我國微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

畢心宇 ，呂雪芹 ，劉龍 ，陳堅

（1.江南大學未來食品科學中心，江蘇無錫 214122；2.江南大學糖化學與生物技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122）

一、前言

微生物制造產(chǎn)業(yè)是以微生物為核心，細胞為基礎(chǔ)，利用基礎(chǔ)科學方法，致力于把理論研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為人民生產(chǎn)生活中的實際產(chǎn)品、生產(chǎn)過程和系統(tǒng)服務等的全面產(chǎn)業(yè)，將為化工、材料、食品等多種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造新的生產(chǎn)模式和經(jīng)濟形態(tài)。三百多年來，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和定名的微生物超過10萬多種，1973 年，科學家利用基因技術(shù)開啟了微生物制造的大門，研究發(fā)現(xiàn)了多種模式的微生物并將其應用于科學研究與工業(yè)生產(chǎn)[1]。

微生物制造是在發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合基因工程、細胞工程和酶工程以及其他技術(shù)成果而形成的。微生物制造的科學技術(shù)分別經(jīng)歷了代謝工程和反向代謝工程的早期發(fā)展、高通量組學、基因組水平代謝網(wǎng)絡模型及細胞性能改造的后基因組時代以及系統(tǒng)代謝工程及合成生物學推動的最新進展三個階段。隨著科學技術(shù)的進步，合成生物學和生物反應器成為微生物制造中的兩大重要支柱[2]。由于微生物制造產(chǎn)業(yè)有著環(huán)境友好、資源再生、產(chǎn)能穩(wěn)健等優(yōu)勢，已成為可持續(xù)發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)，在世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略計劃中占有舉足輕重的地位。

隨著社會的迅猛發(fā)展和科學技術(shù)的飛速進步，微生物制造產(chǎn)業(yè)已涵蓋醫(yī)藥制造，食品加工、農(nóng)業(yè)提產(chǎn)、化工生產(chǎn)、污水處理、創(chuàng)新能源等各個領(lǐng)域。微生物制造產(chǎn)業(yè)具有廣泛的環(huán)境適應性，多樣的生產(chǎn)制造策略以及巨大的經(jīng)濟發(fā)展前景，為社會發(fā)展提供了一種可持續(xù)的良好模式。本文對微生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程、各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢、我國微生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)進行全面剖析，以期為我國微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

二、微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢

（一）全球微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）提出：微生物制造是最具競爭力的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一，預期到2030年，世界上35%的化工產(chǎn)品將被微生物制造產(chǎn)品所取代，微生物制造產(chǎn)業(yè)將逐步形成可再生資源持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟形態(tài)。到2020年，已經(jīng)有134 個現(xiàn)代微生物制造的工業(yè)化案例，其主要發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)值約為140多億美元，年增長率約為4.7%。OECD預測，微生物制造產(chǎn)業(yè)占整個生物經(jīng)濟中的比重將達40%左右，遠超生物農(nóng)業(yè)（36%）和生物醫(yī)藥（25%）[3]。

2020年，美國提出利用微生物制造技術(shù)降低化工產(chǎn)業(yè)30%的能源消耗和污染排放，到2030年替代25%的有機化學品和20%的石油燃料的宏遠目標，建立生物工業(yè)制造和設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)（Bio-MADE），推動美國生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。歐盟在2019年制定的《面向生物經(jīng)濟的歐洲化學工業(yè)路線圖》中指出，生物制品到2030年的年利用量將達到1.2×109~1.5×109t，實現(xiàn)大規(guī)模微生物制造的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)型。美國、歐盟、日本、俄羅斯等國家和地區(qū)高度重視工業(yè)微生物技術(shù)的發(fā)展與應用，將其納入國家生物經(jīng)濟專屬戰(zhàn)略或生物經(jīng)濟相關(guān)戰(zhàn)略計劃，并加大其科研投入比重，快速推進產(chǎn)業(yè)化進程。

（二）國內(nèi)微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國高度重視微生物制造產(chǎn)業(yè)的研發(fā)能力，已聯(lián)合高等院校及科研院所建立了多個國家重點實驗室、國家級工程研究中心、行業(yè)專項技術(shù)研究中心等?！笆濉逼陂g，科技部大力推動生物制造科技發(fā)展，在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃和科技支撐計劃等國家重大研發(fā)項目中多次指出生物科技發(fā)展的戰(zhàn)略需求，大力推動我國微生物制造科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。

