2026生物制造关键装备与工艺革新白皮书_78页_5mb

> **来源：[研报客](https://pc.yanbaoke.cn)** # 2026 # 生物制造关键装备与工艺革新白皮书 技术追赶到产业引领 国产化破局与产业升级 # 2026生物制造关键装备与工艺革新白皮书从技术追赶到产业引领，国产化破局与产业升级 # 目录 报告核心术语解释 1 报告核心观点 2 第一章 强政策、重投资、大产业 4 一、中国生物制造产业发展驱动力分析 4 二、中国生物制造产业发展的全球定位与历史使命 7 第二章 生物制造关键装备与工艺创新概述 11 一、生物制造工艺流程概述 11 二、生物制造研发设计环节关键装备解析 16 三、生物制造规模生产环节关键装备解析 17 四、生物制造分离纯化环节关键装备解析 18 五、生物制造生产辅助系统与关键耗材 19 六、生物制造中试平台，跨越“死亡谷”的产业加速器 20 第三章 生物制造关键装备国产化进程、格局与竞争力评估 ..... 26 一、通用生命科学仪器装备从全面进口到持续突破的演进 26 二、生物制造关键装备分品类深度解析，进展、差距与“隐形冠军” 31 第四章 生物制造核心工艺革新与高端产品制造能力构建 43 一、连续发酵工艺革新解析 44 二、非传统底物利用与合成微生物组工艺创新 49 三、生物制造分离纯化工艺创新要点分析 57 四、中国生物制造高端产品突破解析 59 第五章 生物制造行业主要风险及挑战 67 一、技术转化风险，从“科学可行”到“工程成功”的跨越之难 68 二、生物安全与监管风险 68 三、市场与商业化风险 69 四、原料供应链风险 69 五、底层“根技术”的自主性挑战 69 产业优秀案例集 71 1.康诺生物制药股份有限公司 71 2.安及义实业（上海）有限公司 72 3.微构工场 73 4.华熙生物 74 # 报告核心术语解释 生物制造：以工业生物技术为核心，利用生物体（细胞、酶）的机能或催化功能，改造传统工艺或利用生物质资源生产能源、材料和化学品的新型制造方式。 生物制造关键装备：支撑生物制造全流程的核心硬件系统，主要包括生物反应器、分离纯化系统（如层析系统）、过程控制与监测系统等，其性能直接决定生产效率和产品质量。 生命科学仪器：用于生命科学研究与生物技术开发、生产过程中的各类分析、检测、培养和制备仪器的总称，是支撑研发、过程监控和质量控制的基石。 质谱仪器：通过测量离子质荷比（ $\mathrm{m/z}$ ）进行成分与结构分析的科学仪器。具有高灵敏度、高分辨率，被誉为“科学仪器的皇冠”，广泛应用于药物分析、代谢组学等领域。 色谱仪器：利用混合物中各组分在固定相和流动相中分配差异进行分离和分析的仪器。主要包括用于分析的液相/气相色谱和用于工业纯化的制备色谱/层析系统。 生物制造中试平台：连接实验室研发与工业化生产的桥梁，用于工艺放大验证、装备可靠性测试、降低产业化风险的综合性试验设施。是科技成果转化的关键环节。 生物制造工艺流程：利用生物体将原料转化为产品的全过程，通常包括上游工艺（菌种构建、发酵/细胞培养）和下游工艺（分离、纯化、精制）两大阶段。 生物反应器：为细胞或微生物提供可控生长环境以合成目标产物的核心设备。主要分为不锈钢生物反应器（适合大规模生产）和一次性生物反应器（灵活，适合多产品线）。 分离纯化系统：生物制造下游工艺的核心，用于从发酵液或培养液中提取、分离并纯化目标产物至规定纯度的设备总称。 合成生物学：通过工程化设计，对生物体进行有目标的设计、改造乃至从头合成，以构建具有新功能生物系统的学科。是驱动生物制造创新的关键技术平台。 生物制造生产耗材：在生物制造生产过程使用的预灭菌、用后即弃的耗材系统（如反应袋、储液袋、管路），可避免交叉污染、缩短生产周期，但核心膜材技术壁垒高。 层析介质/色谱填料：层析/色谱系统的核心耗材，其性能（载量、分辨率、寿命）直接决定分离纯化效率与成本。目前产品严重依赖进口，是国产化的“卡脖子”环节。 连续发酵：一种先进的发酵模式，在发酵过程中持续添加新鲜培养基并移出部分培养液，能维持细胞高密度和稳定代谢，从而提高产率和生产效率。 细胞培养基：为细胞生长提供营养的人工环境，是生物制造最关键且成本高昂的原材料之一。无血清、化学成分限定的培养基是主流发展方向。 工艺放大：将实验室优化的工艺参数，通过中试验证，逐步放大到工业化生产规模的过程。过程中需解决传质、传热等“放大效应”带来的工程问题。 国产替代：指用国内自主生产的技术、装备或材料，替代原先需要进口的产品。在生物制造领域，是保障产业链供应链安全的关键战略。 PAT智能过程控制：利用人工智能、大数据和数字孪生等技术，对生物制造过程进行建模、预测和优化，实现更精准、高效和稳定的自动化生产。 # 报告核心观点 - 生物制造关键装备国产化呈现“中间强、两端弱”的橄榄型结构，且上游“卡脖子”与下游“能力鸿沟”并存。中游整机制造如不锈钢生物反应器、通用色谱系统国产化率已提升 $60\%$ 以上，部分领域实现规模化替代。然而，决定产业命脉的上游核心原材料与部件（如用于抗体纯化的ProteinA亲和色谱填料、纳滤/超滤膜材、高精度在线传感器、质谱仪的质量分析器与离子源）进口依赖度仍较高，是供应链安全的最大风险点。同时，代表未来竞争力的下游工艺与智能化解决方案（如连续生物制造整体工艺包、AI驱动的过程控制与优化软件、符合国际标准的数字化工厂整体交付能力）仍严重缺失，构成产业升级的价值洼地与能力短板。 - 国产替代的核心驱动力已从“成本优先”全面转向“安全可控”与“技术窗口”双重逻辑。地缘政治紧张与出口管制（如美国对高参数流式细胞仪、特定质谱设备的禁令）使得供应链安全从背景风险上升为紧迫的生存议题，倒逼下游用户将国产装备从“性价比备选”重构为“供应链必选”。与此同时，在连续化生产、模块化工厂、AI过程分析（PAT）、一次性技术等新兴技术范式上，国内外起步差距相对较小，这为国内产业避开传统红海、通过“换道超车”实现突破提供了历史性的战略窗口。 - 生物制造关键装备产业竞争焦点正从单一的“硬件参数对标”向提供“整体工艺解决方案”和挖掘“全流程数据价值”迁移。未来头部厂商的核心 # B 动脉网 竞争力，不仅在于单台设备的性能指标，更在于对细胞培养、分离纯化等底层生物工艺的深度理解，能够提供从菌种构建、工艺开发、工程放大到生产质控的全链条优化方案。竞争维度已延伸至工业软件、算法模型与数据服务，即基于实时过程数据与AI模型，提供预测性维护、工艺优化和产率提升的智能化服务能力。 - 国产装备在“可靠性、一致性及智能化”方面的代差，是系统工程与生态能力的综合体现。与国际顶尖水平的差距，远不止于精密加工和基础工艺，其深层根源在于长期、高价值应用场景的数据积累匮乏，对复杂工艺的“Know-how”理解与沉淀不足，以及跨学科（生物、机械、自动化、软件、材料）深度融合与协同创新体系的薄弱。这导致国产设备在长期运行稳定性、批次间一致性以及面对复杂工艺的自适应与智能化水平上存在明显短板。 - 单一设备或技术点的突破难以构建持久优势，未来的竞争是“产学研用金”协同创新生态的竞争。突破“卡脖子”环节、实现跃迁，依赖于材料科学、生物工程、精密制造、软件算法等多领域顶尖人才的深度协作，以及下游用户（特别是领先生物制造企业与工艺服务平台）的早期介入、联合开发与风险共担。政策正推动建立以场景需求为牵引的攻关模式，通过建设中试基地网络、组建创新联合体等方式，旨在共同构建自主的技术标准体系与数据闭环，形成可持续的产业创新生态。 - 连续化、模块化与智能化正重塑生物制造底层工艺，是国内实现非对称超越的关键赛道。连续生物制造（CBP）技术渗透率将持续提升，其核心装备（如连续流生物反应器、连续层析系统）与传统批次生产设备技术路径差异显著。国内产业若能集中资源，在连续生产工艺集成、模块化工厂设计、以及基于数据的智能过程控制等新兴范式上构建核心能力，有望绕过传统巨头在批次技术上的专利与生态壁垒，定义下一代生物制造的工艺标准。 - 上游核心材料与部件的国产化呈现“点状突破、链式脆弱”的复杂局面，是衡量产业自主可控深度的终极标尺。尽管在纳米纤维层析介质、无血清/化学成分限定培养基等领域实现了从0到1的突破，但在决定生物药质量与成本的关键“硬骨头”上，如高载量ProteinA亲和填料、除病毒滤膜、过程传感器、质谱/流式细胞仪核心光学与检测部件等，仍面临严峻的技术封锁与专利壁垒，进口依赖度极高。这些环节技术壁垒高、验证周期长、客户转换成本高，是国产替代中最艰难、但战略价值最高的部分。 - 生物制造下游应用正从“单核驱动”向“多元生态”爆发，对装备提出差异化、专用化新需求。传统发酵仍是装备的核心市场。但增长最快的领域来自生物制造催生的生物基材料（PHA/PLA）、细胞培养肉、生物燃料及高值天然产物等。这些新兴领域对装备的经济性（极度成本敏感）、工艺适配性（非标、多样）、规模化（大型发酵）及绿色化（低碳排）要求与传统发酵迥异，为国产装备避开同质化竞争、开辟高成长性细分赛道提供了广阔空间。 国家安全战略与产业政策形成合力，正系统性重构国产装备的验证与应用生态。出口管制与关税不确定性使供应链安全成为企业核心考量。与此同时，国家层面通过政府工作报告将生物制造列为新增长引擎、设立进口替代专项、政府采购给予本国产品评审价格扣除、在重大科研设施与项目中明确国产化比例要求等组合拳，从需求端强力牵引。这使得国产装备获得了前所未有的“试用入场券”，应用反馈循环得以加速，正从“不敢用、不愿用”转向“主动用、联合开发”。 - 生物制造产业实现从“点”的突破到“面”的领先，依赖于跨区域产业集群与全链条协同创新体系的构建。国内已初步形成长三角（上海、苏州）、粤港澳大湾区、京津冀等产业集群。破局的关键在于打通“基础研究（DBTL平台）—核心部件与材料研发—整机集成与验证—工艺应用与数据反馈”的全链条。政策正推动建立“场景带动攻关”模式，通过国家级中试平台、创新联合体等方式，引导上下游联合攻克共性技术难题。未来的竞争，是区域产业生态在人才集聚、资本联动、数据共享、标准共创等维度上的综合竞争。 # 第一章 强政策、重投资、大产业 # 一、中国生物制造产业发展驱动力分析 合成生物学被誉为继“DNA双螺旋结构发现”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命，其核心在于“工程化”理念，即通过设计、构建、测试和学习的循环，将生命体改造为高效、可控的“细胞工厂”。这一宏伟愿景的实现，高度依赖于一整套精密、复杂且相互关联的生命科学装备、仪器与耗材体系。它们共同构成了从“基因”到“产品”的工业化桥梁，是生物制造产业发展的基石。 作为引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术，生物制造正以前所未有的速度从实验室走向产业应用。其发展并非单一因素作用的结果，而是政策、技术、资本与产业四大关键驱动力同频共振、协同推进的产物。这四大驱动力 如同四轮驱动系统，共同推动中国生物制造产业驶入高速发展的快车道。 政策是产业发展的核心导航仪和加速器。在中国，生物制造产业的崛起首先得益于从中央到地方构建的一套多层次、立体化的政策支持体系。 首先是国家战略的顶层引领，《“十四五”生物经济发展规划》作为纲领性文件，明确提出要“做大做强生物经济”，并将“合成生物学”列为重点发展方向。这一顶层设计将生物制造从行业技术提升到国家经济战略高度，吸引了全社会的关注和资源倾斜。科技部、工信部、发改委等部委随之出台配套专项，如工信部的“生物制造”揭榜挂帅任务，针对行业关键装备和核心工艺短板，集中力量进行攻关。 其次是地方政府的精准布局，各地方政府基于自身产业基础和资源优势，展开了激烈的“生物制造竞赛”，形成了特色鲜明的产业集群：北京依托强大的科研院所和人才优势，聚焦原始创新和研发服务；上海凭借国际化优势和成熟的金融配套，打造从研发到商业化的全产业链生态；苏州以卓越的产业配套能力和高效的服务，吸引了大量CXO企业和创新平台落户；深圳发挥其创新引擎优势，在生物科技与消费、材料结合的应用领域快速突破。地方政策通过产业基金、土地优惠、人才公寓、税收减免、设备补贴等组合拳，极大地降低了企业的初创和运营成本，营造了良好的产业发展环境。 另外，近年来，底层工具的突破使得生物系统的研发效率呈指数级提升。以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑工具，使对生命体遗传物质的改造变得精准、高效和低成本。研究人员能够快速敲除不利基因、引入外源功能基因，或对代谢通路进行精细调控，大大加速了高性能工程菌株的构建。 人工智能和机器学习技术正被广泛应用于蛋白质结构预测、新酶催化反应设计、最优代谢路径搜索等领域。自动化液体处理工作站、高通量筛选系统等装备，实现了 $7 \times 24$ 小时不间断的平行实验，将科学家从手工操作中解放出来，极大缩短了研发周期。 各类组学技术、高分辨率质谱、冷冻电镜等先进分析工具，使得我们能够以前所未有的深度和广度“读懂”细胞工厂的内部运行状态，也为优化工艺提供了海量数据支撑。这些技术的融合，正推动生物制造从“手工作坊”式向“智能化工程”模式转变。 从资本层面来看，生物制造是典型的技术密集和资本密集型产业，需要长期、大量的资金投入。多元化的资本力量已成为助推产业腾飞的关键燃料。红杉中国、高瓴、启明创投等头部机构，将合成生物学和生物制造视为重要投资赛道。它们不仅提供资金，更带入战略规划、人才引进、资源对接等增值服务，助力创新企业跨越从“技术”到“产品”的瓶颈。 # B 动脉网 国投集团、央企基金及地方政府引导的产业基金，注重战略性培育和产业链安全。