我国生物制造产业系统可行性框架、边界机制与提升路径

云慧敏 ,  陈必强 ,  谭天伟

中国工程科学 ›› : 1 -14.

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中国工程科学 ›› : 1 -14. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2026.06.016

我国生物制造产业系统可行性框架、边界机制与提升路径

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System Feasibility of China's Biomanufacturing Industry: An Analytical Framework, Boundary Mechanisms, and Enhancement Pathways

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摘要

生物制造是推动制造业绿色低碳转型、培育未来产业和构建现代化产业体系的重要方向。然而，现有研究主要围绕菌株、酶制剂、发酵工艺等单项技术开展评价，以技术成熟度和技术可行性为核心，缺乏对不同技术路线在特定资源、能源、工程、产业和制度条件下能否实现规模化、低碳化和可持续部署的系统性分析框架。基于产业体系安全视角，本文构建了“要素保障 ‒ 技术转化 ‒ 产业组织 ‒ 制度治理”四层分析框架，提出了系统可行性及其系统可行性边界概念，并阐释了系统可行性边界的形成机制。研究认为，系统可行性是指生物制造技术在特定资源禀赋、能源结构、工程能力、产业组织和制度环境约束下，实现低碳、经济、可规模化、可认证和具有产业韧性的综合部署能力；系统可行性边界则是上述多层系统条件共同作用形成的动态约束边界。研究表明，生物制造的低碳优势并非技术固有属性，而是要素保障、技术转化、产业组织和制度治理协同作用的系统结果；不同区域和不同技术路线具有不同的系统可行性边界，该边界会随着资源禀赋、能源结构、工程放大能力、产业协同和制度规则变化而动态演化，并可能发生收缩，使技术可行并不必然意味着产业可行。基于此，本文进一步分析了我国生物制造系统可行性的现实基础、区域形成条件及边界收缩机制，提出应以系统可行性为导向，加强要素保障、技术转化、产业组织和制度治理能力建设，构建数据、知识、模型和规则协同驱动的系统智能治理体系。本文将产业评价由“技术可行性”拓展至“系统可行性”，丰富了生物制造产业体系安全的理论分析框架，为我国生物制造产业布局优化、技术路线选择和现代化产业体系建设提供了新的理论工具和决策依据。

Abstract

Biomanufacturing has emerged as a strategic driver for advancing the green and low-carbon transformation of manufacturing, fostering future industries, and building a modern industrial system. However, existing studies have largely focused on individual technological components, such as microbial strains, enzymes, and fermentation processes, with technology readiness and technical feasibility serving as the primary evaluation criteria. A systematic framework for assessing whether different technological pathways can achieve scalable, low-carbon, and sustainable deployment under specific resource, energy, engineering, industrial, and institutional conditions remains lacking. From the perspective of industrial system resilience, this study develops a four-dimensional analytical framework comprising resource endowment, technology deployment, industrial ecosystem, and institutional governance. Building upon this framework, we propose the concepts of system feasibility and the system feasibility boundary (SFB) and elucidate the mechanisms governing SFB formation. System feasibility is defined as the integrated capability of a biomanufacturing technology to achieve low-carbon, economically viable, scalable, certifiable, and resilient deployment under the constraints of resource endowment, energy structure, engineering scale-up capability, industrial ecosystem, and institutional environment. The SFB represents the dynamic boundary jointly shaped by these interacting system conditions. The analysis demonstrates that the low-carbon advantage of biomanufacturing is not an inherent property of the technology itself, but rather a systemic outcome resulting from the interaction of resource endowment, technology deployment, industrial ecosystem, and institutional governance. Different regions and technological pathways exhibit distinct system feasibility boundaries, which evolve dynamically with changes in resource availability, energy structure, engineering scale-up capability, industrial coordination, and institutional arrangements, and may contract over time, implying that technical feasibility does not necessarily translate into industrial feasibility. Based on this framework, the study further examines the foundations of system feasibility, regional enabling conditions, and the mechanisms of boundary contraction for China's biomanufacturing industry. It argues that future development should shift from pursuing isolated technological breakthroughs toward strengthening system capabilities by enhancing resource endowment, technology deployment, industrial ecosystem development, and institutional governance, while establishing an intelligent governance system driven by the integration of data, knowledge, models, and institutional rules. By extending industrial assessment from technical feasibility to system feasibility, this study enriches the theoretical foundation of industrial system resilience and provides a new analytical paradigm for industrial planning, technology pathway selection, and the development of a modern biomanufacturing industry.

