文 | vb动脉网

2024，生物制造元年已开启。

2025，生物制造将迎来新一轮的增长机遇。

随着技术的不断突破和市场需求的日益增长，生物制造正逐渐成为推动经济发展的新引擎。然而，在这一过程中，产业链的各个环节也面临着诸多挑战和问题。本报告深入剖析生物制造产业链中的10大核心问题，从原材料供应、生产技术、产品应用到市场拓展等多方面进行详细解读，旨在为行业从业者提供有价值的参考和启示，助力生物制造产业的可持续发展。

AI为合成生物学解决了哪些问题？

人工智能、机器学习、智能制造等智能技术与合成生物学的深度融合是生物制造5.0的核心，推动了从传统生物制造向智能化、精准化、高效化方向的全面转型，加速了生物制造产业链创新研发、中试放大、生产制造等重点环节。尤其是BT生物技术合成生物学与IT信息技术人工智能的融合为生物制造带来了革命性的变化，开启了生物制造的新纪元。

“BT+IT”推动的生物制造的合成生物学解决方案 资料专家访谈，动脉智库制图

既有酶的开发利用已逐渐产业化。在生物制造领域，体外酶法工艺是一种重要的途径。这种方法的核心在于从最终产品出发，逆向寻找能够合成目标产物的路径及其相关酶。AI在探索合成路线、发掘新酶以及改造酶的整个生物合成过程中，已经实现了产业化的应用。通过结合AI技术和合成生物学，香兰素的研发周期和产业化周期都显著缩短，从原来的5年减少到1.5年。同时，研发成本和终端产品的成本也降低了大约一半，极大地提升了制造上的竞争力。

蛋白质从头设计取得突破性进展。蛋白质设计领域“鼻祖”David Baker发文宣布，首次使用生成式人工智能从头设计出了全新的抗体。设计过程主要包括以下三个步骤：首先，运用人工智能生成新的蛋白质结构；其次，通过ProteinMPNN算法生成氨基酸序列，这一步骤显著提高了运算效率和设计质量；最后，使用AlphaFold系统独立评估这些氨基酸序列能否折叠成预期的蛋白质结构。通过这一流程，研究人员在实验室中成功合成了具有预期功能的新蛋白质。

通过蛋白质设计得到的新的蛋白质将在多个领域得到广泛应用，包括：新型疫苗、包含有非天然氨基酸的蛋白质、新型药物输送载体、智能疗法以及高性能生物材料等。

基因线路设计、代谢通路设计正在突围中。细胞工厂的设计与改造涉及对现有生命系统的基因线路进行设计、构建以及代谢通路的改造，这一过程包括对各种基因元件，如启动子、转录因子、调控元件等的结构优化和线路组装。这些因素使得细胞工厂的构建过程变得更为复杂，且相关研究仍处于初级阶段。目前，研究主要集中在生物元件的改造、密码子的优化等环节，而基因线路设计和代谢通路设计等细胞工厂核心设计领域仍需更多时间的积累和研究。

此外，AI在测序、生物元件优化、数据库构建、文献挖掘等方面发挥了重要作用并取得了一系列成果，但未来“AI+合成生物学”在深度整合与创新发展方面仍有广阔的空间和潜力。

非粮原料真的能降本吗？

目前，我国工业用粮年度消耗量在1600亿斤以上，约占我国粮食整体消费总量的9.64%。其中，玉米、大豆，以及“三薯”等，已成为燃料乙醇、食品、医药等工业部门的重要原料。