它们敢于投入周期长、风险高但关乎国计民生的基础性环节，为产业提供稳定的长期资本支持，起到“压舱石”作用。 值得注意的是，科创板和港交所18A章等资本市场制度改革，为尚未盈利的生物科技公司打开了上市融资的大门。这不仅为早期投资者提供了退出渠道，也使得企业能够获得持续发展的巨额资金，用于临床试验、产能建设和市场拓展。 生物制造之所以受到热捧，根本在于其展现出的颠覆性应用前景和巨大的市场潜力。经合组织、麦肯锡等权威机构预测，未来全球高达 $60\%$ 的物质产品可以通过生物制造方式生产。这一数据表明，生物制造具有重塑几乎所有物质生产行业的潜力，其市场空间达万亿级别。 生物制造制品在多领域已实现应用突破：医药领域，重组蛋白、抗体、疫苗、细胞基因治疗等已成熟应用；美妆与消费领域，胶原蛋白、依克多因等高附加值活性成分实现绿色、规模化生产；农业与食品领域，人造肉、精准发酵生产的乳蛋白等解决粮食安全问题；材料与化工领域，生物基可降解材料替代传统塑料，生物法生产化工单体。 这种广泛的替代性和创造新供给的能力，使生物制造成为实现“双碳”目标、保障供应链安全的关键路径。巨大的终端市场需求，是吸引技术、资本和政策汇聚的最终引力场。 报告编写小组认为，政策、技术、资本与产业四大驱动力构成了一个紧密互动、相互促进的生态系统。政策为技术和产业方向保驾护航，并引导资本流向；技术突破是产业发展的内核动力，也为资本创造了高回报的投资标的；资本为技术研发和产业化提供血液，加速了政策目标的实现；而广阔的产业应用前景，则是吸引前三者持续投入的终极牵引力。 中国生物制造产业正处在这个“四轮驱动”系统效能最大化的历史机遇期。未来，随着四者更深度的融合与协同，中国有望在全球生物经济浪潮中扮演越来越重要的角色，从跟跑、并跑走向领跑，为全球可持续发展提供中国方案。这个价值万亿的赛道已经开启，四大驱动力的持续发力将共同绘制出生物制造产业的宏伟蓝图。 # 第一章 强政策、重投资、大产业 中国生物制造产业发展驱动力分析 合成生物学被誉为继“DNA双螺旋结构发现”和“人类基因组计划”之后的第三次生物技术革命，其核心在于“工程化”理念，即通过设计、构建、测试和学习的循环，将生命体改造为高效、可控的“细胞工厂”。这一宏伟愿景的实现，高度依赖于一整套精密、复杂且相互关联的生命科学装备、仪器与耗材体系。它们共同构成了从“基因”到“产品”的工业化桥梁，是生物制造产业发展的基石。作为引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术，生物制造正以前所未有的速度从实验室走向产业应用。其发展并非单一因素作用的结果，而是政策、技术、资本与产业四大关键驱动力同频共振、协同推进的产物。这四大驱动力如同四轮驱动系统，共同推动中国生物制造产业驶入高速发展的快车道。 图表：中国生物制造产业发展背景与核心驱动力总览 # 政策引领 国家《“十四五”规划》将合成生物学列为重点，各部委专项攻关。北京、上海、苏州、深圳形成特色产业集群，政策组合拳降低企业成本，推动生物制造快速发展。 # 技术突破 CRISPR、AI、自动化设备和组学技术突破，使基因编辑、蛋白设计、高通量筛选和细胞分析更精准高效，推动生物制造从手工迈向智能工程。 # 资本涌入 红杉、高瓴等头部机构投资合成生物学，提供资金与资源。国投、央企基金聚焦战略环节，长期支持。科创板港交所18A单方未盈利企业提供上市通道，助力发展。 # 产业应用 在医药、美妆、农业、材料、食品等领域催生出万亿级市场空间，如重组蛋白与疫苗规模化生产，胶原蛋白替代传统化学合成。 # 全球战略定位 中国以政策强力驱动+市场应用牵引为特征，在“四轮驱动”下迎来历史机遇，有望从跟跑走向领跑，开启万亿赛道，为全球提供可持续发展方案。 # 二、中国生物制造产业发展的全球定位与历史使命 # （一）全球主要经济体生物制造战略对比 在全球迈向生物经济时代的大背景下，全球各主要经济体纷纷将生物制造视为重塑产业竞争力、保障供应链安全、实现绿色转型的核心战略。各国基于自身产业基础、资源禀赋和战略目标，制定了各有侧重的发展路径。清晰认识中国在这一全球版图中的位置，是理解我国生物制造产业发展机遇与挑战、制定有效策略的前提。 # 1. 美国：以“敏捷制造”与国家安全为核心，构建领先生态 美国凭借其在基础研究、风险投资和产业生态上的绝对优势，确立了全球领导地位。其战略核心可概括为“前沿创新引领+敏捷制造保障+国家安全驱动”。 其依托顶尖高校（如MIT、斯坦福）和国家实验室（如劳伦斯伯克利、NREL），持续在基因编辑（如CRISPR）、人工智能驱动生物设计（如 AlphaFold)、无细胞合成等底层技术上取得突破。其目标不仅是产品替代，更是创造全新的生物经济范式。 以美国敏捷生物工厂（ABF）为代表，其核心是通过国家实验室联盟，构建一个分布式、模块化、可快速响应的生物制造研发与中试平台网络。ABF旨在将生物产品从设计到规模化生产的时间缩短一个数量级，强调制造流程的灵活性、可重构性和快速迭代能力，以应对多样化和快速变化的市场与国防需求。 政策与投资高度关联国家安全。2022年《国家生物技术和生物制造计划》行政令，以及后续的《生物安全法案》动向，明确将生物制造能力与供应链韧性、国防安全绑定。通过BioMADE等制造创新机构，大力投资国内生物制造基础设施，旨在减少对海外（尤其中国）供应链的依赖。 美国的优势是完整的“基础研究-技术开发-风险投资-产业化”创新链条；强大的平台型企业（如Ginkgo Bioworks）和灵活的初创生态；在核心工具（酶、底盘细胞、生物设计软件）、装备和数据库方面占据垄断地位。 # 2.欧盟：以“循环生物经济”与可持续发展为纲领，推进系统转型 欧盟将生物制造置于其“绿色新政”和循环经济战略的核心，路径呈现出“顶层系统设计+绿色价值导向+区域协同网络”的特征。 欧盟的战略核心是推动经济系统从线性（开采-制造-废弃）向循环模式转型。生物制造被视为利用可再生生物质（如农业废弃物、林业残余物）替代化石资源、生产生物基产品和能源的关键技术。其目标不仅是产业竞争，更是实现气候中和与资源高效利用。 通过“地平线欧洲”等框架计划提供大规模研发资金，并着力构建覆盖全欧洲的中试与示范设施网络（如Pilots4U）。同时，欧盟高度重视标准与认证体系的建设（如生物基产品认证、生命周期评估标准），旨在为绿色生物产品建立市场信任和溢价空间。 欧盟鼓励成员国间形成互补的产业集群，例如德国在化工和酶工程、荷兰在农业和食品、丹麦在工业生物技术方面的优势协同。通过共同政策框架，避免重复投资，形成合力。 强大的可持续品牌与消费者认知；在生物精炼、木质纤维素利用、生物基材料（如PLA、PHA）的产业化方面领先；拥有巴斯夫、诺维信等跨国巨头，在酶制剂和特种化学品领域实力雄厚。 # 3. 日本与韩国：聚焦特色领域，寻求重点突破 日韩作为后发追赶者，选择在特定赛道集中资源，实现弯道超车。 日本发展生物制造产业的战略延续其制造业优势，强调“生物与数字融合”（Bio-Digital Convergence）。其《生物战略2019/2020》旨在将IT、机器人、自动化技术与生物制造深度融合，打造高精度、高效率的“生物工厂”。日本在精密发酵工程、氨基酸、酶制剂等传统优势领域保持领先，同时在细胞培养肉、微生物蛋白等未来食品领域积极布局（如明治控股）。其发展模式可概括为“技术深化+产业融合”。 韩国采取了最为激进的立法驱动模式。2024年通过的《合成生物学促进法》是全球首部该领域的专门立法，以国家意志强力推动。其战略核心是借鉴半导体产业的成功经验，打造“国家主导的集中投资与快速产业化”模式。计划投资1263亿韩元建设国家级“生物铸造工厂”，利用AI技术实现生物元件设计-构建-测试的全流程自动化，目标直指2030年跻身全球前五大技术强国。韩国在生物化工（如晓星集团的生物基BDO项目）和数字生物技术结合方面野心勃勃。 # 4. 中国：政策强力驱动与市场应用牵引下的快速追赶者 前述已经提到，中国的生物制造发展路径呈现出“国家战略引领+巨大市场拉动+工程化能力见长”的鲜明特征。自《“十四五”生物经济发展规划》将生物制造列为重点，到连续两年写入《政府工作报告》并定位为“新增长引擎”、“未来产业”，生物制造已上升为国家核心战略。政策密度高、力度大，从中央到地方形成了系统的支持体系。 中国拥有全球最完整的工业体系、庞大的内需市场（医药、食品、材料）和强大的规模化工程放大能力。在氨基酸、维生素、部分有机酸等大宗发酵产品上，已凭借成本和质量优势占据全球主要市场份额。在生物基材料（如PHA、戊二胺）产业化速度上全球领先。 中国通过“新型举国体制”组织关键核心技术攻关，并在北京、上海、深圳、天津等地打造合成生物/生物制造特色产业集群，形成区域协同创新态势。 在面向消费端的应用场景（如HMOs、重组胶原蛋白、甜味剂）创新和商业化速度很快，能够快速将技术转化为产品并推向市场。 图表：全球主要经济体生物制造战略格局对比分析 # （二）中国发展规模化生物制造产业的优势、差距与战略定位 # 1. 核心优势 中国集中力量办大事的体制优势，能够快速动员资源，在基础设施（中试平台）、产业园区建设上形成合力。超大规模单一市场为新产品提供了宝贵的试错和迭代空间。 卓越的工程化与成本控制能力。在工艺放大、生产过程优化、降低制造成本方面具有全球竞争力，这是将实验室成果转化为有市场竞争力商品的关键。 完整的制造业供应链与基础设施。除了生物制造本身，其所需的上下游装备、化工原料、电力等配套产业齐全，为产业发展提供了坚实基础。 丰富且多元的应用场景。在医药、农业、食品、化工、环保等众多领域都存在迫切的绿色替代和产业升级需求，为生物制造技术提供了广阔的“练兵场”。 # 2. 中国生物制造的战略定位 综合来看，中国在全球生物制造竞争格局中，正处于“应用创新与规模制造的追赶者”向“全链条自主创新的并行者乃至领跑者”迈进的关键过渡期。 短期定位：发挥市场应用和工程化优势，在已具备基础的领域（如大宗化学品、部分高值化合物）巩固并扩大市场份额，实现快速替代。同时，利用政策与资本优势，在非粮生物质利用、二氧化碳转化等新兴赛道布局，争取形成 局部领先。 长期目标：必须突破“核心工具自主化”和“装备国产化”两大瓶颈。通过国家重大专项、产学研深度融合，在生物设计软件、核心元器件、工业软件等“根技术”上实现自主可控。最终目标是构建一个“基础研究-工具研发-工程放大-市场应用”完整、安全、高效的内生创新循环体系，成为与美国、欧盟并驾齐驱的生物制造强国。 我们认为，全球生物制造竞争是一场关于未来产业主导权、技术标准制定权和供应链安全权的综合竞赛。中国不能仅满足于成为全球生物制造产品的“工厂”，而必须立志成为核心技术与装备的“创造者”和“输出者”。明晰自身在政策驱动、市场应用、工程化方面的优势，并正视在原始创新和核心工具上的差距，是制定下一步精准发力策略、实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”跨越的根本出发点。 图表：中国生物制造产业发展历程 # 第二章 生物制造关键装备与工艺创新概述 # 一、生物制造工艺流程概述 前述已经提到，生物制造的核心目标，是将设计的“细胞工厂”转化为稳定、高效、可控的工业化生产过程。这一转化并非一蹴而就，而是遵循一条环环相扣、层层递进的技术路径。 具体来说，其工艺流程可清晰地划分为三大阶段：菌种工程与细胞工厂构建、实验室工艺开发与优化、以及规模化生产与纯化。每一阶段都有其独特的 工艺目标、流程设计和关键考量，共同确保了最终产品从概念走向市场。 图表：生物制造关键装备与工艺创新概述 # 第二章 生物制造关键装备与工艺创新概述 生物制造的核心在于将基因工程设计的"蓝图"转化为可规模化、可盈利的工业产品。这一转化过程高度依赖于一套复杂、精密且高度集成的关键装备系统，它们是连接科学发现与产业落地的“枢纽”。 # 菌种工程与细胞工厂构建 设计并构建高效、稳定的“细胞工厂”，包括代谢路径设计、基因元件合成与组装、基因编辑与菌株筛选。 $\rightarrow$ 目标产物的代谢路径设计 # 实验室工艺开发与优化 在实验室规模开发并优化生产条件，包括培养基配方优化、发酵动力学研究与放大效应评估。 培养条件与补料策略优化 # 规模化生产与纯化 将实验室成果推向市场，包括上游种子扩增与发酵、在线监测与智能控制，以及下游分离纯化。 高质量产品规模化制备 # 核心价值 装备不仅是技术实现的载体，更是连接科学发现与产业落地的“枢纽”，其性能、可靠性与集成度直接决定了研发效率、生产成本与产品质量。 # （一）第一阶段：菌种工程与细胞工厂构建 这是整个生物制造的源头与基石，其目的是创造出一个能够高效合成目标产物的微生物菌株或细胞系。此阶段主要在实验室完成，其工艺流程高度依赖分子生物学和基因编辑技术。 # 1. 目标产物与合成路径设计 流程：生物信息学分析 $\rightarrow$ 代谢通路设计 $\rightarrow$ 关键元件（基因）选择 作用与效果：在实验开始之前，研究人员首先通过生物信息学工具，分析目标产物（如一种新型材料单体或药物前体）的化学结构，在已知的生物代谢网络数据库中，寻找或设计一条从简单底物（如葡萄糖）到目标产物的最优合成路径。这一过程需要选择高效的催化酶（基因），并可能对天然路径进行优化，如敲除竞争性支路、增强限速步骤的酶活性等，从理论上最大化碳流向目标产物。 