Graphical abstract

关键词

生物制造 / 产业体系安全 / 系统可行性 / 系统可行性边界 / 全生命周期评价 / 系统治理

Key words

biomanufacturing / system security / system feasibility boundary / industrial system resilience / whole life cycle assessment / system governance

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云慧敏,陈必强,谭天伟. 我国生物制造产业系统可行性框架、边界机制与提升路径[J]. 中国工程科学, , (): 1-14 DOI:10.15302/J-SSCAE-2026.06.016

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一、 前言

当前，绿色低碳转型、全球产业链供应链重构与未来产业竞争相互交织，正在重塑主要经济体对产业安全的认识，推动产业竞争由单项技术竞争逐步演变为系统能力竞争[1-7]。生物制造以生命科学、生物技术、化学工程、材料科学、信息技术和人工智能等为基础，以合成生物学为重要驱动力，以细胞工厂和酶催化为核心生物转化工具，通过生物炼制、生物催化和生物基转化等路径，将可再生生物质、二氧化碳及其他废弃碳资源转化为燃料、化学品、材料、食品和医药产品，已成为世界主要经济体布局未来产业的重要方向[8-10]。其发展不仅关系到化工、能源、材料等传统产业的绿色低碳转型，也关系到未来产业体系自主可控能力和国际竞争优势。

在“双碳”目标背景下，生物制造具有显著的战略价值。一方面，生物制造能够部分替代化石资源，降低工业产品全生命周期碳排放，为化工、材料、交通燃料等难减排领域提供新的低碳解决方案[11]；另一方面，能够推动农业废弃物、林业剩余物、工业副产气体和二氧化碳等资源高值化利用，促进能源、农业、化工与环保等产业协同发展。因此，生物制造正由传统意义上的生物技术产业逐步演变为支撑未来绿色工业体系的重要战略产业[3,12]。

然而，随着产业规模不断扩大，生物制造产业安全问题日益凸显。与传统石化产业相比，生物制造产业链更长、涉及主体更多、系统耦合关系更加复杂[8,13-20]。其产业链上游依赖生物质、糖源、废弃油脂、二氧化碳等碳基原料，以及能源、水资源、土地资源等基础支撑条件；中游包括菌株构建、酶催化、发酵、生物反应器、分离纯化及过程控制等关键制造环节；下游连接化工、材料、能源、航空、食品和医药等多个终端应用领域。同时，产品最终能否实现低碳、经济、安全和规模化部署，还受到电力结构、氢气来源、物流运输、土地利用变化、全生命周期评价方法及绿色认证规则等外部因素的共同影响[21-26]。因此，生物制造产业安全已不再是某一生产环节或单项技术的安全，而是要素保障、技术转化、产业组织和制度治理共同作用下形成的系统安全问题。

现有研究和政策讨论主要关注技术创新、产品开发、产业规模扩张和应用推广[8-10,15-20,27-28]，而从产业体系安全视角开展系统研究仍相对不足[4,21-26,29-31]，尤其缺乏能够同时刻画资源供给、能源结构、工程能力、产业组织和制度规则协同作用的统一分析框架。此外，现有研究普遍以技术成熟度或技术可行性作为产业评价基础[8-10,15-20,27]，更多关注技术路线本身能否实现目标产物转化，而较少回答不同区域、不同资源条件和不同制度环境下，技术路线能否真正实现低碳、可规模化、可认证部署等系统性问题[21-26,29-33]。这导致部分地区在布局生物制造产业时，容易将其简单视为“低碳产业”或“未来产业”，忽视了资源禀赋、低碳能源、工程能力、产业配套和国际规则等系统约束，进而造成资源错配、重复建设以及低碳优势难以兑现等问题。

针对上述问题，本文从产业体系安全视角出发，构建“要素保障 ‒ 技术转化 ‒ 产业组织 ‒ 制度治理”的四层分析框架，并进一步提出“系统可行性边界”概念，用于识别不同技术路线在特定资源、能源、工程能力、产业组织和制度环境条件下实现规模化部署的系统形成条件。本文提出三个基本判断：第一，生物制造产业布局应由“技术可行”转向“系统可行”，资源保障、技术转化、产业组织和制度治理共同决定产业部署能力；第二，生物制造技术的低碳优势具有显著条件依赖性和空间异质性，不同区域和不同技术路线具有不同的系统可行性边界；第三，未来生物制造产业竞争将由产品竞争和产能竞争进一步延伸至全生命周期数据、碳足迹核算、绿色认证和国际规则竞争，系统能力将成为决定产业竞争优势的重要因素。基于上述分析框架，进一步围绕我国生物制造系统可行性的现实基础、区域差异、边界收缩机制和提升路径展开分析，以期为“双碳”目标下我国生物制造产业高质量发展和现代化产业体系建设提供新的分析框架和决策参考。

二、 生物制造产业体系安全的内涵与分析框架

（一） 从技术安全到系统安全

长期以来，生物制造产业安全通常被重点关注于关键菌株、核心酶制剂、发酵工艺和生物反应器等技术环节的自主可控[4,6,8,14-20]。这些内容构成了产业发展的重要基础，也是提升产业竞争力的关键支撑。与此同时，生物制造产业还具有资源、能源、农业、化工及国际贸易规则联系紧密的系统特征，其产业安全不仅取决于单项技术水平，还受到资源供给、能源结构、供应链稳定性、全生命周期碳约束以及国际规则变化等多重因素共同影响[21-26,29-31]。因此，仅从技术突破角度理解生物制造产业安全仍然是不够的，还需要从更广义的系统层面认识其可能的约束和风险。