我國微生物制造產(chǎn)業(yè)正在向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品產(chǎn)量于2018年達到約2.9×108t，總產(chǎn)值2472 億元，新型產(chǎn)品持續(xù)增多。在2006—2017年，全球工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域申請專利515 677件，中國專利120 586件，占總數(shù)的23.4%，全球排名第一 [5]。中國微生物制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了淀粉、纖維素、木質(zhì)素油脂、蛋白質(zhì)等系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈，并且在檸檬酸、谷氨酸、維生素B2、淀粉酶等領(lǐng)域產(chǎn)量排名世界第一（見圖1）。以檸檬酸為例，在1992—2020年，我國研發(fā)團隊開發(fā)新菌種、新工藝、復合酶技術(shù)使產(chǎn)量達到191 g/L，遠超發(fā)達國家，其年產(chǎn)量達到1.4×106t以上；2004—2020年，維生素C生產(chǎn)水平顯著提高，年產(chǎn)量達到2.13×105t，達到世界一流水平。近20年，中國微生物制造產(chǎn)業(yè)在檸檬酸、維生素C等生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑、伴跑向領(lǐng)跑邁進（見圖2）。

圖1 微生物制造產(chǎn)業(yè)鏈概況

圖2 中國檸檬酸、維生素C產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然我國抗生素、維生素、氨基酸、益生菌的產(chǎn)業(yè)規(guī)模都超過500億元，但核心菌種自主率不足20%，其中氨基酸的菌種自主率不足5%。同時，一些先進儀器和核心技術(shù)完全依賴進口，造成巨額資金外流、形成海外產(chǎn)業(yè)壟斷。另一方面，在國家政策的大力支持下，我國微生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度迅猛，已經(jīng)在很多領(lǐng)域趕超發(fā)達國家。同時，我國微生物制造在廢水、廢氣處理，材料能源開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)展空間巨大，這些都促使我國有機遇搶占該領(lǐng)域的未來核心技術(shù)，增加國際市場的行業(yè)競爭力。

（三）微生物制造產(chǎn)業(yè)的市場發(fā)展態(tài)勢

在酶制劑、生物醫(yī)藥等現(xiàn)代發(fā)酵行業(yè)中，美國、歐盟等國家和地區(qū)處于技術(shù)壟斷地位。其利用基因編輯、數(shù)字模型等尖端技術(shù)推動微生物制造的研發(fā)應用，如美國杜邦公司（DuPont）開發(fā)高產(chǎn)率1,3-丙二醇的全新生物制造技術(shù)等[6]。同時，在微生物發(fā)酵生產(chǎn)商業(yè)化，開發(fā)可降解新產(chǎn)品，建立全球生物數(shù)據(jù)平臺等領(lǐng)域，發(fā)達國家均有重大突破。此外，發(fā)達國家還致力于微生物制造產(chǎn)業(yè)相關(guān)儀器設(shè)備、裝備系統(tǒng)的研發(fā)，如美國Opentrons公司開發(fā)移液機器人和Synlogic公司研制細胞編程平臺等，實現(xiàn)實驗室自動化研發(fā)和微生物制造產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)。

日本、中國、韓國等在傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的微生物應用具有悠久的歷史背景和深厚的研究基礎(chǔ)，在氨基酸、酵母等大宗發(fā)酵行業(yè)中占據(jù)了較多的市場份額。近年來，我國國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）每年以10%左右的速度增長，我國微生物制造業(yè)已經(jīng)開始從工業(yè)化邁向產(chǎn)業(yè)化，覆蓋領(lǐng)域和生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，微生物制造產(chǎn)業(yè)逐步成為國民經(jīng)濟的新增長點。2010年，我國出口的商品中，抗生素、維生素、氨基酸類、有機酸類原料藥是出口的主體，生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)居全球第一[6]。利用微生物法制造乙二醇、丁醇、乙烯等產(chǎn)品已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，同時，生物塑料、生化纖維等新材料的生產(chǎn)已形成工業(yè)規(guī)模[7]。