图表：常见生物制造底盘细胞选择与目标产物对应关系 底盘细胞 典型代表 适宜生产的目标产物类型/气体底物 传统原核微生物 大肠杆菌 有机醇、氨基酸、有机酸、维生素、天然产物等 枯草芽孢杆菌 核黄素(维生素B2)、表面活性素、乙偶姻、工业酶制剂(如植酸酶) 谷氨酸棒杆菌 各种氨基酸(如L-缬氨酸)、有机酸(如丁二酸)、V-羟基丁酸酯等 真核微生物 酿酒酵母 有机酸、药用蛋白、植物次生代谢产物(如萜烯类、生物碱)、大麻素等 丝状真菌(如黑曲霉) 工业酶制剂(纤维素酶、糖化酶)、大宗有机酸(柠檬酸、苹果酸)、抗生素(青霉素)等 气体发酵与一碳利用底盘 扬氏梭菌等食气梭菌 合成气(CO/CO2/H2) 甲基营养型微生物(如甲醇酵母) 甲醇(CH3OH) 需钠弧菌 氢气(H2)/甲酸(HCOOH)(甲酸可由CO2电还原制得) 甲烷氧化菌 甲烷(CH4) 微藻/蓝藻 二氧化碳(CO2)(利用光能) 植物底盘 烟草、水稻、单细胞微藻等 疫苗、药用重组蛋白、细胞因子等大分子 # 2. 基因元件的合成与组装 流程：DNA合成/PCR扩增 $\rightarrow$ 载体构建 $\rightarrow$ 导入宿主细胞 作用与效果：路径设计好后，需要将其“编码”进生命体。首先，通过化学合成或PCR扩增获得所需的基因片段。然后，利用分子克隆技术（如Gibson组装、GoldenGate等）将这些基因片段像“搭积木”一样，精确地组装到一个“载体”（如质粒）上。这个载体好比一辆“货车”，能将外源基因运载并整合到宿主细胞（如大肠杆菌、酵母）的基因组中，或在其内部稳定存在。最后通过热激、电穿孔等方法将重组载体导入宿主细胞。 # 3. 工程菌株的筛选与表征 流程：转化子培养 $\rightarrow$ 高通量筛选 $\rightarrow$ 摇瓶发酵验证。 作用与效果：基因转化成功率并非 $100\%$ ，因此需要从成千上万个细胞中筛选出成功携带外源基因且表达性能最好的“精英”菌株。初筛通常基于抗性标记。 随后，利用自动化工作站和高通量分析技术（如微孔板检测仪），快速检测大量候选菌株的目标产物产量。将筛选出的少数顶级菌株在摇瓶中进行小规模培养，进一步验证其生长稳定性、产物合成能力和遗传稳定性。此环节的输出，是一个有潜力的“工程菌种库”。 # 4. 菌种进化与迭代优化 流程：适应性实验室进化 $\rightarrow$ 理性设计再优化 $\rightarrow$ 最终底盘细胞确定 作用与效果：初代工程菌株往往不尽完美。研究人员会通过“适应性实验室进化”方法，让菌株在特定压力下（如高产物浓度）连续传代，自然筛选出耐受性更强的突变体。同时，结合第一轮的表征数据，进行新一轮的理性设计，对代谢路径进行“微调”，如调整基因表达强度、平衡辅因子等。经过多轮“设计-构建-测试-学习”循环，最终获得一株满足工业化基本要求的高性能底盘细胞。这是整个工艺链条的起点，其性能上限在很大程度上决定了后续所有工艺的效率和经济性。 # （二）第二阶段：实验室工艺开发与优化 获得高性能菌种后，下一步并非直接投入大生产，而是要在实验室规模下，为这株菌“量身定制”最优的生长和生产环境。此阶段的目标是探索和确定影响产量和质量的关键工艺参数。 # 1. 培养基与培养条件的优化 流程：培养基组分筛选 $\rightarrow$ 培养条件（温度、 $\mathrm{pH}$ 、溶氧）单因素实验 $\rightarrow$ 多参数统计优化（如响应面法）。 作用与效果：菌株如同庄稼，需要合适的“土壤”和“气候”。研究人员会系统性地测试不同碳源、氮源、无机盐、生长因子等对菌体生长和产物合成的影响。同时，精确控制培养过程中的温度、酸碱度和溶氧水平，这些是影响细胞代谢状态的关键物理参数。通过统计学实验设计方法，可以高效地找到多个参数之间的最佳组合点，显著提高优化效率。此环节确定了菌株实现高密度培养和高产量合成的基础配方和操作窗口。 # 2. 发酵动力学研究与过程策略制定 流程：批次发酵实验 $\rightarrow$ 补料分批发酵开发 $\rightarrow$ 诱导策略优化 作用与效果：仅仅有静态的配方还不够，必须动态地管理发酵过程。通过分析菌体生长、底物消耗和产物生成的动力学曲线，研究人员制定关键的过程控制策略。 补料策略：为了避免底物抑制或碳源耗尽，需要以特定速率流加浓缩的营养物，维持菌体的高效代谢。这是高密度发酵的核心。 诱导策略：对于受严格调控的外源基因表达系统，需要在菌体生长到合适密度时，通过加入诱导剂来“启动”产物的合成，使菌体生长和产物合成两个阶段实现最佳配合。此环节的输出，是一套详细的发酵过程控制方案，如何时补料、补多少、何时诱导等。 # 3. 放大效应评估与小试/中试： 流程：从摇瓶到实验室发酵罐 $\rightarrow$ 再到中试发酵罐。 作用与效果：在摇瓶中获得的最佳条件，在大型发酵罐中未必能重现。这是因为大规模下，混合不均匀、溶氧传递和热量移除等问题会凸显，即“放大效应”。因此，工艺需要在体积逐步增大的生物反应器（如 $5\mathrm{L} \rightarrow 50\mathrm{L} \rightarrow 500\mathrm{L}$ ）中进行验证和调整。中试是连接实验室与工厂的桥梁，其目的不仅是验证工艺的稳定性，还要生产出足够量的样品进行下游纯化测试和产品质量评估，同时为大型工厂的设计提供关键工程数据。 # （三）第三阶段：规模化生产与纯化 此阶段是将优化的实验室工艺在工厂规模稳定运行，并将目标产物从复杂的发酵液中高纯度、高收率地分离出来，制成符合标准的产品。 # 1. 规模化发酵/细胞培养 流程：种子扩增 $\rightarrow$ 主发酵罐接种 $\rightarrow$ 过程精确控制与监测 $\rightarrow$ 发酵终止与收获 作用与效果：首先，将保藏的菌种逐级放大培养，获得足够数量、活性高的种子液，接种到几吨甚至上百吨规模的主发酵罐中。随后，自动化控制系统严格按照小试/中试确定的工艺参数，对温度、pH、溶氧、补料等进行精确控制。先进的过程分析技术在线监测关键变量，确保每批产品的质量一致性。发酵结束后，通过冷却或加入抑制剂终止反应，并将发酵液输送至下游工序。 # 2. 分离纯化 这是生物制造中技术最复杂、成本最高的环节，通常包括多个单元操作，旨在“去芜存菁”。 # (1) 初级分离（固液分离） 流程: 发酵液 $\rightarrow$ 细胞破碎（如需胞内产物） $\rightarrow$ 离心/过滤 作用: 去除菌体细胞、细胞碎片和不溶性杂质, 获得澄清的含有目标产物 的料液。 # (2) 深度纯化（精制） 流程：澄清料液 $\rightarrow$ 层析色谱 $\rightarrow$ 超滤/透析 $\rightarrow$ 浓缩 作用：这是纯化的核心。层析色谱根据目标产物与杂质在大小、电荷、疏水性或特异性亲和力上的差异，进行高分辨率的分离。通常会串联多种不同原理的色谱柱，逐步提高产品纯度。超滤用于更换缓冲液、去除小分子杂质并浓缩产品。 # (3) 精制与成品化 流程：纯化后产品 $\rightarrow$ 病毒去除/灭活（生物药必需） $\rightarrow$ 结晶/喷雾干燥/冻干 作用：确保产品绝对安全（如去除病毒），并制成稳定的剂型（如晶体、粉末），便于储存、运输和使用。 # 3. 三废处理与循环工艺 流程：废液/废渣收集 $\rightarrow$ 无害化处理 $\rightarrow$ 资源回收 作用与效果：生物制造过程会产生大量发酵残渣和高浓度有机废水。建立高效、环保的废水处理和废物资源化利用工艺（如生产沼气、有机肥），是实现绿色制造、降低环境成本和提升全流程经济性的重要一环。 生物制造的工艺流程是一个系统工程，上游发酵的微小波动会显著影响下游纯化的难度和收率。因此，工艺开发越来越强调上下游一体化考量，比如说通过基因工程手段使产物分泌到胞外，就能极大简化下游分离步骤。 未来，随着连续制造和数字化技术的发展，上述批次式的工艺流程将向一体化、连续化的“连续发酵”模式演进。通过实时感知和智能控制，将各个工艺单元无缝衔接，实现从原料到产品的连续流动，这将大幅提高生产效率、减少场地和设备投资、并更好地保证产品质量的均一性，最终真正释放生物制造颠覆传统生产方式的巨大潜力。 # 二、生物制造研发设计环节关键装备解析 生物制造的起点是对生命体进行设计与改造。这一环节在实验室内完成，核心目标是快速、高效地获得高性能的工程菌种或细胞株。其装备特点是小规模、自动化、高通量。主要涉及到以下装备： # （一）基因编辑与合成系统 核心装备：DNA合成仪、DNA测序仪、PCR仪、基因电转仪/电穿孔仪、微量分光光度计。 功能与重要性：DNA合成仪是“书写”基因的工具，能够按需合成基因片段；DNA测序仪是“阅读”基因的工具，用于验证编辑结果；PCR仪用于基因片段的扩增；基因电转仪等则将构建好的基因载体导入宿主细胞。这些设备的精度和效率直接决定了菌种构建的起点高度。 # （二）高通量筛选与表征平台 核心装备：比如自动化液体处理工作站、多功能微孔板检测仪、流式细胞仪、高通量发酵罐（如微孔板生物反应器、微型生物反应器）。 功能与重要性：当获得数以万计的重组菌落后，需要快速筛选出性能最优的个体。自动化液体处理工作站可实现移液、稀释、分装等操作的无人化；微孔板检测仪和流式细胞仪可快速检测细胞的生长、代谢产物等指标；高通量发酵罐则能在毫升甚至微升级别模拟发酵过程，并行测试数百个菌株的性能，将筛选周期从数月缩短至数周，是加速DBTL循环的关键。 # （三）人工智能与数据平台 核心装备/软件：生物信息学软件、AI驱动的蛋白质设计平台、实验室信息管理系统。 功能与重要性：这不是传统意义上的“硬件”，但已成为现代研发的核心。AI平台可基于海量数据预测蛋白质结构、优化代谢通路设计，大幅减少盲目试错。LIMS系统则管理整个研发过程中产生的海量数据，确保数据可追溯、可分析。 # 三、生物制造规模生产环节关键装备解析 获得高性能菌种后，下一步是将其在可控的环境下进行大规模培养，以生产目标产物。这是从“实验室克级”到“工厂吨级”的飞跃，核心装备是各种类型的生物反应器。 # （一）核心装备：生物反应器/发酵罐 按规模：实验室规模（1-100L）、中试规模（100-1000L）、生产规模 $(>1000\mathrm{L})$ 。 按技术：目前来说，不锈钢发酵罐是传统主流，耐用、可大规模生产，但清洗灭菌（SIP/CIP）流程复杂，存在交叉污染风险。一次性生物反应器使用预灭菌的塑料袋代替不锈钢罐体，灵活性高、无交叉污染风险、大幅减少清洁验证时间，特别适用于多产品共线生产的CDMO企业和细胞治疗产品生产，已成为主流趋势。 按细胞类型：微生物发酵罐（细菌、酵母）通常要求高溶氧、耐高温高压；动物细胞生物反应器则需要更温和的搅拌（如波浪式、气升式）以保护脆弱的细胞膜。 一个先进的生物反应器不仅是罐体，更是一套集成了精确的温度、 $\mathrm{pH}$ 、溶氧（DO）传感器、智能搅拌系统、自动补料系统和先进控制系统的复杂工程装备。其控制精度直接决定了产物产量和质量。 # （二）监测与过程分析装备 核心装备：拉曼光谱仪、细胞密度仪、尾气分析仪 功能与重要性：传统取样检测存在滞后性。这些在线仪器可实时监测培养液中的底物、产物、代谢物浓度以及细胞生长状态，为过程控制提供即时数据支撑，是实现从“经验控制”到“数据驱动控制”工艺升级的关键，也是迈向连续制造的基础。 # 四、生物制造分离纯化环节关键装备解析 发酵或培养结束后，得到的培养液是成分复杂的混合物，下游纯化的任务是将目标产物（如蛋白质、脂类等）高效、高收率地分离纯化出来，并确保其符合药品或材料的质量要求。此环节技术门槛高，成本约占整个生产成本的 $30\% - 40\%$ 。 # （一）初级分离阶段 核心装备：离心机（碟片式离心机）、深层过滤系统、切向流过滤系统 功能与重要性：主要任务是实现固液分离，去除细胞碎片和大的杂质，获得澄清的料液。大规模生产需要连续流、高处理量的离心和过滤设备。 # （二）深度纯化阶段 核心装备：色谱系统/层析系统 功能与重要性：这是下游纯化的核心，堪称生物制造的“灵魂”。其原理是利用目标产物与杂质与色谱填料（层析介质）结合力的差异进行分离。液相色 谱系统及其核心色谱柱是获得高纯度产品的关键。层析系统的规模、精度和自动化水平直接影响产品的收率和纯度。 # （三）精制与成品制备 核心装备：超滤/透析系统、病毒过滤器、结晶罐、冻干机等 功能与重要性：超滤用于脱盐、换液和浓缩；病毒过滤是生物药安全生产的强制性步骤，确保去除潜在病毒；冻干机则将液态产品制成稳定的粉末状制剂，便于储存和运输。 # （四）色谱填料/层析介质环节 色谱填料是色谱系统的“心脏”，是一种具有特定表面化学性质和孔径的高精度微球。其性能（如载量、分辨率、耐压性）决定了纯化工艺的优劣。 色谱介质（如ProteinA填料用于抗体纯化）技术壁垒极高，长期被Cytiva、赛默飞等国际巨头垄断，是国产化进程中“最难啃的骨头”，也是产业链供应链安全的关键风险点。 # 五、生物制造生产辅助系统与关键耗材 除了上述核心工艺设备，一套完整的生物制造流程还依赖于众多辅助系统和不可或缺的耗材。 # （一）流体处理与工程系统 核心装备：配液系统、洁净公用工程系统（纯化水/注射用水制备系统、纯蒸汽发生器）、清洁灭菌系统（CIP/SIP站）。 功能与重要性：它们为生产过程提供符合质量要求的介质、水和清洁环境，是确保产品质量符合GMP法规的基石。其设计与集成水平直接影响工厂的运营效率和合规性。 # （二）关键耗材 相关耗材：包括一次性生物反应袋、膜包、管路、连接器、过滤器等。它们与一次性技术相伴而生，构成了巨大的市场。其质量（如可提取物/浸出物水平）直接关系到药品安全。 