由于人口快速增长和气候不稳定对全球的整体健康和福祉构成了重大的生存威胁，提出推进生物技术和生物制造创新以支持健康、气候变化、能源、粮食安全、农业、供应链弹性以及国家和经济安全方面的可行性的解决方案迫在眉睫。幸运的是，大量的生物技术创新已经在进行中，为通常非常依赖石化投入或有高相关的碳足迹的商品材料和其他产品开发新的制造模式。例如，利用微生物发酵来制造生物塑料或重组动物蛋白和利用细胞培养系统来制造细胞肉等。然而，尽管这些新的生物制造工艺前景广阔，但仍有几个关键领域的挑战影响了其扩展性和量产性。知耕作为生物科技领域的一份子，同样希望能够加速推动生物技术创新的发展，特此整理以下内容供各位同行参考，交流。

1）需控制要素很多。比如，微生物发酵要最大限度地提高生物体的生长速度和基质目标产物的产量；要确保菌株易于合成路径的构建转化和其代谢产物的产生不会影响菌株的生长功能；重组蛋白也不会失去天然蛋白所需的生物活性等。

2）专用商业生物反应器规模不够。几十年来，微生物发酵已经大量工业化，但目前尚未在大于20，000升的搅拌罐容器中进行动物细胞培养。因此，对于栽培肉类生物制造工艺，一个主要的挑战领域是设计和建造标称容量为100，000升或更高的专用商业规模生物反应器。在不同体积下，动物细胞将受到剪切应力、静水压力和营养物浓度梯度的影响也不同，因此生物反应器设计和制造应该是一个持续的过程。

无论对于微生物发酵还是细胞培养系统来说，创建具有成本效益的生长培养基配方都是较大的挑战。经济培养基成分包含的工作可以从检查微生物发酵和细胞培养系统的示例配方的核心成分开始。

本文提供了与生物塑料（Curpriavidus necator）、重组蛋白（大肠杆菌、酿酒酵母、里氏菌）和细胞肉（QM7细胞系）的生物制造过程相关的生长培养基成分和细胞的粗略分类。

在该分析中，已经研究了用于确定复杂培养基配方的配方，以及用于重组蛋白质表达自动诱导的诱导系统。虽然发酵和生物工艺专家倾向于破译生长培养基的构成成分，但如果能与原料专家开展密切合作极有可能为生物制造专家提供灵感。

在生物经济中产品公司面临的主要挑战之一是找到经济原料的来源。这些原料是可以将任何材料转化为所有类型产品的命脉。原料可以是城市固体废物（MSW），农业残留物和专门种植的作物等材料。

虽然每个人都可能知道什么是城市生活垃圾，它是如何收集的以及它去哪里，但农业残留物和专门种植的作物的来源和去处却不太了解。农业残留物是指玉米秸秆、小麦秸秆、大豆和稻草等。专门种植的作物是专门为可再生能源或生物塑料生产等目的种植的植物，如能量甘蔗、芒草和柳枝稷等。收获、收集和运输数十万吨这些材料需要专门的设备和尚未广泛获得或了解的供应链。

■    农业残留物和用途种植作物的供应链

目前有两种最先进的系统用于农业残留物的收获、收集和输送。分别称为“多通道”和“单通道”系统。对于芒草或柳枝草等专门种植的作物，只有一个多通道系统，由两个通道组成。

一般来说，单道系统将提供最低灰分水平的原料收集。因为这些材料永远不会接触地面;但是，如上所述，该系统并非适用于所有原料。不同的材料在收获时将显示不同的水分含量。一些材料是在植物在田间干燥后收获的，其他材料则可能以更高的水分含量收获。当然也有经验丰富的打包人员可以很好地管理水分和灰烬含量。

下图描绘了多通道系统。组合谷物是多道次和单道次系统中都要进行的一步。混合谷物后，碎纸机将稻草或秸秆切割并堆成行，称为堆口，以便于干燥和集总。接下来，拖拉机将打包机拉过堆料堆，打包机拾取材料并形成大的方形或圆形捆包。然后，拖拉机拉动捆包收集器，收集并在田间堆放捆包。

在单通道系统中，将收割机和打包机连接在一起，从而消除了切碎步骤，也无需拖拉机和跟随拖拉机牵引的碎纸机。这使得系统更加高效和更具经济效益。单程系统的总成本比多程系统的成本低约30-35%。这也造就了最高质量的原料，因为它是在没有接触地面的情况下收获和打包的。如下图所示，目前正用于太平洋西北部的小麦秸秆收割。

■   大型生物经济项目中原料选择的关键考虑因素

1）原料供应市场的选择。假如一个正在开发和或规划中的项目需要35万吨原料。这些资源在该国许多地区都很容易获得。但是，如果没有基础设施或商品市场支持这些材料的供应链，就很难构建集中式大规模的供应地。那么即使这些材料的收获、收集和储存是公开的，也很难发展起来。

2）设备的选择。供应35万吨材料的供应链需要购买价值一千万至一千两百万美元甚至到五千万以上的设备。这些数字取决于采用的系统。有人可能会问“你为什么不选择成本最低的系统”，但在做出这个决定时需要考虑很多事情。需要考虑的几个问题分别是：

收获的材料是什么？

收割窗口有多长？

它的含水量是多少？

总之，生物塑料、食品级重组蛋白和基于细胞的肉类抵消导致气候变化的外部因素并确保粮食安全的前景只能通过具有成本效益的大规模生产来实现。在实验室和中试规模上工作的生物过程科学家使用的原料数量比生物经济项目中常见的35万吨少好几个数量级。很多时候，他们使用的材料也可能无法代表大规模供应链的真实可用性。原料流之间的核心质量差异因素，如灰分污染和水分含量，以及价格比较和获取的难易程度，也可能是未知的。毫无疑问，实现这些新型制造系统的潜力需要生物加工科学家、原料专家等之间的多学科合作。

生物制造产业在食品、化工、农业、医药领域已展现巨大的经济效益与社会价值，并在材料、环境、能源行业快速发展，随着生物基础研究与技术设备的不断研发，未来还可能进入矿业、冶金等领域，实现微生物制造的全方位、多领域、高精尖的长远发展。但知耕认为，我国微生物制造产业在科技研发与技术革新方面仍然任重道远，也希望以上提及的生物制造产业相关挑战能够给大家起到一定的启示和警示作用，共同推进生物制造创新进程。