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生物制造被视为有潜力推动“第四次工业革命”的关键力量。经济合作与发展组织（OECD）预测，到2030年相关产业规模将达到全球工业生产总值的35%。这一预期反映了生物制造在未来经济社会发展中的重要地位。全球生物制造市场在2022年实现了190.8亿美元的估值，并有望在整个预测期内实现强劲增长，预计复合年增长率为7.72%，2028年将达到296.7亿美元。生物技术已是当今发展最迅速、最重要的技术集群之一，对人类文明发展有重大价值。（一）未来人类生存的重要保障。展望2050年，世界人口总数预计将从当前的约80亿人上升至接近100亿人，其中城市人口占比可能达到70%。这一变化将带来对食品和能源需求的显著增长，预计食品需求将增加约30%，能源则可能上升50%。为应对这一挑战，人类必须在更少的土地、水资源、肥料和农药使用的有限资源条件下，满足日益增长的需求，并在此基础上提升生活质量。生物制造在食品、能源、环保等方面的改造能力将在此中发挥关键作用。（二）可持续发展的关键产业。可持续发展是当今世界面临的一项重要挑战，它要求人类在满足当前社会需求的同时，不损害后代满足自身需求的能力。OECD曾对6个发达国家进行分析，结果表明：生物制造技术的应用可以降低工业能耗15%－80%，原料消耗35%－75%，空气污染50%－90%，水污染33%－80%，生产成本降低9%－90%。据世界自然基金会(WWF)估测，到2030年，生物制造技术每年将可降低10亿至25亿吨的二氧化碳排放。生物制造具有更低的环境影响和更高的资源效率。可见，生物制造产业正以其独特的优势成为推动可持续发展的关键产业之一，有助于构建一个更加可持续的生态系统。（三）生物基产品引发产业变革。全球生物市场正在快速增长，生物基产品在多个领域得到广泛应用。从农业到医药，从消费品到工业原料，生物基产品以其环保特性和可持续优势，成为市场新宠。在消费品领域，生物基产品的应用已经渗透到日常生活的方方面面。例如，生物降解塑料的使用正在减少对环境的污染，生物纤维服装则因其可持续性而受到消费者的青睐；在工业原料领域，生物基塑料、生物基橡胶和生物基溶剂等产品正在被用于汽车、航空、包装和建筑等多个行业；此外，生物基产品在能源领域也展现出巨大潜力。生物燃料，如生物柴油、生物乙醇、绿氢、生物电能，正在成为替代化石燃料重要选择。随着技术的不断进步、成本的逐渐降低以及消费者环保意识的增强，总体来看，全球生物制造市场将继续保持快速增长势头，改变产品生产方式，引发产业链变革。（四）世界科技竞争的主要领域。全球范围内，越来越多的国家和地区认识到生物制造在推动经济发展中的关键作用。据统计，目前已有超过60个国家或地区制定针对生物制造或生物经济的战略、政策、发展路线图和行动计划，其中有几个国家和地区最为积极。美国在2012年发布《国家生物经济蓝图》，将基因组学和合成生物学等生物制造技术列为重点发展领域；2022年9月，总统拜登又签署生物技术生产和研究的行政命令，旨在加强美国在制药、农业、塑料和能源等行业的本土制造能力；随后2023年3月发布《生物技术和生物制造明确目标》，设定20年内，用生物基塑料替代90%现有塑料，在供应链端满足美国对化学品至少30%的需求。欧盟2014年发布《工业生物技术工业路线图》，明确生物制造技术的主要研究方向，并设定到2030年将生物基产品或可再生原料的替代份额提高到25%的目标。在其《工业生物技术远景规划》中进一步提出，到2030年，生物基原料将替代6%~12%的化工原料和30%~60%的精细化学品；到2050年，航空领域将全面使用可持续生物航煤。日本2019年发布《生物战略2019》，强调利用日本的生物制造优势结合IT技术，为市场开拓、社会问题解决和可持续发展目标的实现做出贡献。2021年2月，日本经产省发布的《生物技术驱动的第五次工业革命报告》将智能细胞和生物制品列为生物经济领域的优先发展方向。