细胞培养基：是细胞生长的“食物”，尤其是成分明确的无血清培养基，其配方复杂，对细胞生长和产物表达至关重要，是细胞培养领域的核心技术和成本中心之一。 可以说，生物制造产业链的装备体系是一个环环相扣、技术密集的生态系统。从研发端的高通量、智能化，到生产端的大型化、精密化，再到纯化端的高分辨率、高收率，每一项装备的进步都推动着整个产业的升级。 当前，国产装备已在生物反应器、一次性技术等中端领域取得显著突破，但在色谱填料、精密传感器、核心软件及某些特殊耗材上仍面临严峻挑战。未来，装备的一体化、智能化、连续化将是明确趋势，而突破关键材料与部件的“卡脖子”问题，实现产业链的自主可控，是中国从生物制造大国迈向强国的必由之路。这是下一章要具体讨论的问题。 # 六、生物制造中试平台，跨越“死亡谷”的产业加速器 在生物制造从实验室的“0到1”创新迈向产业化的“1到N”规模化过程中，存在一个众所周知的“死亡谷”——即大量技术成果因无法完成从实验室小试到工业化大生产的跨越而夭折。中试平台正是架设在这道鸿沟之上、连接研发与产业的唯一桥梁，其作用不仅是“放大”，更是对技术、工艺、装备和经济的系统性验证与优化，具有不可替代的战略价值。 图表：生物制造中试平台价值 # （一）从技术验证到产业化的多维度桥梁 中试平台并非简单的设备放大，而是一个集成了工艺开发、工程验证、装备测试和经济性评估的综合性系统。其核心功能可归纳为以下四个不可替代的方面： # 1. 工艺放大与熟化的核心载体 实验室的毫升级、升级反应条件在放大到吨级、十吨级乃至百吨级时，流体力学、传质传热、混合效率等物理化学环境会发生质变，导致菌种代谢行为、产物得率、副产物生成等关键指标与实验室数据严重偏离。中试平台的核心任务就是解决“放大效应”。 美国敏捷生物工厂（ABF）、英国过程创新研究中心（CPI）、欧洲生物基地中试工厂（BBEPP）等全球顶级平台，均配备了从300升到75,000升不等的模块化发酵与分离纯化系统。它们通过系统的逐级放大实验，建立可靠的工艺放大模型，优化关键参数（如pH、温度、溶氧、补料策略），使工艺从“可行”变为“稳定、高效、可重复”，为最终的设计产能提供精确的工程数据包。这正是文档中强调的“工艺放大熟化”和“性能工艺改进”功能。 # 2. 降低产业化风险的“防火墙” 直接进行大规模工业化投资风险极高。中试平台以相对可控的成本（远低于建设全规模生产线），在接近真实生产的环境中进行全流程测试，提前暴露并解决潜在问题。 中试步骤可以验证原料的工业级可获得性、杂质对工艺的影响、三废处理方案的可行性等。也可以测试特定生物反应器、分离纯化设备（如层析系统、膜过滤）对目标工艺的适配性、可靠性和长期运行稳定性。中国在生物反应器、精密分离纯化设备、传感器等方面对外依存度高，中试平台是验证国产装备性能、推动其迭代升级的关键场景。 通过中试运行，可以相对准确地测算原材料单耗、能耗、工时、设备折旧等关键成本，进行初步的技术经济分析（TEA），评估项目的商业可行性，避免盲目投资。 # 3. 验证与赋能关键装备的“试金石” 中试平台是国产设备从“能用”到“好用、可靠”的必经之路。在验证国产不锈钢生物反应器的传质效率、控温精度、在线灭菌（SIP）可靠性，或测试国产层析介质的载量、寿命和分离效果方面，中试是不可或缺的一环。 中试放大亦可建立新工艺与新装备的协同创新机制，对于连续发酵、气体发酵（如 $\mathrm{CO}_{2}$ 、甲烷）等前沿工艺，其所需的特殊装备（如细胞截留装置、高气液传质反应器）更需要在中试规模上进行联合开发和验证。比如美国BioMADE资助的项目，就聚焦于开发更高效、灵活、可重新部署的生物反应器这正是中试平台驱动装备创新的体现。 # 4. 衔接“产学研用”、培育复合型人才的枢纽 中试平台天然地成为连接高校/科研院所（知识创新）、企业（市场需求）和工程团队（工艺实现）的物理枢纽。 其一是加速成果转化，高校的实验室菌株和初步工艺，在中试平台上由工程师进行工程化开发和优化，形成可供企业直接使用的“工艺包”。文档中华东医药、川宁生物、嘉必优等企业，均建立了内部或合作的中试平台，以加速其研究院成果的产业化。 其二是培养产业人才，中试过程是培养既懂生物学原理又熟悉工程放大、既了解研发又懂得生产的复合型人才的最佳实践基地。文档指出，中国面临“跨学科复合型人才短缺”的挑战，中试平台正是解决这一问题的关键环节。 # 5. 全球各国生物制造中试平台的战略布局 全球主要经济体均将中试平台建设视为国家生物制造竞争力的核心基础设施。 比如美国，通过BioMADE（生物工业制造和设计生态系统）构建分布式、网络化的中试与制造设施，其目标是“3个月内扩大生物过程生产”，体现了对快速中试放大能力的极致追求。ABF则作为国家实验室联合体，为公私部门提供开放的生物制造平台。 欧盟则通过Pilots4U等项目，系统性地整合了欧洲范围内的生物经济中试设施，形成网络数据库，高效匹配产学研需求，降低中小企业寻找中试资源的门槛。 中国主要是政府主导生物制造中试平台的建设和运营，北京、上海、深圳、天津、青岛、无锡等多地均在政策中明确支持建设中试验证和成果转化基地。例如，上海市颠覆性技术创新项目按技术成熟度（早期“育种”、中期“育苗”、近期“育材”）分梯度资助，其中“育苗”阶段的核心就是中试放大。山东能源研究院与青岛高新区合作建设合成生物产业技术转化平台；南京大学与无锡共建合成生物学和生物制造研究中心，均包含中试功能模块。 当然，头部企业亦在加紧布局。如华熙生物在天津建成了全球最大的中试成果转化中心，具备“平台化”和“柔性化”特点，平台拥有64条中试生产线，配备了国内领先的发酵、分离、纯化与精制系统，是全球规模最大、体系最完整的同类平台之一。该平台采用了“模块化”和“抽屉式”的先进设计理念，实现了生产线的快速重组与灵活配置，能够高效承接医药级、护肤品级、食品级等多种标准的中试及小规模商业化生产。同时，平台以开放共享的模式面向全社会提供服务，构建了从概念验证、工艺研发、中试验证到产业孵化的全链条 服务体系。平台已成功实现30余项生物活性物质的产业转化与市场转化，内部项目中已有18项实现产业化，创造营业收入超4000万元。项目平均仅需3个月即可完成从实验室到中试的跨越，显著加速了科技成果的产业化进程。 其他如嘉必优、华东医药、川宁生物等也建立了覆盖全链条的中试与生产基地。 图表：工信部公布全国首批 43 家生物制造中试能力建设平台的名单 序号 所在省份 平台依托单位名称 主要服务领域 服务能力星级 1 北京市 北京昭衍生物技术有限公司 生物制药 ☆☆ 2 天津市 天津大学合成生物前沿研究院 生物制药 ☆☆☆☆ 3 天津市 中国科学院天津工业生物技术研究所 食品及添加剂、生物制药、酶制剂 ☆☆☆☆☆ 4 天津市 华熙生物科技（天津）有限公司 食品及添加剂、生物制药、化妆品 ☆☆☆☆☆ 5 河北省 北京化工大学秦皇岛环渤海生物产业研究院 生物化工 ☆☆☆☆ 6 内蒙古自治区 内蒙古工业大学 食品及添加剂、生物制药 ☆☆☆ 7 辽宁省 大连普瑞康生物技术有限公司 植物底盘细胞开发 ☆☆☆☆ 8 吉林省 长春生物制品研究所有限责任公司 生物制药 ☆ 9 黑龙江省 黑龙江新和成生物科技有限公司 食品及添加剂 ☆☆ 10 黑龙江省 国投先进生物质燃料（海伦）有限公司 生物能源、木质纤维素利用 ☆ 11 上海市 上海合创绿洲生物科技有限公司 生物化工 ☆ 12 上海市 弈柯莱生物科技（集团）股份有限公司 食品及添加剂 ☆☆☆ 13 上海市 昇合建物（上海）生物科技有限公司 食品及添加剂、生物制药 ☆ 14 江苏省 微康益生菌（苏州）股份有限公司 食品及添加剂 ☆☆☆ 15 江苏省 南京诺唯赞生物科技股份有限公司 酶制剂 * * * 16 江苏省 苏州沃美生物有限公司 食品及添加剂、生物制药 * * * * * 17 江苏省 南京师范大学常州合成生物学产业研究院有限公司 食品及添加剂、化妆品 * * * 18 浙江省 国科温州研究院 生物制药 ★ 19 浙江省 浙江传化益迅新材料有限公司 食品及添加剂、生物化工 * * 20 浙江省 浙江省海洋开发研究院 食品及添加剂 ★ 21 安徽省 安徽华恒生物科技股份有限公司 食品及添加剂、生物化工 * * * 22 安徽省 合肥综合性国家科学中心大健康研究院 生物制药 * * 23 福建省 翔安创新实验室 生物制药 * * 24 江西省 江西省微藻资环技术产业有限公司 食品及添加剂、植物底盘细胞开发 * * 25 山东省 齐鲁制药有限公司 生物制药 ★ 26 山东省 山东隆科特酶制剂有限公司 酶制剂 * * * 27 山东省 山东大学 食品及添加剂、酶制剂 ★ 28 河南省 河南成果转化生物科技有限公司 食品及添加剂、酶制剂 * * * * * 29 湖北省 湖北大学 生物化工、酶制剂 ★ 30 湖北省 华中农业大学 生物制药、酶制剂 ★ 31 湖北省 安琪酵母股份有限公司 食品及添加剂、酶制剂 * * 32 湖北省 嘉必优生物技术(武汉)股份有限公司 食品及添加剂 * * 33 湖南省 楚天科技股份有限公司 生物制药 * * * * * 34 湖南省 湖南生物制造中试基地有限公司 食品及添加剂、生物制药、酶制剂 * * * * 35 广东省 慕恩（广州）生物科技有限公司 食品及添加剂 ☆☆☆☆ 36 广西壮族自治区 南宁汉和生物科技股份有限公司 食品及添加剂、生物制药 ☆☆☆☆ 37 海南省 三亚华大生命科学研究院 生物化工 ☆ 38 重庆市 重庆安赛搏新材料技术有限公司 植物底盘细胞开发 ☆ 39 四川省 成都雅途生物技术有限公司 生物制药 ☆☆☆ 40 四川省 成都金开生物工程有限公司 食品及添加剂、化妆品、酶制剂 ☆☆☆ 41 云南省 中国医学科学院医学生物学研究所 生物制药 ☆☆☆☆ 42 宁夏回族自治区 宁夏中科生物新材料有限公司 生物化工 ☆☆☆ 43 新疆维吾尔自治区 伊犁川宁生物技术股份有限公司 生物制药、化妆品 ☆ # （二）生物制造中试平台建设运营进入2.0时期 调研发现，生物制造中试平台作为连接实验室研究与产业化生产的关键桥梁，正经历从“应需而建”的1.0时期到“精耕细作”的2.0时期的深刻转型。这一转变的核心逻辑反映了行业发展重心的根本性转移。在政策驱动下的1.0时期，中央与地方政府密集出台支持政策，推动了一批中试平台的快速建设。工信部等部门明确设立了到2027年培育20个以上国家级平台、建成300个地方平台的目标，并已公示首批43家生物制造中试能力建设平台名单。多地政府投入巨资布局，如广东省投资2.2亿元建设合成生物制造中试平台。然而，这一阶段的建设多以政府与科研院所主导，缺乏市场化运营经验，导致了重复建设、资源错配的问题。许多平台沦为“固定资产黑洞”，设备昂贵却利用率低下，难以实现可持续运营。 1.0 时期的困境不仅在于硬件投入的盲目性，更在于人才体系的缺失。中试环节需要既懂科学研究又通工程实践的复合型人才，而行业普遍面临“高级发酵工程师”的短缺。许多平台因缺乏专业工艺工程师，导致项目延期率高达 $40\%$ 。科研人员的确定性思维与发酵过程的高度不确定性之间存在显著矛盾，成为成果转化的瓶颈。 进入2.0时期，核心任务从硬件堆砌转向精细化运营与价值创造。这一阶段强调通过兼容性、柔性化的平台设计，提高设备利用效率，降低运营成本。 平台建设不再追求规模最大，而是注重适配性与灵活性，例如采用数字化柔性生产线设计，以支持多类物质的中试实验和小规模商业化生产。 2.0时代的平台更注重发挥行业链接器、孵化器和加速器的作用。成功的平台正通过“技术入股+服务收费”等市场化模式，深入产业一线挖掘需求，为初创企业提供工艺验证服务，并通过孵化产品获得收益分成。例如，某国家级化妆品中试平台通过这种模式实现年营收超千万元，形成了自我造血能力。 从行业案例看，安及义在此方向作出了关键探索，其创新打造了“三位一体”生物反应器技术体系，融合反应器数字孪生应用、全周期高性能装备及工艺自动化与AI智能化，并于2026年在杭州建成纯商业化小试&中试服务平台，将科学-工程-产业深度融合，不仅破解了工艺放大中的关键瓶颈，更进一步推动中国生物工艺服务&核心装备向科技化、高质量方向发展，提升中国生物制造国际竞争力。 我们认为，生物制造中试平台的发展将更加注重产业链协同，通过整合上下游资源，形成跨领域创新网络，成为培育新质生产力的重要基础设施。只有实现从“物理空间”到“生态平台”的转变，中试平台才能真正打通科技成果转化的“最后一公里”。 # 第三章 生物制造关键装备国产化进程、格局与竞争力评估 # 一、通用生命科学仪器装备从全面进口到持续突破的演进 论述生物制造关键装备必须论及通用生命科学通用仪器装备，因为其为整个生物技术行业的核心支撑。生命科学仪器是支撑生物制造研发、疾病诊断、药物生产及基础研究的核心工具与基础设施，其范畴广泛，包括但不限于质谱仪、色谱仪、光谱仪、基因测序仪、流式细胞仪、生物反应器、细胞培养系统、高通量筛选平台以及相关的试剂、耗材（如培养基、层析填料、过滤膜）等。这些精密设备与材料构成了现代生命科学研究的“眼睛”和“双手”，其技术水平直接决定了一个国家在生物经济时代的创新上限与产业安全。 很长一段时期内，全球生命科学仪器市场由赛默飞世尔（ThermoFisher）、丹纳赫（Danaher）、安捷伦（Agilent）、沃特世（Waters）、赛多利斯 (Sartorius)、默克（Merck）等跨国巨头主导。根据中信证券、天风证券等多份研究报告综合显示，中国生命科学仪器市场超过 $80\%$ 的份额被进口品牌占据，在精密仪器领域，进口依赖度甚至一度超过 $90\%$ 。这种高度依赖的格局，不仅使我国科研与产业成本高昂、供应链脆弱，更在关键技术上存在被“卡脖子”的风险。