（四）微生物制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，微生物制造技術(shù)在世界范圍仍處于初步發(fā)展階段，“十三五”期間，國家倡導節(jié)能減排、綠色生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，大力發(fā)展微生物制造產(chǎn)業(yè)，促進我國從微生物制造大國向微生物技術(shù)強國轉(zhuǎn)變。

基因組改組技術(shù)、系統(tǒng)代謝工程技術(shù)、細胞全局擾動技術(shù)等微生物基因組育種技術(shù)已在氨基酸等生物合成方面取得了顯著的效益[8]。微生物制造技術(shù)的進步，加速了基于數(shù)據(jù)分析與基因編輯的微生物合成新途徑、構(gòu)建新菌種、設(shè)計復合酶的功能化和智能化研究，大大提高了生物性能與物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，加快我國微生物制造產(chǎn)業(yè)進程，促進我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

近年來，微生物制造產(chǎn)業(yè)應用云計算、物聯(lián)網(wǎng)和機器人等技術(shù)，開發(fā)了由光學傳感器、數(shù)據(jù)分析軟件等組成的微型生物反應器，實現(xiàn)了多數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，高通量篩選，單位能耗低，實驗周期短的生產(chǎn)目標。在未來，微生物制造產(chǎn)業(yè)可利用大數(shù)據(jù)，人工智能等技術(shù)形成的信息物理系統(tǒng)（CPS）打造具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應功能的智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)標準化、精細化、智能化生產(chǎn)。

三、我國微生物制造的細分產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

（一）發(fā)酵食品領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

我國發(fā)酵大宗產(chǎn)業(yè)主要包括氨基酸、有機酸、酵母、淀粉糖、多元醇、功能發(fā)酵制品等?！笆濉币詠恚饾u形成味精、賴氨酸、檸檬酸、結(jié)晶葡萄糖等大宗產(chǎn)品為主體、小品種氨基酸、功能糖醇、低聚糖、微生物多糖等高附加值產(chǎn)品為補充的多產(chǎn)品協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。其中發(fā)酵大宗產(chǎn)品味精、賴氨酸、檸檬酸等產(chǎn)品的產(chǎn)量和貿(mào)易量位居世界前列。發(fā)酵產(chǎn)業(yè)主產(chǎn)品的產(chǎn)量由2010年的1.84×107t增長為2019年的3×107t，年平均增長率為7.8%。同時產(chǎn)值也由1990億元增長為3290億元，年平均增長率達到了9.3%。生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)主要產(chǎn)品出口總量與出口額逐年穩(wěn)步增長，其中檸檬酸、味精、淀粉糖等產(chǎn)品始終是生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的主要出口產(chǎn)品 [9]。

我國微生物制造產(chǎn)業(yè)已結(jié)合代謝工程、多組學分析、代謝網(wǎng)絡模型計算、調(diào)控基因回路設(shè)計與基因元件設(shè)計等多種合成生物學技術(shù)，廣泛應用于有機酸、氨基酸、抗生素等產(chǎn)品的生產(chǎn)（見表1）。如通過改造代謝途徑將葡萄糖直接轉(zhuǎn)化為蘋果酸，使其產(chǎn)量提高至180 g/L以上；通過設(shè)計精氨酸合成通路，減少溢流途徑等操作合成新菌種，使L-精氨酸產(chǎn)量達到92.5 g/L；通過模型設(shè)計、過表達關(guān)鍵基因等技術(shù)，有效提高了紅霉素、阿霉素、泰樂菌素等的生產(chǎn)水平[6]。

表1 我國有機酸發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展近況

目前，白酒行業(yè)與乳品等其他食品行業(yè)發(fā)展速度相當，已顯示出良好的發(fā)展態(tài)勢，整個白酒行業(yè)的銷售額由2012年的4500億元到2020年的5836.39億元，累計增長4.61%；到2020年，利潤總額達到1585.41億元，累計增長13.35% [10]。醬油、食醋、醬菜等行業(yè)也利用微生物組學解析、釀造工藝優(yōu)化、功能成分分析等技術(shù)從傳統(tǒng)的天然發(fā)酵升級為精準調(diào)控的工業(yè)化數(shù)控發(fā)酵，從過去的手工作坊發(fā)展到中小型企業(yè)以及少數(shù)龍頭企業(yè)（見圖 3）。總體來說，“十三五”以來，通過利用先進的微生物合成技術(shù)及先進的生產(chǎn)設(shè)備，我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)產(chǎn)量與規(guī)模得到了大幅提升，并保持穩(wěn)定發(fā)展的態(tài)勢。

