什么是“细胞工厂”？

“细胞工厂”是一种形象化的说法，指将微生物细胞设计创建成为一个“工厂”，以淀粉、秸秆甚至二氧化碳等可再生资源为原料，制造出工业生产和人们生活所需要的化工、药物、能源、材料、食品等化学品。与传统化工制造相比，以细胞工厂为核心工具的生物制造是一种新型的物质生产模式，具有绿色、清洁、可再生的特征，可从根本上改变传统制造业依赖化石资源和“高污染、高排放”的生产方式，是经济社会可持续发展的重大方向。

中国科学院天津工业生物技术研究所利用合成生物学等技术手段，创建了近百个具有自主知识产权的微生物细胞工厂，建立了30多个化工产品绿色生物制造工艺并组织产业化实施，累计创造新增产值近190亿元，取得了重大经济和生态效益。

1、化工产品清洁生产

围绕化工产品的清洁生产，创建了L-丙氨酸、羟脯氨酸、肌醇等一批化工产品的微生物细胞工厂及绿色生产工艺，在节能减排、成本控制等方面取得了显著效果。

L-丙氨酸是重要的医药、化工中间体与食品添加剂，传统的化工合成生产工艺能耗大、污染高。天津工业生物所在以可再生葡萄糖为原料生产生物基丙氨酸的技术上率先取得突破，依托该技术建成国际首条3万吨生产线。和化工路线相比，生物法路线废水排放量、能耗及生产成本均大幅降低。合作企业占据超过70%以上国际市场份额，正在推动百亿规模环保型洗涤产业发展。

国际首条最大规模3万吨生物法

L-丙氨酸生产线

羟脯氨酸在医药、化工等领域有广泛的应用。以动物来源蛋白为原料的化学提取工艺生产成本高，每吨产品生产过程中会释放超百吨高盐高氮难处理废水，环境污染严重。天津工业生物所构建了以葡萄糖为原料一步发酵生产羟脯氨酸的生产工艺，并已组织产业化实施，成本降为传统生产方式的1/10左右，生产过程无高盐高氮废水排放，为合作企业带来近千万元利税，实现了羟脯氨酸的绿色生产。

国内首条100吨生物法羟脯氨酸生产线

2、化工制造工业原料路线改变

围绕化工制造工业原料路线改变，构建了丁二酸，D-乳酸等微生物细胞工厂，在与国外大型公司的竞争中取得优势。

丁二酸是生物可降解塑料的关键单体，天津工业生物所创建的高效丁二酸细胞工厂技术达到国际领先水平，依托该技术建成了国内首条年产2万吨生产线，相比石化路线成本降低20%，二氧化碳减排达94%，成为化工产品走出石油路线的成功案例，有力促进了PBS（Poly butylene Succinate，聚丁二酸丁二醇酯）等生物降解材料产业发展。

国内首条最大规模2万吨

生物法丁二酸生产线

D-乳酸作为一种重要的手性中间体，在医药、农药、材料等领域具有广泛的应用。天津工业生物所以具有自主知识产权的D-乳酸细胞工厂为核心，首次实现了D-乳酸的厌氧发酵法生产。依托该技术，合作企业已建成国内首条年产万吨生产线，成本较传统路线有了显著降低，产值达2亿元/年，市场占有率达80%，打破了日本、荷兰等国D-乳酸技术垄断，为聚乳酸生物可降解塑料产业的发展提供了重要支撑。

国际最大规模万吨级D-乳酸生产线

3、现代发酵产业升级

围绕现代发酵产业升级，构建了赖氨酸、谷氨酸等具有自主知识产权的细胞工厂，显著提升了企业自主创新水平和国际竞争力。

赖氨酸是人类和动物营养中的第一限制性氨基酸，在医疗保健行业、饲料工业中有着广泛的应用。目前国内赖氨酸核心菌种缺乏，生产能力低，产业国际竞争力较差。天津工业生物所基于对国际上1500多件保护专利的系统分析，设计构建了赖氨酸细胞工厂发酵生产工艺，突破国际专利封锁，并实现产业化应用。新菌种为企业累计实现产值近20亿，节约成本过亿元，为我国赖氨酸产业自主发展和下游产业安全形成了重大科技示范。

赖氨酸生产线

维生素B12是一种含有金属钴的复杂有机分子，广泛应用在药品、饲料、食品和化妆品等领域，需求逐年上升，市场缺口日益突出。研究所通过基因组工程技术，将5种细菌中的28个基因在大肠杆菌细胞中成功组装、调控，实现了维生素B12的从头合成，并已实现产业化，每年可为企业新增利润超过2000万元。

4、珍稀植物化合物生物合成

针对植物天然化合物传统种植提取生产方式对土地资源的依赖性强、产率低、成本高、重金属污染等问题，将植物化合物合成基因组装、编辑到啤酒酵母细胞中，创建了人参皂苷、番茄红素、β-胡萝卜素、天麻素、灯盏花素、香叶醇等一批药用植物、经济植物产品的细胞工厂，技术指标国际先进，多项技术正在进行工业化生产，建立了重要植物化合物的新生产模式。

人参皂苷是人参、西洋参等药材的主要活性物质，具有抗肿瘤、改善心血管功能、增强身体机能等生理功效，在食品、医药和保健品等领域有广泛的应用。天津工业生物所在国际上首次构建出同时生产三种人参基本皂苷元及人参皂苷Rh2和F12的酵母工程菌，获得“人参酵母细胞”。以目前技术水平，千平米车间的人参皂苷合成能力相当于10万亩人参种植。

番茄红素是自然界植物中被发现的最强抗氧化剂之一，广泛用于食品、化妆品以及医药领域。天津工业生物所成功构建了番茄红素微生物细胞工厂，生产速率比现有最高水平提高了10倍，为国际最高水平，生产成本是植物种植提取的1/4，千平米车间番茄红素的合成能力相当于6万亩的农业种植。

中科院天津工业生物技术研究所以创建细胞工厂、发展绿色生物制造、构建工业经济发展生态路线为使命，以生物技术推动“农业工业化、工业绿色化、产业国际化”，为实施创新驱动战略、建设世界科技强国而贡献力量！ 

原标题：《微生物细胞工厂的创制及应用 | 中国科学院创新成果展》