现实的需求以及代表性国家和地区的行动已表明，生物制造不仅是全球经济转型和可持续发展的大趋势，更是对未来政治、经济和科技格局的重新塑造。2023年10月1日欧盟碳边境调节机制（CBAM）过渡期实施细则生效，2026年正式起征，2034年全面实施。届时，中国高能耗出口欧盟产品，钢铁成本增25.8%，铝产品成本增9.0%，出口欧盟产品整体成本增加6%~8%。世界银行预测，全面实施碳关税后，中国制造出口成本将增加26%，出口量可能因此下滑21%。这一政策将对中国对外出口产生重大影响，我国工业制造亟需做出重大调整。与此同时，落实“双碳”目标，化工行业原油、天然气、航空燃料、液体燃料等领域，都面临着巨大在碳排放压力。为应对及解决以上难题，国家已将生物制造视为实现转型升级的主要手段之一。这也是我国是继绿色制造、智能制造之后，推进制造强国建设的又一关键举措。2023年，国家发展改革委专门发布《“十四五”生物经济规划》，成为中国首个专注于生物经济发展的五年规划，另外还支持12个国家生物产业基地的建设，并通过《产业结构调整指导目录》《鼓励外商投资产业目录》等机制，这一系列措施的目的就是要充分发挥我国优势，促进生物技术产业化的发展，加快构建现代生物产业体系。综合来看，生物制造将在以下几个方面提升我国国家竞争力：——成为新质生产力重要增长点。2023年中央经济工作会议提出，“打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业，开辟量子、生命科学等未来产业新赛道”。生物制造是新质生产力最重要的组成部分之一，开辟了新的经济增长点，如生物基材料、生物能源等，将推动数万亿元规模的新兴生物产业发展。根据相关归纳，如表一所示，生物制造各个领域未来增长趋势明显。生物制造各领域增长趋势（表一）
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——提升产业竞争力。生物制造具有的绿色生产方式、原料可再生性、有效降低能耗物耗和减少废物排放等优点，正成为我国构建可持续发展路线的战略驱动力量。以青蒿素生产为例，传统模式是通过种植黄花蒿，经过18个月才可提取；而利用生物制造技术，仅使用可控的100立方工业发酵罐，几周内就可以替代5万亩的传统农业种植。目前我国生物制造核心产业增加值仅占工业增加值的2.4%，低于美、欧、日的11%、6.2%、3.2%，还有很大发展空间。预计未来10年，石油化工、煤化工产品的35%可被生物制造产品替代，生物制造潜力巨大。——推动产业链现代化。生物制造可以推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品制造向绿色低碳、无毒低毒、可持续发展模式转型，优化产业结构。如生物法1,3-丙二醇的生产，与石油路线相比，原料成本下降37%，二氧化碳减排63%，能耗减少30%，创造了一个化纤原料摆脱石油价格体系的典型范例。另外，体外生物转化利用淀粉合成肌醇，相比传统玉米提取生产路线，能耗降低90%，磷污染减少95%，生产成本降低50%-75%，根除恶臭污染。可见，这种转型不仅涉及到生产技术的革新，还包括管理模式、运营效率和市场响应机制的全面升级。——助推“双碳”目标的实现。世界基金委员会预测，到2030年，工业生物技术每年将可降低25亿吨的二氧化碳排放。根据中国科学院天工所统计，和石化路线相比，目前生物制造产品平均节能减排30%~50%，未来潜力将达到50%~70%。在我国，钢铁冶金、石化炼油、水泥等行业年产工业尾气超过万亿立方米。如果其中50%可利用，将年产饲料蛋白500万吨，减少二氧化碳排放1.2亿吨，节约粮食1.6亿吨，节省耕地4亿亩；另外，我国每年消耗塑料约在7000-8000万吨计算，如有1/3石油基塑料被生物基塑料替代，将减碳近6000万吨（每吨生物基塑料排放的二氧化碳比石油基少2.5亿吨），减碳效果十分明显。