圖3 中國發(fā)酵食品領(lǐng)域的綠色工廠占比

（二）生物肥料領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

從2015年開始，國務院發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長行動方案》等政策控制化肥用量，致力于解決化肥水土污染和產(chǎn)能過剩的問題，推進微生物肥料的發(fā)展。目前，我國2×108畝（1畝≈ 666.67 m2）微生物肥料飼料生產(chǎn)基地主要生產(chǎn)有生物肥料、生物有機肥和微生物菌劑。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部登記的微生物肥料產(chǎn)品有根瘤菌劑、固氮菌劑、溶磷菌劑等9個菌劑類品種。從傳統(tǒng)的菌種篩選到菌種改造設(shè)計、多高效復合菌系制造、肥料菌株功能挖掘等技術(shù)的應用，微生物制造實現(xiàn)了肥料菌株研發(fā)的多樣性、調(diào)控性和精確性，如今有固氮綠藻肥料、5406抗生素肥料、泡囊叢枝（VA）菌根以及作為拌種劑的聯(lián)合固氮菌等多種產(chǎn)品[11]。2020年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部微生物肥料和食用菌菌種質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心顯示，微生物菌劑產(chǎn)品數(shù)量為3315個，占比45.75%；生物有機肥產(chǎn)品數(shù)量為2205個，占比30.43%；復合微生物肥料產(chǎn)品數(shù)量為1399個，占比19.31%。我國有兩千多家微生物肥料制造企業(yè)、產(chǎn)能達到3×107t，產(chǎn)值400億，已形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2017年后，新型企業(yè)明顯增多，發(fā)展勢頭迅猛，截至2020年年底，共登記產(chǎn)品7604個，登記前4位的是微生物菌劑、生物有機肥、復合微生物肥料、有機肥料腐熟劑[12]。

2020年12月，微生物肥料技術(shù)研究推廣中心召開了“第四屆中國微生物肥料技術(shù)研究與行業(yè)發(fā)展大會”，科學技術(shù)部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部與國內(nèi)生物公司展開研討交流，以微生物科技，創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化為方向，積極推進我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)長遠發(fā)展。未來我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要目標以需求為導向，搭建“產(chǎn)學研”融合的科技創(chuàng)新平臺，選育新菌種、研發(fā)新產(chǎn)品、拓展新功能，實現(xiàn)微生物肥料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)創(chuàng)新的長遠發(fā)展。

（三）酶制劑領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

酶制劑是指從生物中提取的具有酶特性的一類物質(zhì)，可在生產(chǎn)中代替需要高溫強酸等特殊條件的化學反應，有著簡化工藝、降低成本、提高產(chǎn)量、節(jié)約能源、減少污染等不可忽視的優(yōu)勢。目前，酶制劑已應用于食品加工、醫(yī)藥領(lǐng)域、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)以及化工等行業(yè)。據(jù)中金企信（北京）國際信息咨詢有限公司公布的《2020—2026年中國酶制劑市場競爭策略及投資可行性研究報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2016年，酶制劑年產(chǎn)量已達1.2×106t，年增長率保持在10%左右。酶制劑至今已有3000多個品種，然而只有60多種酶制劑實現(xiàn)了大規(guī)模工業(yè)化的生產(chǎn)，酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間巨大，前景廣闊。

2005年，酶制劑產(chǎn)品的年產(chǎn)量只有4.8×105t（標），到2010年已增長到7.75×105t，達到10.1%的復合增長率[13]。雖然中國企業(yè)在飼用酶制劑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破，占全球飼用酶制劑市場的14%，但在整個生物經(jīng)濟領(lǐng)域核心的工業(yè)酶制劑，還落后于國際領(lǐng)先企業(yè)。隨著基因工程、蛋白質(zhì)工程等學科領(lǐng)域的知識積累，以及高通量測序技術(shù)、基因編輯等技術(shù)的突破，工業(yè)酶制劑的微生物制造也迎來了新的發(fā)展機遇，微生物酶的發(fā)掘、微生物細胞工廠的改造、專性酶的從頭合成等都將為生物醫(yī)藥、環(huán)境能源、生物材料等產(chǎn)業(yè)提供新的解決方案，從而推動新一輪技術(shù)革命浪潮。因此，在新的技術(shù)革命浪潮中把握機遇，快速掌握核心科技，提升行業(yè)技術(shù)水平，提高國際競爭力是我國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點。