随着生物制造产业化需求的不断增长，粮食原料需求量变的十分庞大。

以高值产品均价计算，目前生物制造的市场规模约为2.8亿吨产品。如果假设所有原料都使用玉米，且按最低单耗量算，那么所需的玉米量将超过全球玉米产量的2/3。

可见，以粮食作为主流碳源已无法支撑生物基产业大规模发展，解决原料获得性瓶颈成为关键。发展非粮原料，拓宽原料范围，成为必经之路。

按照种类划分，非粮原料可分为非粮生物质原料和非生物质原料。非粮生物质原料包括：纤维素类原料，如秸秆、玉米芯、林木废弃物等，其中农业废弃物每年约9.6亿吨，林业废弃物约3.6亿吨；畜禽粪便以及有机生活垃圾，我国畜禽养殖每年产生的粪便总量超38亿吨，每年产生的厨余垃圾约1.3亿吨；废弃海洋生物质，如藻类、壳类等。非生物质原料主要是气体类原料，主要包括CO、CO2等，我国每年产生约1万亿m³工业尾气，4000吨机动车尾气。

按照生物制造过程中原材料以及利用方式的不同，可以划分为三个代际：第一代为粮食原料时代，是当前阶段主要的生物制造手段；第二代为非粮生物质原料时代，技术积累已基本完备，多家企业已率先将秸秆转化为较高价值产品，未来几年将不断突破更多非粮生物质的生物制造开发利用；第三代为气体原料时代，如CO2、CO等，但其技术路线还不完善，当前仍处于早期阶段，距离大规模产业应用尚有距离，预计可能至少需要十年才能成熟。

生物制造不同原材料技术路线 资料山西证券、公开资料，动脉智库补充制图

非粮原料真的能降本吗？能否算过来经济账？

当前，在非粮生物质资源利用上，主要聚焦在秸秆领域；而非生物质原料方面，主要聚焦在CO2的利用上。无论是哪种途径的非粮化，在很多情况下的降本计算，都是在理想情况下的核算，且多数降本率在10%-30%。

以秸秆糖为例，生产燃料乙醇的成本，相较于玉米原料，有一定降低。玉米生产乙醇成本约7000-8000元/吨，而秸秆糖生产燃料乙醇成本约在5000-6200元/吨，秸秆较玉米原料生产乙醇的成本降低了大约30%。

以CO2为例，煤炭制甲醇的生产成本约2000-2700元/吨，离子液体电还原CO2制甲醇，在最佳工艺下，成本为传统甲醇的88%，降本约12%。

此外，有专家预测，随着技术的持续突破和众多企业的加大投入，CO2有望成为优先实现商业化利用的原料。

可见，当前非粮原料在生物制造中的应用尚未真正步入商业化阶段，或者说，从经济角度考虑，它们尚未达到成本效益的平衡点。非粮原料的生物制造应用是一个漫长的过程，在这个过程上，仍然有一些问题需要思考和解决：非粮原料的利用是否会增加工艺难度和成本？如何突破非粮原料分解或酶解的技术难题？高附加值的生物制造产品是否有必要用非粮原料？在大宗产品中，哪些产品更适合使用非粮原料？非粮原料利用的高峰期何时到来？……这些问题仍需集结多方力量，继续探讨。

发酵优化放大瓶颈如何解？

中试被认为是生物制造的“死亡谷”，包括发酵优化放大和发酵后处理两个环节。其中，发酵优化放大是实现倍数级产量提升的关键步骤，被认为是商业化过程中的关键环节，而发酵后处理则是保证最终产品的纯度和质量的主要手段。

目前，从整个发酵的实施来看，发酵后处理基于多年的经验积累，其设备以及工艺技术几乎可以满足目前生物制造产业化需求，并且受限于其本身具有分散、共用生产线、人工依赖性强等特点，短期内单一设备和单一管线设备的自动化和智能化有较大的实施可能性。

在发酵优化放大过程中，当放大到中试或工业规模时，会面临诸多问题，例如：反应器的传热和传质效率下降；过程数据的采集、处理、分析、反馈和调控存在困难；过程数据与工程菌代谢之间缺乏有效的联动和耦合。其中，放大过程中的传质和传热问题是一个复杂的学科领域。目前来看，国内外在这一领域并不存在本质性的差距。因此，设备本身并不是当前亟需解决的问题，而是需要长期的积累和探索。