我国是世界第一制造大国，生物制造能从源头上降低碳排放的潜力，对我国“双碳”目标的实现有重大作用。生物制造是指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业，是以微生物细胞、酶分子或多酶分子机器为高效生物催化剂进行物质加工与合成的绿色生产方式，将在能源、农业、化工和医药等领域改变世界工业制造格局。以可再生的碳资源（如CO2、生物质等）为原料转化合成能源、生物化学品与生物基材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式，主要表现为先进发酵工程、现代酶工程、体外生物转化、生物炼制、生物化学工程等新技术的发明与应用。酶工程（蛋白质工程学）：是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在一定条件下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务。
生物化学工程：利用生物工程原理，包括用常规或重组微生物的发酵或生物转化过程，用游离或固定化酶为生物催化剂的酶反应过程，以制备疫苗、重组蛋白或次级代谢产物。
生物炼制：利用农业废弃物、植物基淀粉、木质纤维素等生物基原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料的过程。
体外生物转化：体外合成生物学的生物制造平台，是介于微生物发酵与酶分子催化之间的新生物制造平台，多酶分子机器是其特有生物催化剂。该平台技术能够做细胞工厂做不好的制造，做酶分子做不了的催化。
当前在这些方向上，我国有一批企业迅速成长，如凯赛生物、华大基因、华恒生物、蓝晶生物、川宁生物、华东医药、巨子生物、金城医药、四川博浩达等已成为行业头部企业。凯赛生物生物法长链二元酸市场占有率全球第一，生物基戊二胺以及系列生物基聚酰胺等也走在世界前列；华恒生物的丙氨酸产量占据全球份额超过50%；蓝晶微生物成为全球第三、中国第一家显著降低PHA成本达到可规模化销售的公司等；四川博浩达利用淀粉合成肌醇，年产万吨，超过全球产量50%以上。可以说，一批生物制造企业的迅速成长，奠定了我国在该领域的世界领先地位。
综合分析头部企业以及结合国内外其他生物制造企业的成败，归纳来看，有几点是生物制造企业实现长远发展的关键。
——选品与战略无比重要。2023年8月10日，合成生物学领域的先锋企业Amyris向美国特拉华州法院提交破产保护申请，并出售其旗下消费品牌，引发市场哗然。
该公司曾是合成生物学界的领头羊和行业标志性企业，在投资界享有极高的知名度和代表性。Amyris最初因利用生物技术成功合成青蒿素而声名鹊起（该生产无法与中国改进黄蒿种植与提取技术竞争，产业化失败），随后在法尼烯（一种可能生物燃料）项目上的再次失败导致公司面临财务困境。为了摆脱困境，Amyris开始进行战略转型，涉足美妆和食品原料的B2B及B2C品牌开发，但不幸的是，这次转型并未成功解决现金流问题，最终导致公司走向了破产。
Amyris在战略路线和选品上始终没有找到合适的突破点。尤其是商业模式既不能带来利润，也不能满足投资者的期望，融资跟现金流问题就会更加凸显。这一典型案例给所有生物制造企业敲响了警钟，正确的产品选择和战略规划至关重要。
在产品选择时，必须综合考量该产品通过生物合成途径生产是否具备成本效益、工艺优势、潜在制造成本、资源价格、可再生性、可放大性、以及质量卓越性，并需评估其是否满足市场的实际需求及是否拥有广阔的市场潜力。
——全产业链是生命线。技术、量产能力和产品选择是同等重要的几个关键因素。在Amyris的法尼烯和Zymergen的光学薄膜项目遭遇挫折之后，预计未来几年内，这些因素仍是行业发展主要障碍。