（四）生物基化學品領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

生物基產(chǎn)品主要指利用秸稈等木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物為原料生產(chǎn)環(huán)境友好的化工產(chǎn)品和綠色能源，其中生物基化學品是當今全球的熱點之一，可以有效解決傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)能源消耗大，污染環(huán)境的弊端。全球有超過4萬億美元的產(chǎn)品通過化工方法生產(chǎn)，據(jù)OECD預計，在未來10年里，至少有20%的石油化工產(chǎn)品（約8000億美元）可被生物基化學品替代。在歐盟提出的到2030年生物基經(jīng)濟發(fā)展目標中，生物基化學品將占到歐盟化學品總產(chǎn)量的30%；據(jù)美國農(nóng)業(yè)部研究報告，到2025年，生物基化學品將占據(jù)22%的全球化學品市場，其產(chǎn)值將超過5×1011美元/年。同時，生物基化學品也是我國“十三五規(guī)劃”中明確提出要重點開發(fā)的材料之一。我國生物基經(jīng)濟近年來保持20%左右的年均增長率，總產(chǎn)量已達到6×106t/a [14]。

在我國微生物制造生物基產(chǎn)品中，生物基精細化學品占據(jù)大部分的市場份額，目前我國生物制造企業(yè)有5000多家，達到15 000億元的總產(chǎn)值規(guī)模，其中超過4000億元的產(chǎn)值是現(xiàn)代生物制造產(chǎn)業(yè)。在代謝工程、合成生物學、酶工程等核心理論技術(shù)的不斷發(fā)展下，通過利用代謝改造、蛋白從頭設(shè)計等技術(shù)手段，我國利用一步生物合成法高效生產(chǎn)L-丙氨酸，在縮短生產(chǎn)時間的同時可大幅節(jié)約成本，與傳統(tǒng)國際巨頭企業(yè)如德國巴斯夫集團、日本味之素公司等在競爭中具有明顯優(yōu)勢，占據(jù)了超過60%的國際市場。同時，在生產(chǎn)琥珀酸、 D-乳酸等大宗化工產(chǎn)品中，通過改造菌株代謝途徑，從頭合成新酶等技術(shù)方法達到了國際領(lǐng)先的技術(shù)水平。但國內(nèi)生物基化學品產(chǎn)業(yè)還存在關(guān)鍵原料受限、核心技術(shù)缺乏、產(chǎn)品成本高昂、市場競爭力不足等現(xiàn)狀，在總體規(guī)模和水平上仍與發(fā)達國家存在差距。

（五）生物基材料領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

我國是世界第四大塑料制品生產(chǎn)國，塑料制品年需求量達7×106t，被廢棄的塑料制品約為2×106t。在全球“禁塑”大環(huán)境下，以“綠色、環(huán)保、可再生、易降解”著稱的生物基材料顯得尤為重要，迎來發(fā)展的黃金期。德國Nova研究所報告提出，生物基材料在聚合物和塑料的市場份額約為1%，到2024年，預計復合年增長率約為3%~4%，與傳統(tǒng)的石油基高分子材料增長率相近。國內(nèi)市場的生物基增塑劑年需求量約為3.1×106t，且隨著應用領(lǐng)域的不斷擴展以每年8%到12%的速度遞增，但產(chǎn)能尚不足1×104t，遠遠不能滿足市場需求，缺口巨大。

目前，生物基材料的生產(chǎn)應用變得更加專業(yè)化和普遍化。通過合成生物學、基因組學等技術(shù)改造微生物自身蛋白，構(gòu)建具有特殊性能的新生物基材料已成為研究熱點，聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等新生物材料已應用于生物基增塑劑的生產(chǎn)。通過引入外源基因、弱化抑制基因、強化啟動子等方法實現(xiàn)了大腸桿菌通過一步法利用葡萄糖合成PHA，其中乳酸組分的摩爾百分比達到1.6%,聚合物含量為83.9 wt%，為生物基材料的制造提供基礎(chǔ)[15]。利用微生物制備生物基材料能夠大大減少化工合成中的污染問題，并且相對低廉的生產(chǎn)成本能夠極大地提升生物基材料的市場競爭力。生物基材料產(chǎn)業(yè)在提升技術(shù)創(chuàng)新能力和加快產(chǎn)業(yè)化進程方面具有廣闊的發(fā)展空間，微生物制造將是未來生物基材料生產(chǎn)的核心技術(shù)。