一条生物基化学品路线即使在实验室或中试尺度上具备较高转化效率，若其原料依赖粮食糖源、生产过程使用高碳电力、分离纯化能耗较高，或产品无法满足国际碳足迹认证要求，则其产业化安全性仍然不足。相反，一些转化效率并非最高的技术路线，若能够依托稳定的区域生物质资源、低碳能源系统和成熟产业配套条件，也可能具备更强的规模化推广潜力。因此，生物制造产业安全应从“单一技术安全”拓展为“系统安全”。

（二） 四层递进分析框架：要素保障 - 技术转化 - 产业组织 - 制度治理

上述产业链描述反映了生物制造产业的运行过程，但不同风险和约束并不处于同一分析层级，仅按照产业链进行分析难以揭示产业安全问题的本质。为此，本文构建“要素保障 ‒ 技术转化 ‒ 产业组织 ‒ 制度治理”的四层分析框架（见图1），从不同层级系统识别影响生物制造产业安全的关键约束。第一层为要素保障层，包括资源（生物质、糖源、废弃油脂、CO2等碳基原料）和能源（电力、蒸汽、绿氢、储能）两类基础投入条件，是产业运行的物质基础和边界约束。第二层为技术转化层，是连接要素投入与产业产出的核心环节，包括两个相互依赖但性质不同的子维度：一是生物技术能力，涵盖菌株构建、酶催化和发酵工艺，决定物质转化效率和产品选择性的理论上限；二是工程装备能力，涵盖生物反应器、分离纯化装备、在线传感器、过程控制系统、工业软件和中试放大平台，决定实验室成果能否实现稳定、高效的工业化放大。二者虽然共同构成技术转化能力，但在我国产业发展过程中，其创新基础、风险来源和支撑机制存在明显差异：前者更依赖基础研究、平台生物学和核心生物技术突破，后者则更依赖高端装备制造、系统集成能力和中试验证体系，因此需要在分析中分别加以考察。第三层为产业组织层，包括供应链网络、区域布局、产业集群和下游市场承接能力，决定技术路线能否实现规模化部署、形成产业协同并抵御外部冲击。第四层为制度治理层，包括全生命周期评价方法、碳足迹核算规则、绿色认证体系和国际标准等制度安排，对资源配置、技术选择、产业布局和市场准入形成约束与引导。该框架实现了产业链分析与系统层级分析的统一：产业链揭示了生物制造产业的运行过程，四层框架则刻画了影响产业安全的关键约束及其作用层级，既避免了不同分析层次的混用，又保留了资源、能源、生物技术、工程装备、产业组织和制度规则等关键分析维度，为后续生物制造产业安全评价及战略路径研究提供了统一的分析框架。

四个层次之间并非相互独立，而是通过资源流、技术流、信息流和制度规则形成多层次耦合关系。要素保障层为产业提供资源与能源基础，技术转化层将资源要素转化为产品，并通过工程放大实现工业化生产；产业组织层进一步决定技术能否实现规模部署、形成供应链协同和市场价值；制度治理层则通过碳足迹核算、绿色认证、标准体系和贸易规则，对资源配置、技术路线选择、产业布局及市场准入形成持续反馈。与此同时，下游市场需求、国际规则变化以及产业组织调整又会反向推动技术迭代、工程装备升级和资源配置优化，使各层之间形成动态演化过程。因此，生物制造产业体系安全并非某一环节或某一技术的安全，而是要素保障、技术转化、产业组织和制度治理四个层次协同作用形成的系统安全。其中，技术转化层处于整个系统的枢纽位置，一方面承接资源与能源等基础要素，另一方面连接产业化部署和市场应用，并受到制度规则的持续约束与引导，是实现“能够生产”向“能够低碳、可认证、可规模化部署”转变的关键环节。

上述四层分析框架回答了影响产业安全的关键约束来自哪里，但尚未回答一个更加关键的问题：在不同资源禀赋、能源结构、工程能力、产业组织和制度环境条件下，如何判断一条技术路线是否真正具备产业化部署条件？换言之，仅识别约束因素并不足以支撑产业布局和战略决策，还需要进一步建立能够综合刻画多层次约束作用的评价框架，用于判断不同技术路线在不同区域条件下的产业部署潜力。基于此，本文进一步提出“系统可行性边界”概念，将四层分析框架进一步转化为产业部署和战略研判的分析工具。

（三） 系统可行性边界及其形成机制

基于上述四层分析框架，未来生物制造产业战略研究的重点，应从“技术是否可行”进一步转向“系统是否可行”。所谓技术可行，主要回答某一工艺路线能否实现目标产物转化；而系统可行则进一步回答该路线在特定区域、特定资源条件、特定能源结构、特定工程能力、特定产业组织和特定规则体系下，是否具有经济性、低碳性、规模化能力、认证能力和产业韧性。这一转变对于我国尤为重要。我国区域差异显著，不同地区在生物质资源、绿电资源、水资源、工业基础、交通条件和市场需求方面存在显著差异[21-22]。若忽视空间异质性，简单复制同一产业模式，可能导致资源错配、低水平重复建设和减排效果不确定。