然而，近年来，在政策强力驱动、市场需求倒逼以及国内企业不懈创新 的多重因素作用下，生命科学仪器的国产化进程正在加速，从“可用”到“好用”，并在部分领域实现了从“跟跑”到“并跑”甚至局部“领跑”的突破。 图表：通用生命科学仪器装备从全面进口到持续突破的演进 # （一）巨大缺口与历史性机遇并存 # 1. 进口替代需求迫切 中国已成为全球生命科学领域增长最快的市场之一。根据观研报告网数据，2021年全球生命科学仪器市场规模达608.5亿美元，预计到2030年将超过1000亿美元，年复合增长率约 $5.4\%$ 。亚太地区是增长最快的市场，而中国是其中的主要驱动力。中国在生物制药、精准医疗、基因检测、生物制造等领域的投资与研发投入持续高速增长，为上游仪器设备带来了海量需求。然而，与巨大需求形成鲜明对比的是极低的国产化率。根据重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台统计数据，2016-2019年我国大型科研仪器整体进口率超过 $70\%$ ，其中分析仪器（色谱、光谱、质谱等）的进口率超过 $80\%$ 。当然，目前产业国产化率已经提升，基本保持在 $65\%$ 以上。 # 2. 国产化上升为国家战略 近年来，从国家顶层设计到部委具体政策，推动科学仪器国产化已成为明确的战略方向。政策支持从“鼓励采购”向“优先采购”乃至“必须采购”深化。 立法与规划层面，2021年修订的《中华人民共和国科学技术进步法》明确规定，在功能、质量满足需求的前提下，政府采购应当优先购买国产产品。国 家“十四五”规划及《“十四五”生物经济发展规划》等文件均明确提出要加强科研仪器设备研发制造。 采购指导与财政支持方面，2021年财政部、工信部发布的《政府采购进口产品审核指导标准》（2021年版）具有里程碑意义。该标准对大量科学仪器设备明确了国产采购比例建议，例如离子色谱仪、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等建议 $100\%$ 采购国产；液相色谱串联质谱仪（LC-MS/MS）、高效液相色谱仪（HPLC）等建议按比例采购国产。此外，针对研发机构采购国产设备全额退还增值税等税收优惠政策持续执行，降低了用户采购国产设备的成本。 专项支持与贴息贷款方面，国家自然科学基金委长期设立“国家重大科研仪器研制项目”，支持原创性仪器研发。2022年，国家推出设备更新改造专项再贷款与财政贴息政策，总额度超1.7万亿元，贴息后实际贷款利率可低至 $0.7\%$ 以下，强力刺激了高校、医院、企业等领域对仪器设备的更新需求，为国产设备进入提供了宝贵窗口期。 # 3. 外部环境倒逼中国供应链安全意识觉醒 全球贸易摩擦与科技竞争加剧了供应链的不确定性。美国将包括质谱仪在内的部分科学仪器纳入出口管制清单，并可能征收高额关税。这使得国内用户深刻认识到过度依赖进口供应链的风险。调研发现，贸易摩擦和出口管制加速了下游客户对国产设备的验证和采纳进程。疫情期间，国际物流受阻、海外厂商供货周期大幅延长（从3-6个月拉长至9-12个月），进一步凸显了本土供应在交付时效、售后服务响应上的优势。供应链安全已从“可选”项变为“必选”项，成为国产替代的核心驱动力之一。 # （二）创新与国产替代的驱动逻辑与核心挑战 国产化不仅仅是整机替代，更包括核心部件、关键耗材的自主可控。国内正在形成从零部件（如分子泵、激光器、检测器）、到整机、再到应用解决方案的初步生态。例如，在生物工艺领域，多宁生物、乐纯生物、奥浦迈等企业正在构建涵盖培养基、一次性耗材、生物反应器的完整解决方案。 我们的采访发现，科学仪器是精密机械、电子工程、软件算法、光学、化学等多学科交叉的结晶，其可靠性、稳定性、重复性、易用性需要长期的技术积淀和大量的工程化迭代。国产仪器在基础原理创新、核心部件（如质谱的质量分析器、高灵敏度检测器、高性能激光器）、底层软件算法等方面仍存在短板。 品牌认知与用户习惯方面，科研用户对数据质量要求极高，且发表论文时使用国际知名品牌仪器更具“公信力”，形成了强大的用户习惯和品牌依赖。改 变这一惯性需要国产仪器提供经得起反复验证的卓越性能和海量的成功应用案例。 在制药、临床诊断等强监管领域，仪器设备的变更需要复杂的验证流程，并可能影响已获批的工艺流程或检测方法，替换成本高、风险大，形成了较高的市场准入壁垒。 # （三）重点通用品类国产化进展深度分析 下面就生物制造及相关产业通用的重点仪器设备品类进行分析。 # 1.质谱仪 质谱仪因技术复杂度高、应用范围广，被誉为“科学仪器的皇冠”。它广泛应用于生物制造（蛋白质组学、代谢组学）、临床诊断、环境监测、食品安全、药物研发等领域。 中国质谱仪市场长期被赛默飞、安捷伦、沃特世、丹纳赫（旗下SCIEX）等公司垄断。根据中信证券报告，2020年前后，我国质谱仪进口依赖度高达 $74\%$ ，贸易逆差显著。尽管近年来国产化率有所提升，但信达证券报告指出，2025年一季度，在液质联用（LC-MS）、高分辨质谱等市场，赛默飞、安捷伦、丹纳赫等Top7外资企业仍合计占据超 $80\%$ 份额。前瞻产业研究院数据显示，2023年国内质谱仪市场规模约167亿元，但国产厂商份额仍较低。 受访者对动脉网表示，国内企业正从专用领域向通用市场突围。国产质谱仪多采取“从专用到通用、从低端到”的策略。首先在环境监测、工业过程分析等对绝对精度要求相对宽松、但需求量大且政策驱动强的领域站稳脚跟，积累技术、资金和品牌口碑，再逐步向对灵敏度、分辨率、稳定性要求极高的生命科学、临床质谱等高地进军。同时，通过并购（如聚光科技早年收购吉天仪器）整合技术，也是快速补强的手段。 # 2.色谱仪 色谱仪（包括气相色谱 GC、液相色谱 HPLC/UHPLC、离子色谱 IC 等）是实验室的“工作母机”，应用最为广泛。其国产化基础相对较好，但市场仍被外资主导。 安捷伦、沃特世、赛默飞、岛津占据全球主要市场。根据相关数据，2020年中国色谱仪市场规模约110亿元，国产化率约 $30\%$ 。其中，液相色谱仪的进口依赖度尤其高，约 $90\%$ 的市场被外资品牌占据。截至2025年底，相关市场规模为230亿元，国产化率为 $55\%$ 。 国产色谱仪在泵的精度与耐用性、检测器的灵敏度与线性范围、自动进样器的精度、以及色谱数据系统（CDS）软件的易用性与合规性方面，与国际顶尖水平仍有差距。然而，在制药行业集采控费、成本压力增大的背景下，性价比高、服务响应快的国产色谱系统在仿制药一致性评价、原料药中间体检测等环节迎来了替代机遇。海关数据显示，近两年液相色谱和气相色谱的进口金额已呈现下滑趋势，贸易逆差收窄，表明国产替代正在发生。 # （四）国产企业的发展路径与策略 综合调研发现，国内科学仪器企业的发展模式主要呈现以下几种路径： 1.“单点突破，横向拓展”模式。企业在某一细分单品或技术领域做到国内领先，然后利用积累的技术和客户资源，向相关品类扩张。 2.“专用切入，进军通用”模式。避开外资优势明显的通用分析仪器红海，选择环境、食品安全、工业过程等有明确政策驱动和国产化需求的专用领域切入，建立根据地后再向通用仪器进军。这正是许多国产质谱、色谱厂商选择的道路。 3.“整合并购，生态构建”模式。通过资本市场运作，快速整合技术、产品和市场资源。 4.“深耕耗材，反向赋能”模式。在生物工艺领域，企业从培养基、一次性耗材等“消耗品”入手。这些产品虽然单价不如设备高，但使用量大、复购率高，且是生产工艺的关键组成部分。通过耗材切入，可以深度绑定客户工艺，积累know-how，进而为未来提供包括设备在内的整体解决方案奠定基础。 中国生命科学仪器的创新与国产替代正处在历史性的关键窗口期。这是一场由“政策推力”、“市场拉力”、“安全压力”和“技术动力”共同驱动的系统性工程。 短期来看（1-3年），国产替代将在政策明确导向的领域（如政府、高校、疾控采购）、对成本敏感的应用场景（如工业质检、常规检测）、以及供应链安全要求高的战略性环节（如生物制造关键耗材）取得快速进展。中低端仪器的国产市场份额将显著提升，部分仪器开始进入标杆用户进行验证。 中期来看（3-5年），随着研发投入的持续加大（中国R&D经费投入强度已超过欧盟平均水平）和“设计-构建-测试-学习”（DBTL）创新循环的加速，国产仪器在核心性能指标上将与国际领先产品的差距进一步缩小。在生物反应器、质谱/色谱等“硬骨头”领域，有望出现1-2款达到国际一流水平、实现批量销售的重磅产品。产业链协同将更加紧密，关键部件“卡脖子”问题得到部分缓解。 长期来看（5-10年），中国有望培育出数家具备全球竞争力的生命科学仪器 平台型企业。它们将不仅在中国市场占据主导地位，更将凭借差异化创新（如更适合亚洲人群的检测方案、更智能化的操作软件、更具成本优势的解决方案）参与全球竞争。国产仪器生态将趋于完善，从核心部件、整机设备到专业软件、应用方法、售后服务的全链条能力得到建立。 当然，风物长宜放眼量。国产替代的最终成功，不取决于一时的政策红利或市场情绪，而根本在于持续的技术创新、极致的工匠精神、对客户需求的深刻理解以及构建开放共赢的产业生态。需要国家在基础研究、共性技术平台、首台套应用推广上给予更长期稳定的支持；需要下游用户给予更多的信任、试用和反馈机会；更需要企业自身耐得住寂寞，坚守长期主义，在核心技术上深耕不辍。 # 二、生物制造关键装备分品类深度解析，进展、差距与“隐形冠军” 图表：中国生物制造关键装备国产化进程矩阵图 装备类别 具体装备/系统 上游研发(实验室/小试) 中试放大 规模化生产 国产化阶段评估及关键挑战 核心反应设备 不锈钢生物反应器 广泛应用,技术成熟 主流设备,工艺放大的关键 大规模生产(>2000L)的主力设备 已实现替代国产化率约85%(2025年),东富龙、楚天科技、森松国际等企业已能提供成熟产品,在标准型号上与国际水平差距不大。在超大型(如>20,000L)、高精度、特殊材质(如高合金)反应器方面仍有差距。智能化、集成化控制水平待提升。 一次性生物反应器(SUB) 主流选择,灵活便捷 快速工艺开发与转化的核心 在快速切换产品、临床样品生产、部分商业化生产中应用增多 正在突破国产化率仅约5%(2021年),但发展迅猛,目前已超过65%。药明生物(5000L)、乐纯生物、金仪盛世、多宁生物等已实现技术突破并推出产品,正加速替代。核心“卡脖子”环节在于一次性反应袋的膜材。其生物相容性、强度、可焊接性等要求极高,严重依赖进口(如Cytiva、赛默飞)。国产膜材正在攻关。 微型/平行生物反应器系统 高通量菌株筛选与工艺开发的关键工具 用于多条件并行中试优化 较少直接用于生产 严重依赖进口Applikon、Eppendorf、Sartorius等国外品牌占据主导。国内在通量、自动化、数据集成方面差距明显。是DBTL(设计-构建-测试-学习)循环的基石,国产化滞后直接影响源头创新效率。 分离纯化系统 层析系统(色谱系统) 用于小规模纯化与工艺开发 工艺放大验证的关键 大规模纯化的核心,决定产品纯度与收率 正在突破系统集成(硬件)方面,汉邦科技等在中小型生产级设备上已取得较 高市场份额(如小分子领域达39.2%)。但在全自动系统、连续层析系统方面仍落后。最严重的“卡脖子”环节在于层析介质/色谱填料。全球市场近50%被Cytiva占据,国产化率仅约45%。纳微科技、博格隆、赛分科技等正在突破,但在载量、寿命、一致性上与进口产品有差距。 超滤/微滤/纳滤系统 用于实验室浓缩、脱盐、缓冲液置换 工艺参数确定与放大 下游纯化、浓缩、除病毒的关键步骤 严重依赖进口系统硬件国产化有一定进展,但核心滤膜/膜包技术壁垒极高,国产化率约65%。Millipore、Pall、Cytiva等占据市场。科百特等国内企业在部分领域取得进展。滤膜是决定分离效率和产品安全性的核心耗材,其孔径分布、通量、寿命、可重复性等指标要求严苛。 离心机 实验室常用 用于细胞收获、澄清 大规模生产中的初级分离 正在突破在普通离心机领域已实现国产化。但在用于生物制药的工业级连续流离心机、高精度管式离心机等领域,仍以进口品牌(如Alfa Laval,GEA)为主。对无菌设计、分离效率、细胞活性保护、CIP/SIP能力要求高。 过程控制与监测系统 在线传感器(pH、DO、浊度等) 标准传感器已普及 要求更高稳定性和可靠性 要求长期稳定性、抗干扰和易于校准 严重依赖进口过程分析技术(PAT)传感器,如用于实时监测细胞密度、代谢物浓度的拉曼光谱、近红外(NIR)传感器,几乎完全依赖进口(如Metrohm,Hamilton)。是实现智能化、精准发酵的“眼睛”。国产传感器在精度、稳定性、与复杂培养基的兼容性上存在短板。 分布式控制系统(DCS)/SCADA 小型PLC控制 中型自动化系统 全厂级自动化控制系统 正在突破在标准工业控制领域,国产系统(如和利时、中控技术)已有广泛应用。但在专为生物工艺设计的、符合GMP要求的生物过程专用软件平台、数字孪生、AI优化控制系统方面,与西门子、艾默生、罗克韦尔等有差距。生物过程的非线性、复杂性高,需要专用的高级过程控制(APC)和模型预测控制(MPC)算法,国内处于跟随阶段。 关键耗材与原材料 无血清/化学成分限定培养基 研发用种类繁多,部分国产 对批间一致性要求极高 大规模生产,成本与供应稳定性是关键 正在突破培养基是影响细胞生长和产物表达的关键变量,其配方复杂,优化周期长,是典型的Know-how密集型产品。国产化率已超65%(2023年数据)。奥浦迈、多宁生物、健顺等企业在中低端市场已站稳脚跟,并在向、定制化培养基进军。