（六）生物質(zhì)能領(lǐng)域的微生物制造發(fā)展態(tài)勢

生物質(zhì)能是將秸稈等植物原料利用微生物發(fā)酵制造成沼氣、生物制氫、生物柴油和燃料乙醇等形式的能源。2019年，英國《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》指出，世界生物燃料產(chǎn)量逐年遞增，生物燃料占市場份額逐步增多，到2018年全球燃料乙醇產(chǎn)量達到了6.04×107toe。在我國，生物質(zhì)能主要包括生物質(zhì)發(fā)電、生物柴油及生物天然氣等。如利用乳化工藝和生物合成技術(shù)，將木質(zhì)素高效合成液體燃料，具有環(huán)境污染小、燃燒效率高、儲量豐富等優(yōu)勢 [16]。根據(jù)生物質(zhì)能源行業(yè)發(fā)展前景數(shù)據(jù)顯示，截至2019年，我國生物質(zhì)發(fā)電投資規(guī)模突破1502 億元，同比增長12.3%。2020年中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)新增投資約1960億元，其中，生物質(zhì)發(fā)電、生物天然氣、生物質(zhì)成型燃料供熱產(chǎn)業(yè)、生物液體燃料成為重點投資項目[17]。2021年3月，國家電網(wǎng)發(fā)布《關(guān)于公布2021年第六批可再生能源發(fā)電補貼項目清單的公告》，其中生物質(zhì)發(fā)電項目數(shù)量為 6個，包括垃圾焚燒發(fā)電項目5個、農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電項目1 個，核準/備案容量為139 MW，變更一項可再生能源發(fā)電補貼清單的集中式生物質(zhì)發(fā)電項目，核準/備案容量為30 MW，標志著生物質(zhì)能已成為國家能源發(fā)展的重點戰(zhàn)略目標。

《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達到商業(yè)化、標準化和規(guī)模化，其年利用量約等于5.8×107tce，實現(xiàn)了“綠色生產(chǎn)，節(jié)能減排”。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年中國城市垃圾產(chǎn)生量超過3.6×108t。目前，面對如此龐大的垃圾資源，我國主要停留在集中焚燒發(fā)電的處理模式，而西方發(fā)達國家已利用生活垃圾回收生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料、工業(yè)材料等，實現(xiàn)了能源的循環(huán)利用。展望未來，生物質(zhì)能行業(yè)可開展垃圾再制造領(lǐng)域研發(fā)，精細化分類利用廢料，實現(xiàn)“變廢為寶”。

四、我國微生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展SWOT分析

（一）優(yōu)勢分析（Strengths）

在國家相關(guān)政策的大力支持下，微生物制造產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長快速，社會效益顯著。其中，微生物制造的生物發(fā)酵領(lǐng)域的產(chǎn)量與產(chǎn)值穩(wěn)步提升，出口穩(wěn)定增長，國際競爭力大幅提升。同時，我國擁有極大的市場空間與市場潛力。僅以微生物制造的生物能源領(lǐng)域為例，到2035年，我國原油預計需求將超過7×108t，天然氣預計需求超過6×1011m3，其中70%的原油和30%的天然氣需要進口。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國生物乙醇與生物天然氣可開發(fā)潛力分別為1.5×108t和2.5×1011m3[18]。由此可見我國微生物制造在生物能源領(lǐng)域有非常大的市場潛力和發(fā)展空間。

（二）劣勢分析（Weaknesses）

1.原料劣勢

微生物工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)在木質(zhì)素纖維素（秸稈）、甲醇（C1）等非糧生物質(zhì)原料方面需求量大，微生物生產(chǎn)的核心原料研發(fā)技術(shù)存在瓶頸，進口依賴性嚴重，導致產(chǎn)品質(zhì)量和附加值低，原子經(jīng)濟性不足，生產(chǎn)成本高，與石化煉制產(chǎn)品相比市場競爭力不強等一系列問題。