图2中的“系统可行区”，是指某一技术路线在特定区域条件下，资源保障、能源供给、技术转化、产业组织和制度治理等系统条件能够形成有效协同，使其同时具备经济可行、低碳可持续、工程可放大、产业可部署和规则可认证等综合能力的发展空间。在该区域内，技术优势能够稳定转化为产业优势，实现真实减排和规模化发展。“条件依赖区”是指技术路线本身具备较好的技术潜力，但其系统可行性高度依赖绿电、绿氢、原料运输半径、分离能耗、供应链组织和认证规则等外部条件。当这些关键条件发生变化时，其经济性、低碳性或规模化能力可能出现显著波动，因此具有较强的情景依赖性。“名义低碳陷阱区”是指产品虽然具有生物基或循环碳属性，但由于高碳能源供给、长距离运输、土地利用变化、工程放大不足、数据不可追溯或认证边界不利等因素，难以形成真实的全生命周期减排优势和市场竞争力，从而表现为“名义低碳、实际高碳”或“技术可行、系统不可行”的情形。上述三个区域是描述不同技术路线系统可行性状态的概念工具，并非固定的阈值划分。随着资源条件、能源结构、技术进步、产业组织和制度环境的变化，系统可行性边界将发生动态调整。实际应用中，应结合技术经济分析、全生命周期评价以及区域资源能源数据，对不同技术路线的系统可行性边界进行定量校准。

系统可行性边界不是由单一技术指标决定的静态阈值，而是由要素保障、技术转化、产业组织和制度治理四个层次共同塑造的动态边界。首先，要素保障层决定生物质资源、能源、水资源及其他关键投入能否实现可持续、低碳和稳定供给，是产业部署的基础约束。其次，技术转化层通过生物技术能力（菌株、酶、发酵工艺）与工程装备能力（反应器、分离纯化、过程控制、工业软件和中试平台）的协同作用，决定实验室技术能否实现工业化放大，是系统可行性形成过程中最关键的技术支撑。再次，产业组织层决定技术路线能否形成稳定的供应链网络、区域协同和市场承接能力，从而实现规模化部署并保持产业韧性。最后，制度治理层通过生命周期评价方法、碳足迹核算、绿色认证体系及国际贸易规则，对资源配置、技术选择、产业布局和市场准入形成持续约束与反馈。

四个层次之间并非彼此独立，而是存在显著的耦合关系。例如，原料运输半径扩大不仅增加物流成本，还可能提高运输排放并影响碳足迹认证；工程装备能力不足会降低转化效率、增加能源消耗，并进一步削弱全生命周期减排绩效；国际认证规则调整又可能反向改变原料来源、技术路线和产业布局。因此，系统可行性边界本质上是四个层次共同作用形成的动态边界，其位置将随着资源条件、技术进步、产业演化和制度变化不断调整。

因此，系统可行性边界既是四层分析框架在产业部署中的具体体现，也是连接产业安全分析与战略决策的重要桥梁。通过将要素保障、技术转化、产业组织和制度治理纳入统一评价框架，可以综合判断不同技术路线在何种条件组合下进入系统可行区，在何种条件下停留于条件依赖区，以及在何种情况下可能陷入名义低碳陷阱区，为区域布局、路线选择和产业治理提供系统化决策依据。

三、 我国生物制造系统可行性的现实基础、区域格局与路线适配

基于前文提出的系统可行性分析框架，我国不同区域由于资源禀赋、能源结构、工程能力、产业组织和制度环境存在显著差异，不同技术路线进入系统可行区的条件并不相同。因此，生物制造产业布局不能简单遵循统一模式，而应依据不同区域的系统形成条件，识别其优势、边界约束及适配路径。相比传统按照产业类型或行政区域进行布局分析，系统可行性框架更加关注资源、技术、产业和制度四个层次的协同作用，从而回答“什么地方适合发展什么路线”“在什么条件下能够实现真正的规模化低碳部署”两个关键问题。

（一） 系统形成基础：我国具备迈向系统可行性的总体条件

我国发展生物制造已具备较好的系统形成基础。一方面，我国拥有丰富的农业剩余物、林业剩余物、工业尾气和二氧化碳等多元碳源[21-22,34-35]，为不同生物制造路线提供了原料保障；另一方面，我国在发酵工程、生物反应器、过程控制、分离纯化等领域长期积累了工业化经验[8,14-20,28]，形成了较完整的工程技术体系。同时，全国化工园区布局完善，产业链配套能力较强，能够为生物制造提供装备制造、物流运输和产业协同支撑。近年来，随着绿色电力、绿氢、数字化平台及全生命周期评价体系的不断发展，我国生物制造系统运行所需的制度基础和数据基础也逐步完善。这些条件共同构成我国生物制造迈向系统可行性的总体基础，但不同地区四个层次的发展水平并不一致，因此系统可行性边界仍表现出明显的区域差异。