但在某些特殊细胞系(如CHO细胞高密度培养)的顶级配方上,仍 依赖Gibco(赛默飞)、Hyclone(Cytiva)等。 微载体 用于贴壁细胞培养的研发与生产 用于放大工艺开发 大规模疫苗、细胞治疗产品生产 严重依赖进口技术壁垒高,涉及高分子材料合成与表面改性。市场主要被Cytiva、赛默飞等垄断。国产产品在表面修饰、均一性、细胞吸附与扩增性能上仍有差距。 一次性使用系统(SUS)(储液袋、搅拌袋、管路、接头等) 广泛使用 广泛使用 在一次性生产线中全面使用 已实现替代/正在突破市场格局相对分散,国内企业凭借成本和服务优势快速成长,但市场仍由赛多利斯、Cytiva主导。在技术门槛相对较低的袋体、管路制造方面,乐纯生物、多宁生物、楚天科技等已占据相当市场份额(国产化率50%-60%)。但在无菌连接器、验证服务等方面仍部分依赖进口。 数据说明：根据调研信息整理，若有出入请联系我们修改 # （一）生物制造生物反应器系统创新解析 生物反应器系统，作为生物制造过程中细胞工厂的“厂房”与“控制中枢”，是决定产物产量、质量和生产成本的核心物理载体。其性能直接关系到从基因编辑到工业化放大的成败。长期以来，这一领域的尖端技术与市场，尤其是大规模动物细胞培养和发酵系统，被赛多利斯、赛默飞世尔科技、颇尔、阿法拉伐等欧美巨头所主导。然而，近年来，一场深刻的国产替代与自主创新浪潮正在该领域澎湃兴起。 图表：生物制造核心反应设备国产化进展 当然，从国家战略上来说，上位政策亦提供了重要支撑。比如工信部的“揭榜挂帅”机制直接将“大型生物反应器”、“动物细胞大规模培养技术”等列为榜单任务，引导资源聚焦。同时，资本市场对硬科技的热情高涨，使得以东富龙、楚天科技、金仪盛世、多宁生物等为代表的企业，能够获得充足资金用于研发投入、产能扩张和国际人才引进，加速了技术追赶的步伐。 国产生物反应器系统的崛起，首先源于下游生物制药和生物制造产业迫切的“安全与发展”双重需求。大家都知道，地缘政治波动和全球性事件（如新冠疫情）暴露了全球供应链的脆弱性。对于生物制药这类战略性产业，核心生产设备的可及性与连续性关乎国计民生。进口设备面临的潜在断供风险、漫长的交货周期（尤其在大规模不锈钢系统上可达18个月以上）、以及昂贵的售后与耗材成本，成为悬在中国生物制造企业头上的“达摩克利斯之剑”。建立自主可控的生物反应器供应链，成为从国家到企业的战略共识。 另外在成本方面，中国生物制造相关企业，无论是在研发创新型生物药，还是大规模生产生物基材料（如PHA、氨基酸、酶制剂），都面临着激烈的成本竞争和市场内卷。进口不锈钢生物反应器及其自动化控制系统价格高昂，而一次性生物反应袋、传感器等关键耗材的长期采购更是沉重的成本负担。国产设备供应商通常能提供更具竞争力的初始投资价格和显著降低的长期运营成本，这对于追求极致生产成本的工业发酵领域和资金相对紧张的初创生物科技公司具有致命吸引力。 还有一个“近水楼台先得月”的比较优势是，国际巨头在全球化的服务体系下，对中国市场特定、敏捷的定制化需求响应有时不够迅速。国产厂商则凭借地理与文化上的接近性，能够提供更深度的工艺协同开发、更快速的现场支 # B 动脉网 持、以及更灵活的系统定制与改造服务。他们能够与客户工程师团队紧密合作，针对中国本地常见的工艺挑战（如特定培养基成分、本土菌株特性）进行系统优化，这种“贴身式”服务是国际品牌难以复制的竞争力。 报告调研组发现，生物反应器系统的国产替代并非齐头并进，而是在不同技术路径和应用场景上呈现出差异化的突破态势。比如在不锈钢发酵罐/生物反应器方面，主要是从“罐体制造”到“一体化智能解决方案”的跃迁。传统上，国内企业在不锈钢生物反应器的机械制造（罐体）方面已有坚实基础，但在核心传感与控制子系统上严重依赖进口。生物反应器系统近年来的创新主要体现在： 核心部件自主化。国内领先企业如东富龙、楚天科技等，已不再满足于只做罐体。它们通过自研或战略投资，在 $\mathrm{pH}$ 、DO（溶氧）、电导率、活细胞密度等在线传感器领域取得实质性进展，虽然部分传感器（如基于激光技术的活细胞密度探头）与顶尖品牌仍有差距，但已能满足大部分工业化应用需求。 控制系统智能化。基于国产PLC/SCADA系统，开发了面向生物过程的专用控制软件。这些软件不仅实现了常规的PID控制，更开始集成高级过程控制算法、数据批放行功能、以及符合FDA21CFRPart11规范的电子记录。例如，东富龙的“生物过程管理系统”已能实现从单个反应器到整条生产线的集中监控与数据管理。 应用的持续领域拓展。国产大型不锈钢反应器（如50,000升以上）在氨基酸、有机酸、工业酶制剂等传统发酵行业已占据主导地位。如今，正凭借更高的性价比和定制化能力，向疫苗、基因治疗病毒载体、单克隆抗体等更高法规要求的领域渗透，成为国际巨头在中端市场的有力竞争者。 科学驱动的工艺赋能。在生物制药与生物制造工艺放大过程中，行业长期面临“双盲困局”。客户端出于保密，仅能提供表观参数；设备端则依赖传统的“几何相似+经验系数”法进行放大，极易导致从小试到商业化生产时出现性能错位、调试周期长、成本高昂甚至失败的风险。以安及义为代表的创新企业，通过科学的定量表征体系一定程度上破解了这一难题。其核心是通过构建专有的生物反应器（发酵罐）数据库和AndgelX™工艺性能云平台，实现对细胞/菌株生长微环境的精准刻画与预测。这种方法将工艺放大从“经验试错”转变为“数据驱动的科学预测”，能帮助客户在研发阶段就精准匹配不同规模设备所需的操作参数，显著降低失败风险与时间成本。这种技术能力为客户带来了直接价值。我们访谈获悉，在法尼烯的发酵验证中，在安及义设备与工艺优化服务的支持下，其客户首次验证便在92小时内达到146g/L的产量，远超国际同行公开报道的水平。这充分证明了其装备与工艺技术组合在实现高效、高产、低成本的规模化生产方面的巨大潜力。 在动物细胞生物反应器方面，主要是攻克贴壁与悬浮培养的技术堡垒。动物细胞培养是生产单抗、重组蛋白、疫苗等大分子药物的主流方式，技术壁垒最高。国产替代在此领域经历了从“望尘莫及”到“并驾齐驱”的跨越。主要体现在： 波浪式生物反应器取得显著进展。在用于贴壁细胞培养的波浪式生物反应器领域，中国企业实现了从技术跟随到市场领先的转变。通过优化摇动平台设计、改进一次性生物反应袋的膜材与结构，国产设备在细胞生长密度、产物表达量、操作简便性上已达到甚至部分超越国际同类产品水平，并以显著的成本优势，几乎占领了国内大部分疫苗生产和细胞治疗中试市场。 搅拌式生物反应器实现关键突破。在用于大规模悬浮细胞培养的搅拌式生物反应器（尤其是一次性技术）领域，国产替代正处在从“可用”到“好用、可信”的关键期。以金仪盛世、多宁生物、乐纯生物为代表的创新企业，突破了多层共挤膜材制备、袋体设计与焊接、无菌接液技术等核心工艺。其一次性生物反应袋产品已通过多家知名生物药企的工艺验证，并开始用于临床样品的生产。在一次性搅拌器、深层通气系统等关键部件上，也实现了自主设计和生产。 业内人士向动脉网指出，生物反应器系统的真正自主，依赖于上游关键材料和耗材的突破。这是国产替代最深、最难的战场。一次性技术的关键在于薄膜、过滤器、管路。国内企业正全力攻克用于生物反应袋的多层共挤膜，目标是达到与进口产品同等水平的可提取物/浸出物安全性、氧气二氧化碳透过率及机械强度。在除菌级过滤器方面，国产替代也在稳步推进。 再一个是细胞培养基方向的突破，培养基是细胞培养的“粮食”，其成本可占生产成本的 $30\% - 60\%$ 。长期以来，无血清/化学成分确定培养基被少数国际公司垄断。近年来，奥浦迈、健顺生物、多宁生物等国内公司开发了多款适用于CHO、HEK293等常用细胞系的高性能培养基，在蛋白表达量和产品质量上表现优异，已进入众多头部生物药企的供应链，成为降低生产成本、保障供应链安全的关键一环。 目前我们已经可以断言，国产替代正在重塑中国乃至全球生物反应器市场的竞争格局。面对国产化的竞争压力，赛多利斯、赛默飞等巨头正加速其本土化生产与供应链布局，并推出更具价格竞争力的中端产品线。同时，它们更加强调其“一体化解决方案”的软实力，包括工艺开发服务、法规咨询和全球化的验证数据支持，试图巩固其在市场和法规要求最严苛领域的优势。 从国内企业的发展来看，生物反应器系统的竞争还将更加白热化。如东富龙、楚天科技，依托其在制药装备领域的深厚积累和资本实力，正从“设备供应商”全面转向“生物制药整体解决方案提供商”。它们不仅能提供从上游生物 反应器到下游纯化、制剂的全套硬件，还能提供自动化控制和工厂级数字化解决方案，与国际巨头展开全面竞争。 另外如金仪盛世、乐纯生物，则聚焦于一次性技术等细分赛道，通过深度研发，在关键耗材的性能、成本和供应链安全上建立核心优势，成为生物药企供应链中不可或缺的“配套专家”。再者如多宁生物，其业务横跨一次性技术、培养基、实验室产品和服务，旨在构建一个完整的国产细胞培养生态系统，为客户提供“一站式”采购和服务的便利。 尽管成绩斐然，但国产生物反应器系统要实现从“替代”到“引领”，仍面临一些挑战。在最精密的在线过程分析技术（如拉曼光谱用于实时代谢物监测）、以及基于AI/ML的高级工艺控制模型开发上，仍显著落后于国际顶尖水平。部分高性能膜材的专用树脂、传感器的核心芯片等，仍依赖进口。实现全产业链的自主可控，任重道远。 展望未来，国产生物反应器系统的创新将围绕以下几个方向深化： 1. 连续化与智能化。开发适应连续生物制造（CBP）的灌注式生物反应器系统，并深度融合PAT技术和数字孪生，实现从“批次控制”到“实时自主优化”的跨越。 2. 模块化与柔性化。为应对多产品、小批量的细胞与基因治疗生产需求，模块化、即插即用的生物反应器系统将成为研发重点。 3. 跨界融合创新。将合成生物学、材料科学、数据科学的成果相结合，开发新一代的仿生反应器、新型培养载体和智能响应型传感器。 生物制造生物反应器系统的国产替代，是一场深刻的、不可逆的产业运动。它已走过了简单的仿制阶段，进入基于本土市场需求和工程创新能力的“价值创造”新阶段。这场替代的本质，是对产业主导权和价值分配权的重构。 # （二）生物制造分离纯化装备创新解析 在生物制造的整个产业链中，分离纯化是决定最终产品纯度、收率和成本的关键环节，其重要性可占整个生产成本的 $30\% - 40\%$ 。这一环节涉及从发酵液或细胞培养液中，将微量目标产物（如蛋白质、抗体、酶、生物基材料单体）从复杂混合物中高精度、高效率地分离、浓缩和精制的复杂工艺链。 长期以来，该领域的装备、关键耗材和工艺技术被思拓凡、赛默飞、颇尔、赛多利斯等国际巨头主导，形成了一个技术密集、利润率极高且具有极强客户粘性的壁垒。然而，随着中国生物制造产业的爆发式增长和对供应链安全的空前重视，一场针对分离纯化环节的国产替代“纵深战”已全面打响。 调研发现，分离纯化环节的国产替代，其战略意义远超简单的成本节约，它直指生物制造产业的“命门”，行业主要的考量因素或者说驱动因素包括以下几个方面： 1. 供应链安全。前面我们已经提高，生物反应器是“生产厂房”，那么分离纯化系统就是“精炼提纯车间”。其中，色谱填料/层析介质被誉为生物制药领域的“厨房”，其性能直接决定抗体等大分子产物的纯度和收率。ProteinA填料、高分辨率离子交换介质等长期被极少数公司垄断。一旦供应中断，国内几乎所有创新药企的生产线都将面临停产风险。同样，用于最终产品病毒安全的病毒过滤器，其膜材技术和验证数据也高度集中。因此，实现该环节的自主可控，是保障中国生物医药与生物制造产业战略安全不可回避的课题。 2. 降本增效。生物药高昂的价格，部分源于纯化环节天价的进口耗材。一升进口ProteinA填料价格可达数十万元，且使用寿命有限。病毒过滤器、超滤膜包等同样价格不菲。国产替代若能实现同等性能，通常可带来 $30\% -70\%$ 的成本下降。这对于面临医保控费压力的生物类似药、以及追求极致成本的工业酶、生物基材料（如PHA、氨基酸）生产而言，是决定项目经济性成败的关键。成本的降低将直接加速更多生物制造产品的商业化落地。 3. 工艺自主与迭代速度。分离纯化工艺开发是生物制造 Know-how 的集中体现。依赖于进口设备耗材，工艺优化往往受制于供应商提供的有限选择和技术支持节奏。国产供应商的崛起，为工艺开发人员提供了更灵活、更具性价比的“材料工具箱”，使得针对特定产物的定制化纯化工艺开发成为可能，并能以更快的速度进行工艺迭代优化，从而缩短研发周期，形成差异化的工艺优势。 调研发现，分离纯化环节国产替代呈现“冰火两重天”的局面。一方面在部分机械设备领域已实现从跟跑到并跑，而另一方面在核心耗材和系统上仍处而于艰难的破局阶段。 比如说在固液分离与初纯设备方面，国产化根基已稳，正迈向集成。在抗生素、氨基酸等传统发酵行业，广重、华大等国产离心机已完全能够满足需求，凭借高性价比和可靠服务占据主流市场。挑战在于用于哺乳动物细胞大规模培养的、对剪切力极其敏感的大型管式离心机，其高速稳定性、无菌设计和CIP/SIP功能要求极高，目前仍以进口为主，国产设备正在验证突破中。 在深层过滤与切向流过滤系统方面，国内企业在滤板、助滤剂等方面已有基础，但在用于高浊度发酵液澄清的、集成预铺层的多级深层过滤系统的自动化控制和工艺经验包上，与国际领先水平尚有差距。 在用于细胞收获、浓缩、透析换液的切向流过滤关键步骤上。国内厂家如赛普生物、科百特等已能提供从中试到生产规模的完整系统，在自动控制、数 # B 动脉网 据记录方面进步显著。真正的攻坚战在于膜包/膜柱本身。中空纤维膜、平板膜等核心膜材的长期耐用性、通量一致性、可提取物水平仍是追赶重点，但国产膜材的性能提升极快，已在许多工业应用和部分生物药中试工艺中得到验证。 