2.技術(shù)劣勢

我國在生物催化劑創(chuàng)制等基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力相對薄弱，在核心菌種和關(guān)鍵酶的知識產(chǎn)權(quán)上受制于人，存在著前期投入大、資源分散、缺乏人才、成果轉(zhuǎn)化率低等問題，使得國內(nèi)微生物制造產(chǎn)業(yè)在國際市場缺乏競爭力。此外，我國微生物制造產(chǎn)業(yè)前瞻技術(shù)儲備不足，與歐美等發(fā)達國家相比，我國戰(zhàn)略架構(gòu)、底層核心技術(shù)還存在差距，尤其是以動態(tài)調(diào)控、數(shù)字模型、傳感技術(shù)等為代表的新時代前沿學科交叉布局明顯不足。

3.設(shè)備劣勢

現(xiàn)階段，我國微生物制造的核心裝備支撐系統(tǒng)仍與先進國家有著巨大的差距，缺乏基于大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的微生物反應器、過程傳感檢測等為核心的裝備支撐系統(tǒng)。由于我國的高端裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)積淀不夠，因此在原材料、規(guī)范化加工、輔助配件、在線檢測等多個細分技術(shù)領(lǐng)域相對落后。高端設(shè)備研發(fā)技術(shù)壟斷，成本昂貴，研發(fā)時間長等問題，使得制造企業(yè)的投入回報風險高，最終形成行業(yè)惡性循環(huán)。

（三）機會分析（Opportunities）

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》指出，要大力推動生物信息技術(shù)的融合創(chuàng)新，加快生物醫(yī)藥、生物材料、生物能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將生物經(jīng)濟做大做強。同時，《國家科學與技術(shù)中長期發(fā)展規(guī)劃綱要》中，將工業(yè)生物技術(shù)列為科技前沿技術(shù)，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)被確定為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。我國在宏觀的產(chǎn)業(yè)政策外，還積極推動“一帶一路”戰(zhàn)略以促進人才交流，高效利用全球創(chuàng)新資源。

除了政策的大力扶持外，國家在微生物制造產(chǎn)業(yè)的投入也逐年加大，行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施方面有了很好的提升，大力推動了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以京津冀、長江三角洲及珠江三角洲為核心的工業(yè)生物產(chǎn)業(yè)集群都具有國際競爭力?？梢哉f，我國對微生物技術(shù)的重視已提升到空前的戰(zhàn)略高度，鼓勵高新技術(shù)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，引導多學科交叉，融入大數(shù)據(jù)與人工智能，對該領(lǐng)域的進一步發(fā)展形成有利保障。

（四）威脅分析（Threats）

在當前嚴峻的國際形勢和激烈的行業(yè)競爭下，美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)已經(jīng)加強微生物制造領(lǐng)域的未來前瞻布局，試圖在多個微生物制造產(chǎn)業(yè)中分割國際市場、設(shè)置技術(shù)壁壘，給我國的微生物制造產(chǎn)業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。美國針對生物技術(shù)專門出臺《中國生物技術(shù)發(fā)展：美國和其他國家的參與及作用》，并采取各種手段對我國生物制造等領(lǐng)域重點防范和封鎖。2020年4月，美國布魯金斯學會發(fā)布報告《中國在全球生物技術(shù)領(lǐng)域的作用及其對美國政策的影響》，全面剖析我國微生物制造產(chǎn)業(yè)對美國的挑戰(zhàn)并提出相應措施。由于核心菌種和先進設(shè)備受制于人，我國微生物制造產(chǎn)業(yè)“卡脖子”現(xiàn)象日益凸顯，市場發(fā)展受到限制。大成集團、寧夏伊品生物科技股份有限公司、山東隆大生物工程有限公司等企業(yè)在擴大規(guī)模或進入國際市場后，紛紛受到國際龍頭企業(yè)的專利訴訟，嚴重阻礙企業(yè)發(fā)展，有些企業(yè)甚至到了破產(chǎn)重組的境地。這些事件折射出當前微生物制造領(lǐng)域先進技術(shù)嚴重依賴國外，知識產(chǎn)權(quán)保護力度薄弱，技術(shù)“借鑒”現(xiàn)象頻繁發(fā)生，反映了當前微生物制造行業(yè)技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系與知識產(chǎn)權(quán)體系還存在著諸多問題。