（二） 区域系统可行性边界：不同区域对应不同系统可行边界形成条件

从系统可行性角度看，我国不同区域并不存在统一的最优发展模式，而是形成了不同类型的系统可行性边界。资源驱动型地区（如东北）拥有丰富的农林剩余物资源，其优势主要来源于原料保障，但系统可行性受到“收储运”体系、物流成本和低碳能源条件制约；创新平台型地区（如华东）集聚科研平台、工程装备和高端市场，更适合高附加值生物制造和中试放大，但资源环境承载能力成为主要约束；能源驱动型地区（如西北）具有绿电和绿氢优势，可支撑二氧化碳生物转化及低碳燃料路线，但需协调水资源约束与市场距离；规则驱动型地区（如沿海）拥有港口、国际市场和认证体系优势，更适合出口导向型产品和可持续航空燃料，但供应链组织和国际认证能力成为决定系统可行性的关键因素。因此，不同区域进入系统可行区所依赖的条件组合并不相同，产业布局应遵循区域比较优势，而非简单复制统一模式。表1进一步从区域类型、主要支撑条件、边界约束、适配方向和前置验证指标等方面，对不同区域生物制造系统可行性的形成条件进行归纳。

（三） 路线适配：技术路线进入系统可行区的条件

不同技术路线进入系统可行区所依赖的条件存在明显差异。传统糖源发酵路线技术成熟，但需要满足粮食安全、土地利用和成本控制要求；木质纤维素路线资源潜力较大，但系统可行性高度依赖“收储运”体系、预处理效率和低碳能源供给；加氢酯化脱氧路线已具备较好的产业基础，但资源总量、原料追溯和低碳氢源决定其规模上限[36]；二氧化碳生物转化路线具有长期战略价值[37-42]，但必须建立在绿电、绿氢、水资源及工程放大能力同步成熟的基础之上[43-44]。因此，技术成熟并不意味着系统可行，不同路线只有在与区域资源条件、产业基础及制度环境相匹配时，才能真正进入系统可行区，实现规模化部署。

（四） 系统竞争优势：从产品竞争转向边界塑造能力竞争

随着生物制造进入产业化发展阶段，未来竞争的焦点将由单一产品性能或生产成本竞争，逐步转向系统可行性边界的塑造能力竞争。系统可行性边界并非固定不变，而是随着资源保障能力提升、关键技术突破、产业组织优化和制度规则完善不断向外扩展[32-33,45]。能够持续优化资源配置、提升技术转化效率、完善供应链协同、建立全生命周期数据体系并主动适应国际认证规则的地区和企业，将不断扩大其系统可行区，实现更多技术路线、更大部署规模和更强国际竞争力。相反，如果忽视系统条件，仅以项目数量、规划产能或实验室技术水平作为发展依据，则可能导致资源错配、重复建设以及低碳优势难以兑现。因此，我国生物制造产业竞争的核心，不再只是“是否能够生产”，而是“是否能够在系统约束下实现低碳、可认证、可规模化部署”，而提升系统可行性边界塑造能力将成为未来产业竞争的新优势。

四、 我国生物制造系统可行性边界面临的收缩风险

前文提出，生物制造系统可行性边界由要素保障、技术转化、产业组织和制度治理四个层次共同塑造，其位置随着资源条件、技术能力、产业协同和制度环境变化而动态演化。我国虽然具备较好的产业基础和丰富的应用场景，但不同区域、不同路线进入系统可行区仍受到多重约束。当关键条件不能满足时，系统可行性边界将发生收缩，使原本具有技术可行性的路线难以实现低碳、经济、规模化和可认证部署，甚至从系统可行区退回条件依赖区，形成“名义低碳”而非“真实低碳”的发展模式。因此，产业安全治理不仅需要识别单项风险，更需要分析不同层次边界的收缩机制及其耦合效应（见图3）。

（一） 要素保障边界收缩：资源可得性与能源低碳性不匹配

要素保障是系统可行性形成的基础。生物制造虽然具有丰富的生物质、废弃油脂、工业尾气和二氧化碳等多元碳源，但真正决定产业部署的并非理论资源总量，而是资源是否能够实现可持续供给、经济运输和可追溯利用。农业秸秆、林业剩余物以及废弃油脂等资源具有明显的空间分散性和季节波动性[46]，资源半径扩大不仅提高原料成本，也增加运输排放和供应链复杂性，削弱生命周期减排优势。同时，原料来源是否满足可持续性要求、是否具备完善的追溯体系，也直接影响国际绿色认证和高端市场准入。

能源条件进一步决定资源优势能否真正转化为低碳优势。发酵、蒸馏、分离纯化、干燥、加氢和废水处理等环节均具有较高能源需求。当生产区域仍以高碳电力、化石蒸汽或灰氢为主时，生物基产品的生命周期碳足迹可能显著上升，甚至削弱其相对于传统石化产品的减排优势。对于CO2生物转化、电转液、生物航煤等路线而言，绿电、绿氢和水资源更是决定系统可行性的前置条件，典型路线的系统可行性边界敏感因素比较见表2。因此，要素保障边界的治理重点应由扩大资源供给转向构建资源、能源和水资源协同配置体系，提高可持续供给能力和区域匹配水平。