分离纯化乃至整个生物制造装备国产化中最艰深、最核心的战场是色谱/层析系统。国内企业在用于工艺开发和早期临床生产的中低压层析系统，国产设备已非常成熟。利穗科技、格林科技、佰翱得等企业提供从手动到全自动的各类系统，在流速精度、压力范围、梯度混合性能等方面已媲美进口中端产品，并凭借灵活的配置和快速的售后，占据了大部分科研和中试市场。 在用于商业化生产的大型高压层析系统，技术壁垒骤增。它要求系统在极高压力下保持流量和梯度的极致稳定，并具备卓越的耐腐蚀性和完整的计算机验证文件。国产设备正在从抗体、疫苗等领域开始渗透，但要在法规最严苛的创新药商业化生产中取代赛默飞等巨头的设备，仍需积累更多的长期运行数据和成功申报案例来证明其可靠性。色谱填料/层析介质是分离纯化“烹饪”的环节，也是最大的“卡脖子”环节。以纳微科技、赛分科技、蓝晓科技为代表的国内企业，正在发起决定性冲击。 另外，国内企业正在冲击下一代纯化技术——连续流层析，该技术能大幅提高填料利用率、减少厂房面积。国内企业如利穗科技等已推出连续流层析系统（如多柱色谱系统），并与填料公司合作开发适用工艺，试图在该新兴赛道与国际巨头同步竞争。 在生物制造大发酵精制与成品化设备方面，国内企业可以说是稳扎稳打，局部领先。比如超滤/透析系统，与切向流过滤系统类似，该领域硬件国产化率高，核心在于超滤膜包。国产超滤膜在截留分子量的精度、回收率等方面进步迅速，正从工业级应用向更高要求的生物制造领域迈进。 图表：生物制造分离纯化系统国产化现状 病毒过滤器是生物药安全生产的强制性“安全阀”，法规和验证要求极高。国际巨头凭借数十年的验证数据构建了极深的护城河。国内科百特、中科森辉等企业正全力投入，其病毒过滤器产品已进入下游客户的验证流程，但要在商业化生产中获得广泛接受，仍需时间和大量成功案例的积累。 形象的说，国内企业在生物制造分离纯化领域的市场角色已经完成从“供应链备胎”到“生态伙伴”的演变。国产替代的深入正在重塑市场竞争格局。这使得国际巨头们从单纯出售硬件和耗材，加速向提供“一站式工艺解决方案”转型，通过捆绑工艺开发服务、验证数据包和长期供应协议来提升客户粘性。同时，它们也开始重视中国市场，通过本土化生产、与国内CXO企业深度合作来维持份额。 我们总结，生物制造分离纯化相关设备及服务领域未来突破方向将集中在几个方面：第一，连续与集成，开发适应连续生物制造的集成式纯化单元，将多个分离步骤无缝连接，实现生产效率和设备利用率的革命性提升；第二，定向与智能化，基于产物特性的理性设计新型高选择性分离介质（如新型亲和填料、智能响应型材料），并结合在线PAT和AI模型，实现纯化过程的实时监控与自适应优化；第三，绿色与高效，开发可重复使用次数更多、清洗更便捷的填料，以及低耗能、低废弃物产生的纯化新工艺，以符合可持续发展的全球趋势。 # （三）生物制造智能化系统及硬件创新解析 前面已经提到，生物制造的核心在于对生命系统的“理性设计”与“工程化改造”，其终极目标是像编程计算机一样精确地设计和改造生物体。然而，生物系 统的复杂性远超传统工程系统，其内在的非线性、高维度特性使得传统的“试错式”研发模式成本高昂、周期漫长。 人工智能、大数据、数字孪生等智能化技术的爆发，正为这一困境提供革命性的解决方案，将生物制造从“艺术”与“经验”驱动的范式，推向“数据”与“算法”驱动的“智能造物”新纪元。在这一全球性竞速中，中国凭借其在应用场景、数据规模和顶尖人才方面的优势，正展现出强大的创新活力，并在若干关键领域形成了全球领先的布局。 调研发现，中国生物制造的智能化进程，呈现出从“点状突破”向“全链条赋能”快速演进的特征。其发展路径可概括为以下三个层次： 第一，底层核心算法的突破与工具化。以蛋白质结构预测为起点，中国科研力量在生命科学领域的底层AI算法上实现了与国际并跑甚至领跑。这不仅解决了长期困扰结构生物学的重大难题，更为下游的酶理性设计、蛋白质功能预测等应用提供了坚实的基础。 第二，中游研发环节的智能化赋能。在DBTL循环的各个环节，智能化工具正被深度集成。AI正在加速设计更优的代谢通路和基因序列；自动化平台和高通量技术正以前所未有的规模生成测试数据；机器学习模型则从海量数据中学习规律，指导新一轮的设计。这一循环的加速，极大地缩短了从靶点发现到高性能菌株/细胞株构建的周期。 第三，上游生产过程的数字化与智能化控制。在产业化阶段，通过部署在线传感器、结合过程分析技术（PAT）和数字孪生技术，企业正致力于实现生物反应过程的实时感知、动态优化和智能控制。这旨在解决从实验室“克级”到工厂“吨级”的放大难题，提升生产稳定性、产率和质量一致性。 下面我们来看几个具体的创新点： # 1. 蛋白质结构预测与设计 中国科研团队在蛋白质结构预测领域实现了从"追赶"到"创新"的跨越。上海交大、北京大学等机构开发的算法在连续多年全球蛋白质结构预测竞赛（CASP）中名列前茅。特别是在膜蛋白、多结构域蛋白等复杂体系预测精度上，部分指标已超越AlphaFold2。中国团队的突破主要体现在：开发了适用于国产算力平台的轻量化模型；实现了对非标准氨基酸修饰蛋白质的精准预测；将预测时间从小时级缩短到分钟级，为工业化应用奠定基础。 # 2.AI驱动的生物设计平台建设 中国已建成多个具有国际影响力的生物设计平台。比如天津工业生物技术 研究所开发的 BioDesigner 平台，整合了超过 200 种机器学习算法，支持从基因序列到代谢通路的全流程设计。这个平台的主要特色是：构建了多尺度建模能力，实现了从原子水平（酶活性位点）到细胞水平（代谢网络）的多尺度模拟；建立了主动学习机制，可以通过强化学习算法，平台能够自主优化实验方案，减少试错成本；构建了包含 5000 多万个生物实体关系的知识图谱，支持推理决策。 # 3. 数字孪生技术 中国企业在数字孪生工厂建设上形成了独特路径。东富龙科技开发的BioTwin系统，实现了从单个设备到整条生产线的全要素数字化映射。能够实现实时数据融合，通过部署2000多个传感器点位，实现秒级数据采集和毫秒级响应；开发了基于LSTM的发酵过程预测模型，预报精度达到 $95\%$ ；构建了虚拟验证平台，新工艺在虚拟环境中验证成功率超过 $80\%$ 。根据披露，其为某疫苗生产企业通过数字孪生系统，将批次间差异从 $15\%$ 降低到 $3\%$ ；赋能某原料药企业利用虚拟调试技术，使新生产线投产时间缩短60天。 # 4. 生物制造大模型 中国科学院微生物研究所开发的BioGPT-1.0模型，在生物序列理解任务上表现出色。其可以实现多模态融合，进行基因序列、蛋白质结构、文献知识的跨模态学习；领域适应性强，针对中国特色的工业菌株进行专项优化；开发分布式训练方法，能耗降低 $40\%$ 。 当然，目前亦存在一定的难点亟待攻克，高质量生物数据的匮乏与标准化仍是制约AI模型性能进一步提升的瓶颈；精通生物学、数据科学和工程学的复合型人才极度短缺；对于许多工业微生物，其复杂的内在调控网络仍是难以精确建模的“黑箱”。 未来，中国生物制造的智能化发展将呈现以下趋势： 1. 大模型技术向生物领域深度渗透。将会出现专用于生命科学领域的生物大模型，能够更深刻地理解生物序列（DNA、蛋白质）与功能间的关系，实现更精准的生成式设计。 2. 数字孪生从“监控”走向“预测与决策”。工厂级的数字孪生将不仅用于实时监控，更能通过集成AI模型，实现对生产过程故障的预测性维护和最优化控制。 3. 自动化科学（AI+机器人）将成为顶尖研发机构的标配。全自动化的“AI科学家”将在更多基础研究和目标产物发现中扮演核心角色。 总而言之，智能化已成为生物制造不可逆转的演进方向。中国凭借其在上述案例中展现出的强大创新动能，正积极投身于这场范式革命，并有望在全球智能生物经济的全新格局中占据重要地位。这场竞赛的胜负手，将取决于谁能最好地将数据的价值、算法的力量与生物系统的复杂性完美融合。 # 第四章 生物制造核心工艺革新与高端产品制造能力构建 生物制造工艺创新正推动生产方式向绿色、智能和可持续的系统性变革。其核心在于利用合成生物学、酶工程等先进技术，对微生物或细胞等生命系统进行理性设计，使其高效生产目标产物。这种创新不仅停留在实验室，更通过工程化放大实现产业化，覆盖医药、材料、能源等关键领域。 概括来说，工艺创新的突破主要体现在三个层面：一是原料路径的重构，通过非粮生物质（如秸秆、二氧化碳）替代传统化石原料，降低对不可再生资源的依赖；二是过程效率的跃升，借助人工智能和自动化技术优化菌株性能、强化发酵控制，将研发周期从数年缩短至数月；三是系统整合的深化，通过模块化生物反应器、连续化生产等模式，提升整个制造体系的资源利用效率和稳定性。 调研发现，工艺创新不仅是单个环节的突破，更是贯穿“概念-设计-生产-运维”全链条的系统性工程。业内领先企业正通过整合式创新模式，为行业提供确定性更高的产业化路径。比如安及义创新的“细胞工艺适配-模块化智造-智能控制”三位一体技术体系，是这一模式的典型代表。该体系并非简单堆砌技术，而是以细胞/菌株的实际工艺需求为先导，反向驱动设备的结构设计与控制逻辑开发，再通过模块化制造保证系统的标准化与可靠性，最终由智能控制平台实现精准、稳定的工艺执行与数据追溯。这套体系已应用于其 PILBIOFER® BPS系列中试标准化生物反应器等产品，成功帮助生物制药与生物制造企业实现从研发到量产的高效工艺转化，同时兼顾了工艺匹配性与生产经济性。 图表：生物制造核心工艺革新与产品制造能力构建 # 一、连续发酵工艺革新解析 连续发酵作为生物制造领域最具颠覆性的工艺革新方向，正引领着中国生物制造产业从传统批次生产模式向现代化、智能化制造范式的深刻转型。调研发现，连续发酵不仅是设备与操作的改变，更是对生物过程认知、控制能力和生产理念的根本性重构。在中国特定的产业基础与市场需求下，这一转型展现出独特的“应用导向、工程集成、分步演进”特征，并在抗体药物、工业酶制剂、氨基酸等多个关键领域取得实质性突破，其经济效益与技术成熟度已初步验证了大规模推广的可行性。 图表：连续发酵主要流程 传统批次发酵的内在局限性是催生连续发酵工艺的核心原因。传统批次发酵是一种周期性、离散化的生产模式。行业人士举例称，以典型的50立方米工业级发酵罐为例，其单个周期通常包括：罐体清洗灭菌（CIP/SIP，4-8小时）、培养基配制与灭菌（4-6小时）、接种与扩培（12-24小时）、主发酵（48-120小时，依产品而异）、放罐与收获（4-8小时），以及非计划性的设备检修与验证时间。综合计算，发酵罐的有效生产时间占比（设备利用率）通常仅为 $40\% - 60\%$ 。 更深层次的限制体现在过程动态特性上。细胞在批次过程中经历延滞期、对数生长期、稳定期和衰亡期，其生理状态、代谢活性和产物合成能力剧烈变化。这导致：①产物合成期短暂；以抗生素发酵为例，高效合成期可能仅占整个发酵周期的 $30\% - 40\%$ ；②副产物累积不可控：随着营养消耗和产物积累，细胞代谢压力增大，常导致大量副产物生成，不仅抑制目标产物合成，更增加下游分离纯化难度和成本；③放大效应显著：从实验室摇瓶到工业大罐，流体混合、传质传热效率的巨大差异，使得基于小试数据的过程放大充满不确定性，成功率低且耗时漫长。 根据中国发酵工业协会对国内百家骨干企业的调研数据（2023），批次发酵工艺的平均产品得率波动系数（CV值）普遍在 $15\% - 25\%$ 之间，而关键质量属性（如蛋白药物的糖型、工业酶的比活）的批间差异甚至更大。 # （一）连续发酵的核心模式与技术谱系 连续发酵的核心在于建立并维持一个时间上持续、状态上稳定的生物反应系统。新鲜培养基以恒定流速（F）流入反应器，同时等体积的培养液（含细胞、产物和代谢废物）被移出（D，稀释率 $\mathrm{= F / V}$ ，V 为反应器体积）。当系统达到稳态时，反应器内细胞浓度、营养物浓度、产物浓度等所有状态参数均保持恒定。 调研发现，中国生物制造企业的创新实践主要围绕三条技术路径展开： # 1. 恒化器培养 这是最基本的连续模式，通过限制某一种必需营养物（如碳源、氮源）的浓度来控制细胞的比生长速率 $(\mu)$ ，使其等于稀释率 $(\mu = D)$ 。中国科学院微生物研究所、江南大学等机构已开发出成熟的实验室级与中试级恒化器平台。其主要价值在于基础生理研究和高产菌株的进化选育。例如，天津工业生物技术研究所利用长期恒化培养（>1000小时）对谷氨酸棒杆菌进行适应性进化，获得了耐受高渗透压和高产物浓度的优良菌株，其产酸强度较原始菌株提升了 $50\%$ 。 # 2. 灌注培养 此为核心技术突破点，尤其适用于对剪切力敏感、生长缓慢的哺乳动物细胞。通过物理方法（如交替切向流 ATF、离心、沉降）将细胞截留在反应器内，只移出无细胞的培养上清。这使得细胞密度得以大幅提升并长期维持。国内领先企业如药明生物、信达生物等，已能将 CHO 细胞密度维持在 60- $150 \times 10^{7} 6 \text{cells/mL}$ 的高水平，并稳定运行30-90天。这意味着一个500L的灌注反应器，其年产量可能远超一个2000L的传统批次反应器。 # 3. 细胞循环/返料连续发酵 主要应用于微生物系统。通过外置分离装置（如膜过滤、离心机）将流出液中的细胞浓缩并返回反应器，从而实现超高细胞密度。在酵母或大肠杆菌表达重组蛋白的工艺中，细胞干重（DCW）可超过 $100\mathrm{g / L}$ ，是批次工艺的3-5倍。根据相关披露，华东理工大学在毕赤酵母高密度连续发酵生产重组蛋白的案例中，通过精细控制细胞循环比和营养流加策略，实现了长达500小时的稳定生产，单位体积时空产率（STY）提高4倍。 # （二）驱动连续发酵创新的根本原因是经济性、质量与战略安全考量 # 1. 连续发酵成本优势 连续发酵的经济优势是全方位的，贯穿资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。在CAPEX方面，优势在于“以小博大”。一个设计精巧的连续发酵系统，其反应器体积通常只需达到同等年产能批次系统的1/5到1/3。以单克隆抗体生产为例，建设一个年产100公斤抗体的连续生产线（基于500L灌注反应器），其核心生物反应器及相关配套的投资，相比传统2000L批次生产线可降低 $40\% - 50\%$ 。厂房占地面积和洁净空间需求的减少，进一步降低了土建和装修成本。 在OPEX方面，优势更为显著且多元。比如在培养基与营养利用效率方面，连续发酵的细胞始终处于最佳生长和表达状态，对底物的转化率（ $\mathrm{Yp / s}$ ）更高。数据表明，在相同产物输出下，连续工艺的培养基消耗可降低 $20\% - 35\%$ 在人力成本方面，连续发酵高度自动化、稳态化的操作，减少了批次间频繁的清洗、灭菌、接种等人工操作，所需操作人员可减少 $50\%$ 以上。 另外在水、电、汽消耗方面，连续工艺避免了批次生产周期性升降温、灭菌带来的巨大能量波动，蒸汽和冷却水消耗平均降低 $30\% -40\%$ 。同时，由于设备小型化，搅拌和通气能耗也相应下降。 从下游处理成本来看，连续收获的料液成分更稳定、细胞碎片等杂质更少，可简化下游纯化步骤，提高层析填料使用寿命和产物回收率。 综合多家国内生物制造的财务分析报告，采用连续灌注工艺生产抗体，其每克抗体的总生产成本可比批次工艺降低 $30\% -40\%$ # 2. 连续发酵产品质量一致性与合规性优势 批次间差异是生物制造质量控制的重大挑战。连续发酵的稳态操作特性， 从根本上保障了产品的一致性。反应器内的物理环境（温度、 $\mathrm{pH}$ 、溶氧）和化学环境（营养物、代谢物浓度）保持恒定，细胞生理状态高度均一，从而确保产物的关键质量属性（CQAs）波动极小。 国内监管机构（NMPA）和国际监管机构（FDA,EMA）均认识到连续制造在提升质量可靠性方面的价值。2021年，NMPA药品审评中心发布的《生物制品连续制造技术指南（征求意见稿)》明确鼓励采用先进的生产模式。连续工艺提供的实时过程监控和更丰富的生产数据，有利于构建更强大的过程控制策略，实现从“离线、终点检验”到“在线、实时质量保证”的转变。例如，上海某生物制药公司在其连续灌注工艺中，通过在线拉曼光谱实时监测抗体滴度和关键代谢物，将关键质量属性的批内和批间差异从批次工艺的 $>15\%$ 降至 $<5\%$ 。 # 3.产业升级与供应链安全的战略需求 从国家产业战略层面看，连续发酵技术是提升中国生物制造核心竞争力的关键。连续生产的柔性更强，可以通过调整运行时间而非改变生产规模来应对市场变化，提升了供应链的韧性。连续工艺的厂房建设周期更短，工艺验证和产品放行更快（得益于实时放行测试RTRT），可显著缩短创新药从研发到商业化的时间。更小的占地、更低的能耗水耗、更少的废物排放，完美契合“双碳”战略目标。清华大学的一项生命周期评估（LCA）研究显示，连续发酵生产青霉素的碳足迹比批次工艺减少约 $35\%$ # （三）连续发酵背后技术攻坚与工程突破 中国在推动连续发酵产业化过程中，形成了一条从集成创新到核心突破、从点状示范到链式推广的务实路径。 1. 核心装备的国产化与定制化开发。连续发酵系统的稳定运行高度依赖高可靠性、高自动化的硬件。中国企业在此领域经历了从引进消化到自主创新的历程。 首先是生物反应器与控制系统。以东富龙、楚天科技为代表的国产设备商，已能提供成熟的、符合GMP要求的灌注生物反应器系统。其核心突破在于精准的在线传感技术（如活细胞密度探头、尾气分析模块）和先进的自动控制算法（如基于模型的预测控制，MPC）。例如，楚天科技的CellC系列一次性生物反应器，集成自主研发的ATF细胞截留系统和智能控制软件，细胞截留效率>99.9%，已在国内数十家创新药企中应用。 其次是细胞截留装置。这是灌注技术的“心脏”。除了引进国外成熟的ATF/TFF技术，国内企业如金仪盛世、乐纯生物等，在深层膜过滤、中空纤维 膜包等关键耗材上实现国产化，成本降低约 $30\% - 40\%$ ，并针对中国客户常见的培养基成分和细胞系进行了优化设计，降低了膜污染速率。 2. 生物制造连续发酵工艺开发与放大策略的创新。连续工艺的开发逻辑与批次工艺截然不同。中国科研机构与龙头企业合作，建立了独具特色的开发体系。 首先是基于缩小模型的高通量开发。比如采用高通量微型生物反应器系统，在毫升级别并行开展数十个灌注工艺参数的快速筛选（如灌注速率、细胞密度设定点、营养策略），将工艺开发周期从传统的6-12个月缩短至2-3个月。 其次是动态代谢模型指导的过程优化。比如清华大学、天津大学等团队开发了针对CHO细胞和常用微生物的动态通量平衡分析（dFBA）模型。该模型结合在线代谢物数据，可实时模拟和预测细胞代谢状态，指导营养补加策略的动态调整，将产物比生产率（qP）最大化。 最后是稳健的工艺表征与控制策略。比如药明生物等CDMO巨头借鉴质量源于设计（QbD）理念，对连续工艺进行全面的风险评估和关键工艺参数（CPP）识别。通过实验设计（DoE）建立CPP与关键质量属性（CQA）之间的数学模型，从而确定proven acceptable ranges(PARs)和normal operating ranges(NORs)，确保工艺在大规模生产中的稳健性。 # （四）生物制造连续发酵面临的挑战和未来趋势 生物制造连续发酵当前面临的主要挑战包括： 1. 技术复杂性高，人才匮乏。连续工艺的设计、操作和优化需要同时精通微生物生理学、过程工程、自动控制和数据分析的复合型人才，此类人才在国内极为紧缺。 2. 初始投资门槛与认知风险。企业需要为连续化改造或新建投入高昂的自动化设备和控制系统，且缺乏长期稳定运行的经验数据，决策风险较大。 3. 监管与质量体系适配。传统的批次放行质量体系不完全适用于连续生产。如何定义“批次”、如何进行中间过程控制、如何实施实时放行测试，仍需企业与监管机构深入沟通和共同探索。 4. 供应链与生态不完善。适用于连续工艺的专用培养基、高可靠性传感器、长寿命膜材等配套供应链的成熟度仍有待提升。 相对应的，生物制造连续发酵工艺未来的主要发展趋势是： 1. 从“连续单元”到“端到端连续制造”。未来的发展方向是将上游连续发酵与下游连续纯化（如连续层析、连续超滤）无缝集成，形成从原料到成品药的 完整连续生产线。这将是生产效率的再一次革命性飞跃。 2. 智能化与数字孪生。结合过程分析技术（PAT）、人工智能和大数据，为每个连续生产系统建立高保真的“数字孪生”模型。该模型可用于预测性维护、工艺优化和虚拟验证，实现从“经验控制”到“模型预测控制”的跨越。 3. 模块化与柔性化生产。连续生产系统将向标准化、模块化方向发展，如同搭积木一样快速组建生产线，这将极大满足 CMO/CDMO 企业多产品、小批量的柔性生产需求，并支持分布式、区域化的生物制造新模式。 4. 从哺乳动物细胞向更多宿主拓展。当前连续发酵的成功应用集中在CHO细胞。未来，该技术将更广泛地应用于微生物（生产酶、有机酸）、昆虫细胞、甚至下一代治疗性细胞（如CAR-T细胞）的培养中。 调研企业指出，尽管前路仍有挑战，但连续发酵所代表的高效率、高质量、低成本、绿色化生产模式，与我国生物制造产业由大到强转型的内在需求高度契合。可以预见，随着技术不断成熟、成本持续下降、人才逐步培育、以及生物经济发展规划等政策的持续引导，连续发酵技术将在中国从原料药、大宗化学品到生物制造的广阔领域加速渗透，成为重塑中国生物制造核心竞争力的关键工艺支柱。这一转型不仅将提升单个企业的盈利能力，更将推动整个中国生物制造产业在全球价值链中向上攀升。 # 二、非传统底物利用与合成微生物组工艺创新 传统生物发酵严重依赖粮食基底的糖类原料，面临着"与人争粮、与粮争地"的严峻挑战，且原料成本占总生产成本的比例高达 $40\% - 60\%$ 。这一根本性矛盾驱动了中国生物制造领域向非传统底物利用的深刻转型，即开发不依赖于粮食作物/动物饲料相关的替代性碳源，如二氧化碳、一碳气体（甲烷、甲醇）、工业废气、农林废弃物等，并在此基础上发展出能够高效转化这些复杂底物的合成微生物组技术。这一工艺创新不仅是技术路线的变革，更是对生物制造产业原料供应安全、成本结构和环境可持续性的重构，是中国在全球生物经济竞争中构建独特优势的关键战略路径。 图表：生物制造非传统底物利用 非传统底物利用的本质是拓展生物制造的"食物链", 将原本被视为废物或低价值资源的物质转化为高价值产品的原料。其范围涵盖从最简单的一碳分子 (如 $\mathrm{CO}_{2} 、 \mathrm{CH}_{4}$ ) 到成分极其复杂的城市生活垃圾和农业残余物。这些底物的共同特点是来源广泛、价格低廉, 且其利用有助于实现碳循环和废物资源化。然而, 它们的物理化学性质各异, 存在成分不稳定、含有抑制物、预处理成本高、缺乏天然高效利用的微生物等共性挑战。因此, 与之协同发展的合成微生物组技术应运而生, 其核心在于打破单一菌株的功能局限, 通过人工设计构建由多种微生物构成的分工明确、相互协作的群落系统, 模拟自然生态系统的原理, 将复杂底物的降解、中间代谢物的转化以及目标产品的合成等多项任务分配给不同的菌株完成, 从而实现对非传统底物的高效、定向转化。 推动这一创新的根本动力源于三重战略需求。首先是国家层面的原料供给安全与"双碳"战略压力。中国作为人口大国和制造业大国，保障粮食安全是底线，因此减少工业生物技术对粮食资源的依赖具有极端重要性。同时，中国承诺的"双碳"目标要求经济发展模式向绿色低碳转型，利用工业排放的 $\mathrm{CO}_{2}$ 、废弃的生物质等非传统底物，本质上是一种"负碳"或"减废"的生产方式，能够直接将碳排放和环境污染问题转化为经济收益，契合国家可持续发展的顶层设计。例如，将中国每年产生的约9亿吨秸秆中的一部分高效转化为生物基化学品，理论上可替代数千万吨的石油基产品，并显著减少露天焚烧带来的环境污染。其次是显著的经济效益驱动。对于大宗化学品和材料而言，生产成本是决定市场竞争力的核心。以工业尾气（如钢厂转炉煤气富含CO）或沼气（主要成分为 $\mathrm{CH}_4$ ）为原料，其原料成本近乎为零，即便考虑到气体净化和发酵过程的其他成本，最终产品的成本结构也极具优势。凯赛生物正在探索利用煤炭清洁利 用过程中产生的合成气（ $\mathrm{CO} + \mathrm{H}_{2}$ ）生产长链二元酸，若成功产业化，将在成本上对石化路线形成压倒性优势。最后是技术层面的突破带来的可能性。合成生物学技术的飞速发展，特别是基因编辑工具（如CRISPR-Cas9）的成熟、DNA合成成本的下降以及对微生物代谢网络理解程度的加深，使得科学家们能够以前所未有的精度设计和重构微生物的代谢通路，甚至从头创建自然界不存在的生化反应，为解锁非传统底物的利用潜力提供了关键工具。 在这一创新方向上，中国的研究机构和企业已经布局了多条差异化的技术路线，并取得了令人瞩目的进展。在一碳气体生物制造领域，中国的创新实践集中在两个层面。其一是对天然一碳利用微生物的深度工程化改造。例如，中国科学院微生物研究所和天津工业生物技术研究所对甲基营养型酵母（如毕赤酵母）和细菌（如甲基杆菌）进行系统代谢工程，通过强化其天然的二碳化合物同化途径（如核酮糖单磷酸途径）、重构辅因子平衡、解除产物反馈抑制等手段，显著提升了利用甲醇生产琥珀酸、乳酸等平台化学品的效率，碳转化率已接近理论值的 $40\%$ 。其二是更具颠覆性的"人工固碳途径"的设计与构建。 最具代表性的成就是中国科学院天津工业生物技术研究所实现的二氧化碳到淀粉的人工合成。该研究团队摒弃了植物光合作用的复杂过程，设计了一条包含11步核心反应的全新非自然固碳与淀粉合成pathway，在体外构建了化学-酶耦联反应系统，其淀粉合成速率理论上可达玉米光合作用的8.5倍，为未来利用可再生能源驱动 $\mathrm{CO}_{2}$ 直接生产粮食和化学品开辟了全新的技术蓝图，尽管目前其经济性尚待验证，但战略意义巨大。 在废弃物资源化领域，中国的工艺创新则更侧重于工程集成和系统优化。针对成分复杂的木质纤维素类农业废弃物（如秸秆），华东理工大学和南京工业大学等团队开发了高效的预处理技术（如低共熔溶剂DES预处理）以破解其顽固结构，并构建了能够协同降解纤维素、半纤维素和木质素的合成微生物菌群，或者开发能同时利用五碳糖和六碳糖的工程菌株，从而将秸秆中的碳几乎全部转化为目标产物，如生物乙醇、丁醇或乳酸，整体能源转化效率已提升至 $50\%$ 以上。 对于城市污泥和餐厨垃圾，清华大学和浙江大学的研究团队则发展了基于混合微生物群的厌氧发酵产沼气技术，并通过过程调控定向提高甲烷产量，或者将发酵产生的挥发性脂肪酸作为下一级微生物（如食油假单胞菌）生产生物塑料PHA的原料，形成了"废物-能源-材料"的闭环循环模式。 图表：生物制造非传统底物利用企业一览 序 企业名称 主要应用原料 主要产品 号 1 山东埃尔派粉体科技股份有限公司 农业秸秆、生活有机废弃物 硅碳负极材料 2 武汉睿嘉康生物科技有限公司 玉米芯废渣、秸秆等非粮原料 大宗醇酸平台化合物（如乳酸） 3 广东博兴新材料科技股份有限公司 棕榈油、桐油 高性能光固化树脂 4 黑龙江博能绿色能源科技集团股份有限公司 畜禽粪污、秸秆等农业废弃物 生物天然气、绿色甲醇、有机肥 5 安徽丰原生物技术股份有限公司 农作物秸秆 混合糖、乳酸、黄腐酸 6<