Amyris最初专注菌种开发，并且在高通量筛选方面表现出色。然而，公司并未将生产流程作为其核心业务重点，导致未能充分满足下游市场的需求。此后，Amyris一直在努力纠正，但是并未突围。令人意外的是，Zymergen似乎重蹈Amyris覆辙，尽管在平台建设和菌株研发方面取得一定成就，但仍未实现全产业链的整合。主要原因之一还有美国缺乏生物制造必需的优秀产业工程师。
在我国，以凯赛生物为代表的一批企业在这方面取得了成功。如凯赛生物的生物法长链二元酸项目成为全球合成生物学标志性成功案例，在全产业链方面形成了闭环。2015年底就实现对化学法十二碳二元酸DC12的完全替代，成为全球长链二元酸主导供应商，并被国家工信部评为制造业单项冠军产品。蓝晶微生物则在PHA外，开发功能饮料成分和新型功能益生菌等新产品管线，布局在消费品、医疗健康和电子材料等领域，多数管线都往全产业链闭环推进。并形成“研发——规模投产——下游销售”的商业模式。
微生物作为生命体，其复杂性远超无机体。要实现大规模生产，就需要考虑发酵规模、转化率、生产成本、质量稳定性、能耗、碳排放等因素。并在下游生产过程中不断探索，逐步了解不同温度、环境和压力条件下菌株的行为反应。忽视发酵生产这一关键环节，产业化难以实现。发酵生产技术与菌种设计属于不同领域，其工艺条件的实现和控制往往依赖于长期的实践经验。目前，大多数生物制造企业甚至说整个产业界对生产环节中许多变化背后的原理都尚未完全理解，需要潜心用更多时间进行探索和经验积累。
优秀的生物制造企业，不仅需要拥有出色技术，能够不断迭代和优化，还必须满足后续生产流程的要求，才能最终实现产品的商业价值。
——提质降本是必需之路。近年来，全球范围内工业生物技术先进性不断提升，生产成本不断下降，加快向工业制造领域渗透和应用。这是生物法立足市场的根本。比如药品的生产通常局限于较小的规模（不超过1000升的储罐），尽管这导致生产成本较高，但由于其高利润率，企业仍能获得良好的经济效益；但像生物乙醇这样的大宗商品，只有实现大规模生产（超过20万升的储罐），才能有效控制生产成本。再比如，凯赛年产4万吨生物法癸二酸，其理论原料成本比化学法原料成本低一半以上，而且产品纯度更高，杂质更少，这样才保证了凯赛在葵二酸方面的市场地位。不断提高生物转化的效率，实现强大的量产能力已成为生物制造企业生存的关键环节。
四、生物制造——中美科技下一个竞争点
2008年以来，美国对中国的整体战略、基本立场和行动策略经历了显著的转变。这种由合作向对抗的转变在科技领域尤为突出，生物技术便是这一变化的典型代表，我国必须做好应对。
——基础研究亟待落到实处。新世纪以来，生物技术、计算机技术和工程学技术经历了迅猛发展，达到了空前高度。这些领域的交叉融合催生了一种新现象——信息与物质的交互转换。这种转换促进了实验科学向“数据密集型科学”的转变。它不仅加深了人们对生物学的理解，还推动了对生物体的改造、设计乃至创新的进程。所以，当前的生物技术竞争，说到底是数据、数字转化、算力、算法等一系列的竞争。而这一切都要依靠原始性创新。基础研究，对中国无疑更是命运攸关。
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目前在基础研究方面，中国与美国有明显差距。如上图所示，全球生命科学研究资金投入地域分布情况看，2020年美国的研究资金约为774亿美元，占比全球总研究资金投入的49.1%（欧洲约22.0%），我国仅9.0%。另外，美国在国家R&D投资中，38%都投向了生命科学（日本46%），我国未见详细数据。以发酵为例，中国一直是传统发酵大国，发酵产业的主要产品如氨基酸、维他命、抗生素等，产量已经占到全球产量的60%-70%，但是核心酶制剂75%以上却来自国外公司，根本原因就是我国在这方面的持续研发严重不足。缺少关键酶，不仅导致产品精细化率低于40%（国外70%），而且未来可能成为被“卡脖子”的重大隐患。——加快形成高效的生态聚集。100多年来，全球有影响力的生物科学理论和应用都出自美国。美国在基础研究、基本建设、商业化的能力，都是其他国家难以匹敌的。地区性聚集则是美国生物技术基础建设的另一大特点，集中分布在旧金山湾区、圣地亚哥、波士顿、华盛顿DC和大纽约区五个区域。