（二） 技术转化边界收缩：生物技术效率与工程放大能力不足

技术转化层是连接资源投入与产业产出的核心枢纽，也是我国生物制造系统可行性边界最容易发生收缩的环节。实验室阶段的技术可行通常表现为菌株性能、酶催化效率、底物利用率和目标产物收率等生物技术指标[8,15-20]，但这些优势只有与工程装备能力相结合，才能转化为稳定的工业化生产能力。

当前，我国在传统发酵产业积累了较好的工程基础，但先进生物制造仍面临高端生物反应器、在线传感器、过程控制系统、工业软件和共享中试平台等方面的不足[14-20,27,47-48]。随着装置规模扩大，传质传热、污染控制、连续运行稳定性和分离纯化能耗等问题将逐渐放大，导致实验室获得的成本优势和减排优势难以复制到工业尺度。同时，过程数据缺失又会进一步影响全生命周期评价、碳足迹核算和国际认证，形成技术、工程和制度之间的连锁约束。因此，技术转化边界不仅取决于菌株和工艺创新，更取决于工程放大体系、数字化能力和产业化平台建设。

（三） 产业组织边界收缩：供应链协同、园区承载与市场承接不足

生物制造产业不是单一工厂的技术活动，而是跨农业、能源、化工、装备制造、物流运输和终端市场的复杂产业网络。技术路线即使具备较好的资源条件和工程基础，如果缺乏稳定的供应链组织和市场承接能力，也难以实现持续的规模化运行。

产业组织边界收缩主要表现为三个方面：一是资源供应链韧性不足，原料、关键酶制剂、高端装备或工业软件供给受限，导致生产连续性下降；二是区域协同不足，资源地、能源地、加工地和消费地空间错配，提高物流成本和系统排放[21-22,45]；三是市场承接能力不足，下游绿色采购需求有限、长期订单缺乏、绿色溢价无法兑现，使低碳价值难以转化为稳定收益。对于综合生物炼制、区域产业集群以及出口导向型产品而言，供应链协同和市场组织能力已经成为决定系统可行性的关键因素。

（四） 制度治理边界收缩：碳足迹核算、认证追溯与国际规则约束

随着全球绿色贸易规则不断完善，制度治理正逐渐成为影响生物制造系统可行性的关键边界。对于可持续航空燃料、生物基材料和出口型化学品而言，产品是否具备国际竞争力，不仅取决于制造成本和产品性能，更取决于全生命周期减排结果是否能够被证明、被认可和被交易。

当前国际规则越来越强调生命周期评价、产品碳足迹、可持续原料认证、供应链追溯以及土地利用变化等要求[30-31,33,49-52]。如果缺乏统一的全生命周期数据库、可靠的数据采集体系和国际互认的碳足迹核算方法，即使产品具有较好的实际减排效果，也可能难以获得国际认证和市场准入。同时，终端市场的绿色采购机制、碳减排价值兑现机制和国际标准制定能力，也将持续影响我国生物制造产业的发展空间。因此，制度治理能力已经成为系统可行性的重要组成部分，而不仅仅是产业发展的外部约束。

（五） 边界耦合收缩：多重约束叠加下的名义低碳陷阱

上述四类边界并非彼此独立，而是在产业部署过程中形成持续耦合。资源供给不足会推高运输距离和能源消耗，工程放大能力不足会增加单位产品能耗和碳足迹，供应链组织效率下降又会进一步削弱市场竞争力，国际认证规则变化则可能反向影响原料来源、技术路线和区域布局。当这些约束相互叠加时，原本具有技术可行性的路线可能难以满足经济性、低碳性、规模化和市场准入等多重要求，从系统可行区退回条件依赖区，甚至陷入“名义低碳”的发展模式。

因此，生物制造产业安全治理应由单项风险管理转向系统可行性边界管理。未来项目布局和产业政策不应仅依据资源总量、实验室技术水平或规划产能进行判断，而应将资源供给、能源结构、工程放大、产业组织、全生命周期评价、碳足迹核算和国际认证等关键因素纳入统一评价框架，动态识别系统可行性边界的位置及其收缩风险。表3进一步归纳了资源、能源、工程、产业韧性以及规则与市场等维度的主要风险类型、传导链条和应对重点。只有不断提升四个层次的协同能力，持续拓展系统可行性边界，才能真正实现生物制造产业从技术可行向系统可行、从项目建设向产业安全的转变。

五、 “双碳”目标下我国生物制造系统可行性的提升路径

面向“双碳”目标和全球绿色产业竞争，未来我国生物制造产业发展的重点应由扩大产能规模转向持续提升系统可行性。系统可行性边界并非固定不变，而是随着资源保障能力、技术转化能力、产业组织能力和制度治理能力的提升不断向外扩展。只有持续优化四个层次的系统形成条件，推动更多技术路线进入系统可行区，才能真正实现生物制造产业从技术突破向规模化部署、从产品竞争向产业体系竞争的转变。