“过程数据处理及自动化智能化调控”被认为是目前解决发酵放大环节问题的最有效的途径。

工程菌/酶本身具有及其复杂的代谢网络，发酵过程中产生大量数据信息，包括：温度、pH值、溶氧、搅拌速度、压力、底物浓度、产物浓度、代谢副产物、尾气等。这些信息极大地反映了发酵菌株/酶和反应器的实时状态。相关从业人员提到，在发酵放大过程中，一旦发酵批次同时达到10次以上，人工操作的复杂性和出错的可能性就会显著增加。因此，必须借助数据科学算法，以便简便易操作地快速形成可视化结论，找到合理的优化调控方案，进而下达准确、可靠的执行操作。

通过先进的传感系统、算法、计算平台、以及适配发酵经验的计算系统，同时融入机器学习和数字孪生等手段，将感知系统、决策系统和执行系统形成一个闭环，实现分析、反馈、执行的自动化，才能有效解决发酵优化放大瓶颈，跨过生物制造“死亡谷”。

发酵优化放大的过程数据处理及自动化智能化调控网络 资料专家访谈、动脉智库制图

此外，将技术-工艺-产业串联起来的人才同样是突破发酵优化放大瓶颈的关键驱动力之一。具体来讲，这类人才能够将上游研发、中试放大和市场需求三个环节有效联动。从源头的菌株设计到中试优化放大，再到市场需求的分析，他们能够为产业提供全面的支持。

如何挖掘“爆品”所在赛道？

寻找“爆品”首先在于找赛道，精准定位产品赛道是商业化成功的关键。企业筛选产品的核心在于理解其需求量、增量市场、单位价值以及面临的核心挑战。根据终端产品需求体量和单位价值，生物制造产品可以划分为三类：低量高价、中量中价和高量低价。不同品类产品具有不同的特点、商业化程度及面临的挑战，这些因素都是决定在相关细分领域中做出选择的重要考量。

生物制造产品分类、特点及其相关子赛道和细分领域情况 资料公开资料、BCG，动脉智库制图

低量高价产品的年需求量大约在千克级别，甚至有些达到克量级，其销售价格多以毫克为单位。这类产品主要面向高端市场，拥有较大的利润空间大。然而，它们对创新技术和研发经费的要求极高，往往需要经历较长时间才能实现商业化。此外，市场容量相对有限，其下游产品主要包括生物创新药和特殊用途的功能性蛋白/多肽。这类产品更适合那些拥有强大品牌影响力和技术壁垒的企业。

中量中价产品的年需求量大约在几十万吨到几百万吨，这类产品涉及的领域广泛，市场竞争较为激烈。它们主要包括生物医药领域的原料药和医药中间体，食品与营养领域的甜味剂、香精香料和营养添加剂，农业领域的生物育种和生物农药，以及消费个护领域的功能性小分子等。由于市场竞争激烈，相关企业需要具备较强的市场敏感性，能够及时做出调整。因此，产品或技术应具有较好的延展性，例如基因编辑技术CRISPR-Cas9，它已被广泛应用于医学、农业、食品、基础研究等多个领域。此外，产品的适用性和安全性也是关键因素。许多产品因法律法规或行业标准的限制，其产业化过程可能需要一段等待期。

高量低价产品的年需求量通常在数百万吨以上，甚至达到亿吨规模。这类产品的量产对成本控制和产业化能力提出了极高的要求。它们主要包括生物基化学品、生物能源、生物肥料以及替代蛋白等。由于初创企业难以承担如此高昂的资金成本和长时间的投入，这类产品的生物制造技术一旦取得突破，往往很快会被行业龙头企业所垄断。同时，这些产品在供应链管理、成本控制和市场营销等方面面临巨大挑战，市场竞争尤为激烈。