什么是“細胞工廠”？

“細胞工廠”是一種形象化的說法，指將微生物細胞設計創建成為一個“工廠”，以淀粉、秸稈甚至二氧化碳等可再生資源為原料，制造出工業生產和人們生活所需要的化工、藥物、能源、材料、食品等化學品。與傳統化工制造相比，以細胞工廠為核心工具的生物制造是一種新型的物質生產模式，具有綠色、清潔、可再生的特征，可從根本上改變傳統制造業依賴化石資源和“高污染、高排放”的生產方式，是經濟社會可持續發展的重大方向。

中國科學院天津工業生物技術研究所利用合成生物學等技術手段，創建了近百個具有自主知識產權的微生物細胞工廠，建立了30多個化工產品綠色生物制造工藝并組織產業化實施，累計創造新增產值近190億元，取得了重大經濟和生態效益。

1、化工產品清潔生產

圍繞化工產品的清潔生產，創建了L-丙氨酸、羥脯氨酸、肌醇等一批化工產品的微生物細胞工廠及綠色生產工藝，在節能減排、成本控制等方面取得了顯著效果。

L-丙氨酸是重要的醫藥、化工中間體與食品添加劑，傳統的化工合成生產工藝能耗大、污染高。天津工業生物所在以可再生葡萄糖為原料生產生物基丙氨酸的技術上率先取得突破，依托該技術建成國際首條3萬噸生產線。和化工路線相比，生物法路線廢水排放量、能耗及生產成本均大幅降低。合作企業占據超過70%以上國際市場份額，正在推動百億規模環保型洗滌產業發展。

國際首條最大規模3萬噸生物法

L-丙氨酸生產線

羥脯氨酸在醫藥、化工等領域有廣泛的應用。以動物來源蛋白為原料的化學提取工藝生產成本高，每噸產品生產過程中會釋放超百噸高鹽高氮難處理廢水，環境污染嚴重。天津工業生物所構建了以葡萄糖為原料一步發酵生產羥脯氨酸的生產工藝，并已組織產業化實施，成本降為傳統生產方式的1/10左右，生產過程無高鹽高氮廢水排放，為合作企業帶來近千萬元利稅，實現了羥脯氨酸的綠色生產。

國內首條100噸生物法羥脯氨酸生產線

2、化工制造工業原料路線改變

圍繞化工制造工業原料路線改變，構建了丁二酸，D-乳酸等微生物細胞工廠，在與國外大型公司的競爭中取得優勢。

丁二酸是生物可降解塑料的關鍵單體，天津工業生物所創建的高效丁二酸細胞工廠技術達到國際領先水平，依托該技術建成了國內首條年產2萬噸生產線，相比石化路線成本降低20%，二氧化碳減排達94%，成為化工產品走出石油路線的成功案例，有力促進了PBS（Poly butylene Succinate，聚丁二酸丁二醇酯）等生物降解材料產業發展。

國內首條最大規模2萬噸

生物法丁二酸生產線

D-乳酸作為一種重要的手性中間體，在醫藥、農藥、材料等領域具有廣泛的應用。天津工業生物所以具有自主知識產權的D-乳酸細胞工廠為核心，首次實現了D-乳酸的厭氧發酵法生產。依托該技術，合作企業已建成國內首條年產萬噸生產線，成本較傳統路線有了顯著降低，產值達2億元/年，市場占有率達80%，打破了日本、荷蘭等國D-乳酸技術壟斷，為聚乳酸生物可降解塑料產業的發展提供了重要支撐。

國際最大規模萬噸級D-乳酸生產線

3、現代發酵產業升級

圍繞現代發酵產業升級，構建了賴氨酸、谷氨酸等具有自主知識產權的細胞工廠，顯著提升了企業自主創新水平和國際競爭力。

賴氨酸是人類和動物營養中的第一限制性氨基酸，在醫療保健行業、飼料工業中有著廣泛的應用。目前國內賴氨酸核心菌種缺乏，生產能力低，產業國際競爭力較差。天津工業生物所基于對國際上1500多件保護專利的系統分析，設計構建了賴氨酸細胞工廠發酵生產工藝，突破國際專利封鎖，并實現產業化應用。新菌種為企業累計實現產值近20億，節約成本過億元，為我國賴氨酸產業自主發展和下游產業安全形成了重大科技示范。

賴氨酸生產線

維生素B12是一種含有金屬鈷的復雜有機分子，廣泛應用在藥品、飼料、食品和化妝品等領域，需求逐年上升，市場缺口日益突出。研究所通過基因組工程技術，將5種細菌中的28個基因在大腸桿菌細胞中成功組裝、調控，實現了維生素B12的從頭合成，并已實現產業化，每年可為企業新增利潤超過2000萬元。

4、珍稀植物化合物生物合成

針對植物天然化合物傳統種植提取生產方式對土地資源的依賴性強、產率低、成本高、重金屬污染等問題，將植物化合物合成基因組裝、編輯到啤酒酵母細胞中，創建了人參皂苷、番茄紅素、β-胡蘿卜素、天麻素、燈盞花素、香葉醇等一批藥用植物、經濟植物產品的細胞工廠，技術指標國際先進，多項技術正在進行工業化生產，建立了重要植物化合物的新生產模式。

人參皂苷是人參、西洋參等藥材的主要活性物質，具有抗腫瘤、改善心血管功能、增強身體機能等生理功效，在食品、醫藥和保健品等領域有廣泛的應用。天津工業生物所在國際上首次構建出同時生產三種人參基本皂苷元及人參皂苷Rh2和F12的酵母工程菌，獲得“人參酵母細胞”。以目前技術水平，千平米車間的人參皂苷合成能力相當于10萬畝人參種植。

番茄紅素是自然界植物中被發現的最強抗氧化劑之一，廣泛用于食品、化妝品以及醫藥領域。天津工業生物所成功構建了番茄紅素微生物細胞工廠，生產速率比現有最高水平提高了10倍，為國際最高水平，生產成本是植物種植提取的1/4，千平米車間番茄紅素的合成能力相當于6萬畝的農業種植。

中科院天津工業生物技術研究所以創建細胞工廠、發展綠色生物制造、構建工業經濟發展生態路線為使命，以生物技術推動“農業工業化、工業綠色化、產業國際化”，為實施創新驅動戰略、建設世界科技強國而貢獻力量！ 

原標題：《微生物細胞工廠的創制及應用 | 中國科學院創新成果展》