这是美国“靠近科学”“靠近人才”“靠近产业”“靠近资本”形成的特有结果。这是集合基础研究、应用研究、商业转化、融资机会、市场消费的一个整体聚集，形成了从设计（创意）到产品（服务），到消费的完整链条。过去40多年，我国已建设100多个生物工业园区，这对中国发展生物技术和生物经济起到非常重要的作用，尤其对我国的制药工业。但是与美国相比，我国的园区发展模式主要还是以引进技术、商业转化为主要追求，并未形成更为高效的生态聚集效应。长远来看，终将对我国的生物经济竞争力造成影响。——战略规划和布局不可忽视。当前，随着生物技术的突破性进展，生物制造产业正处于一个关键风口，预示着前所未有的增长潜力。美国已启动“生命铸造厂”计划，目标是创造1000种自然界中未曾出现过的独特分子和复杂的化学结构。这一计划着眼于材料和制造领域的生物转化与应用，旨在确立美国在全球的战略领先地位和经济优势，被视为“引领改变游戏规则的技术转型”。目前，美国已经有116种合成生物技术产品进入市场或即将上市，覆盖农业、石油化工、有机化工等多个领域，一个价值数千亿美元的市场正在开启。相比之下，我国在战略架构、核心技术和关键装备等未来产业发展的关键领域与欧美等发达国家相比仍有差距。我国虽然在细分领域上展示了一定的潜能，但从整体来看目前主要仍处于跟随阶段，尚未实现根本性的转变。——警惕美国综合手段的打压。过去一个世纪，全球经济格局基本由美国主导，联合英国、法国、德国等盟友共同维持，并在科技、政治等多个领域形成了强大的干预和破坏能力，这种机制已成为美国打压对手的重要工具。以美国40年前打击日本半导体产业为例，美国政府首先指控东芝非法出口苏联高端机床，对东芝进行制裁。接着又声称东芝半导体对美国市场“倾销”，1986年迫使日本政府签署《日美半导体协定》，开放半导体市场，并对日本企业实施高额惩罚性关税。日本半导体产业自此坠落，而英特尔等美国公司重返全球领导地位。值得注意的是，当时包括德国和法国在内的不少企业也在与苏联进行机床交易，然而美国并未对这些国家实施制裁。背后原因显而易见：指控只是对付日本东芝的一个借口。根本原因是美国意识到日本半导体技术已对美国构成威胁，这是美国所不能容忍的，必须进行遏制。这些年，美国对付法国阿尔斯通，针对中国的华为、华大基因、tiktok以及把中国一大批企业、机构列入实体清单，都是同样的配方和同样的味道。归根结底就是美国认为这些技术已对美国构成威胁——必须采取一切必要措施，抑制、打击和摧毁这些在技术上的超越或可能的超越。当前，美国已多次发声要捍卫其在生物领域的领先地位。2022年9月，美国总统拜登宣布启动“国家生物技术与生物制造计划”，并要求降低外部供应链依赖性；在同一月份，指示外国投资委员会加强对外国在美投资和企业的审查力度，特别是那些来自竞争或敌对国家的资金。在这些审查中，生物技术和生物制造行业被列为特别审查重点。可以预见，未来中美生物制造竞争不可避免。随着我国在生物制造领域的不断突破，美国必定会采取断然措施打击我国的进步。综合以上，留给我国生物制造的窗口期非常有限。我们必须抓紧时间，加快自主创新，尽快掌握核心技术，尽最大努力扩大已有优势。特别是政府、学术界、金融界、产业界以及终端用户等应加强协同，多方面紧密合作，逐步解决并克服生物制造整个创新链条的障碍和瓶颈，助力我国打赢这场国运之争。
深圳市华谷致远生物科技与产业研究院（简称华谷研究院），是由研究院理事长梅永红倡议，国内生物经济头部企业华大集团、凯赛生物、碧桂园农业、北大荒集团和投资机构华大共赢共同发起成立，是我国第一所专门研究生物经济的民办非营利组织。
华谷研究院以“独立、客观、高质量”为核心价值，致力于通过严谨分析，集行业研判、数据分析、指数开发、专题研究、政策建议为一体，深度参与生物经济“产、学、研、资、用”各个环节。
华谷研究院立志成为中国生物经济行业的风向标，成为最具影响力的高端智库之一，成为中国新型智库建设的典范。