雖然面臨諸多外部的威脅與挑戰(zhàn)，但是我們也應當清楚的認識到，微生物制造產(chǎn)業(yè)仍屬于新興產(chǎn)業(yè)，我國整體發(fā)展水平與國外基本并行。在國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)與企業(yè)的不斷突破下，我們有機遇掌握該領(lǐng)域的未來核心技術(shù)，形成持續(xù)研發(fā)能力和自主的產(chǎn)品體系、技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系和知識產(chǎn)權(quán)體系，保障我國的經(jīng)濟健康發(fā)展與國防安全。

五、我國微生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議

（一）過程與裝備

黨的“十九大”報告指出要加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，在中高端消費、創(chuàng)新引領(lǐng)、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應鏈、人力資本服務等領(lǐng)域培育新增長點、形成新動能[19]。這就迫切要求我國制造業(yè)要向綠色化、高端化、智能化方向邁進。

因此，在微生物制造的過程與裝備方面，應圍繞生物制造對高端、綠色、智能的需求，以關(guān)鍵核心裝備智能化生物反應器、智能化過程傳感檢測等為方向，結(jié)合生物過程智能化分析和決策軟件的開發(fā)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)–知識混合驅(qū)動的智能生物制造。

（二）交叉前沿與顛覆性創(chuàng)新

《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》指出，生物技術(shù)發(fā)展突出體現(xiàn)了學科交叉匯聚日益緊密的全球科技創(chuàng)新發(fā)展態(tài)勢，拓展了科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)突破的空間。美國一直以來高度重視生物材料交叉技術(shù)的前沿探索，世界著名智庫研究預測在未來10年內(nèi)生物材料交叉技術(shù)可能取得顛覆性突破。因此，我國的微生物制造產(chǎn)業(yè)應當堅持引領(lǐng)跨越，促進跨學科、跨行業(yè)的深度融合交叉合作。充分發(fā)揮生物技術(shù)的引領(lǐng)性作用，強化原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，促進生物技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，搶占國際競爭的戰(zhàn)略制高點。

生物制造的前沿交叉與應用將有助于我國擺脫原始創(chuàng)新能力不足，關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人的困境，提升科技創(chuàng)新質(zhì)量；有助于為我國科技創(chuàng)新實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供新的物質(zhì)基礎(chǔ)；有助于縮小與發(fā)達國家之間的科技創(chuàng)新差距，為我國建設(shè)世界科技強國提供戰(zhàn)略新機遇。

（三）超前部署

在發(fā)展微生物制造產(chǎn)業(yè)的過程中，應當堅持從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)到產(chǎn)業(yè)應用示范進行一體化部署。從而加快推動生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，支撐“建設(shè)世界科技強國”“中國制造 2025”等戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)[20]。

應當充分發(fā)揮微生物技術(shù)在經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中的支撐引領(lǐng)作用，瞄準微生物基礎(chǔ)前沿、重大關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化應用等方向，堅持“自主創(chuàng)新、重點跨越、支撐發(fā)展、引領(lǐng)未來”的方針，集中資源系統(tǒng)性布局，強化原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，將自主創(chuàng)新自始至終作為我國的微生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略基點。

六、結(jié)語

微生物制造產(chǎn)業(yè)在食品、化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域已展現(xiàn)巨大的經(jīng)濟效益與社會價值，并在材料、環(huán)境、能源行業(yè)快速發(fā)展，隨著生物基礎(chǔ)研究與技術(shù)設(shè)備的不斷研發(fā)，未來還可能進入礦業(yè)、冶金等領(lǐng)域，實現(xiàn)微生物制造的全方位、多領(lǐng)域、高精尖的長遠發(fā)展。但我國微生物制造產(chǎn)業(yè)在科技研發(fā)與技術(shù)革新方面任重道遠，相信在我國政策扶持與相關(guān)科研院所的共同努力下，我國微生物制造產(chǎn)業(yè)可以提升產(chǎn)業(yè)效益、擴大應用范圍、提高國際競爭力，實現(xiàn)微生物制造技術(shù)強國的戰(zhàn)略目標。