（一） 提升要素保障能力，夯实系统可行性的资源基础

要素保障是系统可行性的基础支撑。未来应统筹生物质资源、废弃油脂、工业副产气体、二氧化碳点源、低碳电力、绿氢、水资源及交通基础设施等关键要素[21-22,34-35,44]，建立区域资源 ‒ 能源协同配置机制，提高可持续资源供给能力和低碳能源保障能力。重点加强资源调查评价、动态监测和空间优化配置，推动资源供给由“资源总量管理”向“资源可持续利用能力管理”转变。同时，应加强资源供给与区域能源系统的协同规划，将绿电、绿氢、水资源承载能力纳入产业布局决策，避免资源优势与能源约束相互抵消，不断扩大要素保障边界。

（二） 提升技术转化能力，突破系统可行性的工程瓶颈

技术转化能力是决定系统可行性边界的重要支撑。未来应统筹推进生物技术创新与工程装备创新，既持续提升菌株设计、酶催化和发酵工艺等生物技术水平，又重点突破高端生物反应器、在线传感器、分离纯化装备、过程控制系统、工业软件和数字化放大等关键工程技术。进一步完善开放共享的中试验证体系，加强实验室、小试、中试和工业化示范之间的有效衔接，提高技术放大的稳定性和可复制性。同时，应推动数字孪生、人工智能和数据驱动优化技术在生物制造中的应用[32,48]，实现研发、放大和产业部署全过程优化，持续提升系统可行性边界。

（三） 优化产业组织能力，构建区域协同部署体系

生物制造产业布局应由同质化竞争转向区域协同发展。不同区域应根据资源禀赋、能源条件、产业基础和市场需求形成差异化发展定位。资源富集地区重点发展农林剩余物高值利用和木质纤维素生物炼制；创新资源集聚地区重点发展高附加值生物基材料、生物基化学品和中试平台；绿电绿氢资源优势地区探索二氧化碳转化及低碳燃料路线；沿海开放地区重点发展可持续航空燃料和出口导向型生物制造产品。与此同时，应加强区域之间资源供给、能源配置、物流运输、产业配套和市场承接的协同联动，构建多层次、多路径、多主体协同发展的产业组织体系，不断增强产业链供应链韧性。

（四） 完善制度治理能力，增强国际竞争优势

随着全球绿色贸易规则不断完善，制度治理能力已经成为决定生物制造系统可行性的重要组成部分。未来应持续完善全生命周期评价方法、产品碳足迹核算体系、原料追溯体系和绿色认证体系，加快建立具有国际互认能力的数据标准和评价方法[23-26,29,33,52]。积极参与国际标准制定，加强在生物质碳核算、绿氢碳强度认定、二氧化碳利用、生物基产品认证等重点领域的话语权建设，推动我国由国际规则的适应者逐步转变为规则的重要参与者和贡献者。同时，应完善绿色采购、绿色金融和碳市场等制度安排，使产品低碳价值能够被准确识别、有效认证和合理实现。

（五） 建设系统智能平台，提升系统可行性的动态治理能力

系统可行性具有显著的区域性和动态性，需要建立能够持续识别、评估和优化系统可行性边界的数字化支撑体系。建议建设国家生物制造系统智能平台，集成资源、能源、工程、产业和制度等多维数据，构建“数据 ‒ 知识 ‒ 模型 ‒ 决策”一体化技术体系。平台应集成资源数据库、生命周期数据库、技术经济模型、供应链优化模型和区域部署模型，实现不同技术路线、不同区域和不同政策情景下系统可行性的动态评估，为项目准入、区域布局、产业规划和政策制定提供科学支撑，推动我国生物制造由经验决策向数据驱动和智能决策转变。

六、 构建面向系统可行性的产业治理体系

持续提升生物制造系统可行性边界，不仅需要技术创新和产业布局优化，更需要形成覆盖政策协调、创新支撑、数据治理、风险管理和国际合作的现代产业治理体系，为我国生物制造产业长期健康发展提供制度保障。

第一，加强国家层面统筹协调。将生物制造产业体系安全纳入国家绿色低碳转型、未来产业培育和产业链供应链安全总体布局，建立科技、工业、能源、农业、生态环境、市场监管等部门协同推进机制，推动重大项目布局由单项技术论证转向系统可行性综合评估。

第二，完善创新基础设施体系。建设国家级开放共享中试平台、工程验证平台和数字化实验平台，完善高端生物反应器、分离纯化装备、工业软件和自动化实验平台等创新基础设施，提升关键技术持续迭代和工程放大能力。

第三，建立国家生物制造数据治理体系。建立覆盖资源供给、能源结构、生命周期评价、供应链组织、产业运行的数据采集、共享和更新机制，形成统一的数据标准和数据质量管理体系，为系统可行性评价提供长期稳定的数据支撑。

