基原料與加工路線的轉移;形成手性醇、手性酸、甾體等高附加值手性中間體生產的創(chuàng)新型生化技術路線，大幅提升我國生物制造領域科技創(chuàng)新能力與產業(yè)技術水平。糖工程關鍵技術與重大產品開發(fā)、工業(yè)生物廢棄物綜合利用關鍵技術、固體發(fā)酵工藝系統(tǒng)優(yōu)化等3個項目已經作為“十二五”期間863計劃的主題項目正式啟動?！疤枪こ剃P鍵技術與重大產品開發(fā)”項目下設5個課題，該項目將圍繞糖鏈轉化、單糖轉化、糖醇合成、糖鏈修飾及天然多糖的制備純化、糖功能科學評價等糖工程關鍵技術開展研究，研制功能性寡糖、多糖、稀少糖、糖醇、糖衍生物等糖工程產品，帶動我國糖工程產業(yè)發(fā)展?！肮I(yè)生物廢棄物綜合利用關鍵技術”項目下設5個課題，該項目針對白酒糟、啤酒糟、醬渣、醋糟、果酒渣等大宗發(fā)酵糟渣、含糖高的有機廢水以及組分復雜的工業(yè)廢物混合物，分別研發(fā)高值轉化技術，形成關鍵技術中試和成套技術或關鍵單元技術的示范，為解決我國工業(yè)發(fā)酵等行業(yè)原料消耗大、效益低、污染重等問題提供技術支撐?！肮腆w發(fā)酵工藝系統(tǒng)優(yōu)化”項目下設3個課題，該項目重點開展固體發(fā)酵食品產業(yè)中的原料高效處理、釀造微生物功能優(yōu)化、風味調控以及清潔生產等技術，形成綠色、高效、可循環(huán)的固體發(fā)酵新工藝，建立相關產品的生產線，降低能源資源消耗與環(huán)境污染，提高產品品質。

3 工業(yè)生物技術科技計劃的實施原則和保障措施

3.1 科技計劃的實施原則

國家科技計劃項目的組織實施將按照“國家主導、資源共享，深入挖掘、高效利用，自主創(chuàng)新、技術集成，重點開發(fā)、培育產業(yè)”的指導思想，緊密圍繞我國能源、資源、環(huán)境和農村發(fā)展等的戰(zhàn)略需求，努力提高技術與產品研發(fā)的起點，搶占生物制造發(fā)展的戰(zhàn)略高地。實行分類管理，努力實現前沿技術創(chuàng)新，重點突破關鍵與共性技術，加強技術突破與產業(yè)發(fā)展之間的有機銜接，打造具有知識產權的核心產業(yè)技術體系。注重發(fā)揮高校和科研院所在創(chuàng)新中的引領作用，推進企業(yè)在技術創(chuàng)新中的主體地位，注重產學研的有機結合，強化課題研究與示范建設有機結合，加強產業(yè)化推進?！笆濉逼陂g國家科技計劃的組織與實施還將加強政府推動與市場主導之間的系統(tǒng)聯(lián)動，形成政府引導、市場為主、企業(yè)主體、社會參與的工業(yè)生物技術產業(yè)發(fā)展模式。

3.2 科技計劃的保障措施

“十二五”期間國家科技計劃的保障措施將得到進一步加強，為工業(yè)生物技術產業(yè)的快速、健康發(fā)展奠定堅實基礎。主要的保障措施有強化和完善國家工業(yè)生物技術和生物產業(yè)發(fā)展協(xié)調機制，建立工業(yè)生物技術及生物產業(yè)部際協(xié)調機制，加大財政投入和建立多渠道投入機制，大力促進工業(yè)生物技術企業(yè)創(chuàng)新能力建設，促進知識產權的創(chuàng)造、管理、實施和保護，實施促進自主創(chuàng)新的政府采購，加強高素質工業(yè)生物技術及產業(yè)人才隊伍建設，加強國際合作和充分利用國外優(yōu)勢資源。

4 結語及展望

工業(yè)生物技術在支撐新世紀社會進步與經濟發(fā)展的技術體系中的地位已經被提到空前的戰(zhàn)略高度，相關產業(yè)加速發(fā)展，已成為世界綠色經濟的重要增長極。發(fā)展低碳經濟、促進能源與化工原材料替代、工業(yè)節(jié)能減排、保障經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展迫切需要大力發(fā)展工業(yè)生物技術，國家已經部署了一系列相關科技計劃，并強化了保障措施。黨的十八大進一步確立了科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略地位，重申到2020年進入創(chuàng)新型國家行列，進一步確立了科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略目標，并作出了實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的重大部署，進一步確立了科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略導向。工業(yè)生物技術作為先導性戰(zhàn)略高技術，爭當實施創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略的突破口，預期經過“十二五”期間的科技攻關，產業(yè)技術水平將進入世界先進行列，為我國加快工業(yè)經濟增長方式的轉變和實現科技創(chuàng)新戰(zhàn)略目標作出重大貢獻。

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［2］ 中華人民共和國國務院.國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定［EB/OL］.［2012-11-20］.http:∥www.gov.cn/zwgk/2010 －10/18/content_1724848.htm

［3］ 中華人民共和國科學技術部.科技部“十二五”現代生物制造科技發(fā)展專項規(guī)劃發(fā)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

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