第四，建立系统可行性动态监测机制。围绕资源保障能力、能源低碳水平、工程放大能力、供应链韧性、碳足迹、国际认证和市场准入等关键指标，建立系统可行性监测评价体系，动态识别边界变化趋势，及时优化产业布局和政策措施，实现由静态规划向动态治理转变。

第五，完善产业风险防控机制。建立覆盖关键原料、低碳能源、核心装备、工业软件、认证体系和国际规则变化的风险识别、预警及应急机制，完善多原料替代、多区域协同和多路径转换方案，提高产业链供应链韧性和抗风险能力。

第六，深化国际合作与规则协同。充分利用国际科技合作平台，加强与国际组织、科研机构、行业协会、龙头企业合作，积极参与全球生物制造相关标准、认证体系和评价方法建设，推动我国生命周期评价数据库、产品碳足迹体系和绿色认证体系与国际规则对接，不断提升我国在全球绿色产业治理中的影响力。

七、 结语

生物制造是推动制造业绿色低碳转型、培育战略性新兴产业和构建现代化产业体系的重要方向。在“双碳”目标和全球绿色产业竞争背景下，生物制造产业安全已不再是单一技术突破或产品替代问题，而是资源保障、技术转化、产业组织和制度治理等多层次因素共同作用下形成的系统安全问题。传统以菌株性能、工艺收率或产品性能为核心的技术评价框架，已难以回答生物制造能否实现规模化部署、持续减排和国际竞争等关键问题。因此，推动产业分析从“技术可行”向“系统可行”转变，是我国生物制造迈向高质量发展的重要理论基础和实践要求。

本文构建了生物制造产业系统可行性分析框架，提出系统可行性边界由要素保障、技术转化、产业组织和制度治理四个层次共同塑造，并随着资源条件、能源结构、工程能力、产业协同和制度环境变化而动态演化。在此基础上，分析了我国不同区域、不同技术路线进入系统可行区的形成条件，识别了资源、能源、技术转化、产业组织和制度治理等多重因素导致的边界收缩机制，并进一步提出了面向系统可行性的产业提升路径和治理体系。本文强调，生物制造的低碳优势并非天然属性，而是在特定条件组合下形成的系统结果；产业安全也并非来源于单项技术领先，而是取决于多层次系统能力的协同支撑。

未来，我国生物制造产业竞争将由单项技术竞争逐步转向系统能力竞争，其核心不再是某一技术路线是否能够实现目标产物转化，而是能否在资源、能源、工程、产业组织和制度规则等多重约束下，实现低碳、可认证、可规模化部署。为此，应以系统可行性为导向，持续提升要素保障能力、技术转化能力、产业组织能力和制度治理能力，建立数据、知识、模型与规则协同驱动的系统智能治理体系，持续拓展生物制造系统可行性边界，为我国生物制造产业高质量发展提供科学支撑，也为未来绿色制造、生物经济及其他战略性新兴产业的规模化部署提供新的系统工程分析框架和产业治理思路。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

OECD. The bioeconomy to 2030：Designing a policy agenda［M］. Paris：OECD Publishing，2009：15-17.
[2]

European Commission. A sustainable bioeconomy for Europe：Strengthening the connection between economy，society and the environment：COM（2018） 673 final［R］. Brussels：European Commission，2018：1-14.
[3]

中华人民共和国国家发展和改革委员会. “十四五”生物经济发展规划：发改高技〔2021〕1850号［R］. 北京：中华人民共和国国家发展和改革委员会，2022：2-8.
[4]

National Development and Reform Commission of the People’s Republic of China. The 14th Five-Year Plan for bioeconomy development：NDRC high technology 〔2021〕 No. 1850［R］. Beijing：National Development and Reform Commission of the People’s Republic of China，2022：2-8.
[5]

National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine. Safeguarding the bioeconomy［M］. Washington，DC：National Academies Press，2020：291-345.
[6]

The White House. Executive order 14081：Advancing biotechnology and biomanufacturing innovation for a sustainable，safe，and secure american bioeconomy：87 FR 56849［R］. Washington，DC：The White House，2022：56849-56860.
[7]

National Security Commission on Emerging Biotechnology. Biomanufacturing 101［R］. Washington，DC：National Security Commission on Emerging Biotechnology，2024：1-5.
[8]

钟志华，尤政，朱明皓， 加快建设现代化制造业产业体系［J］. 中国工程科学，2026，28（1）：24-37.
[9]

Zhong Z H，You Z H，Zhu M H，et al. Accelerate the construction of a modern manufacturing industrial system［J］. Strategic Study of CAE，2026，28（1）：24-37.
[10]

云慧敏，陈必强，谭天伟. 中国生物制造关键技术进展与未来趋势［J］. 科技导报，2025，43（23）：24-32.
[11]

Yun H M，Chen B Q，Tan T W. Technology advances and future trends in China’s biomanufacturing technologies［J］. Science & Technology Review，2025，43（23）：24-32.
[12]

Voigt C A. Synthetic biology 2020—2030：Six commercially-available products that are changing our world［J］. Nature Communications，2020，11：6379.
[13]

Nielsen J，Tillegreen C B，Petranovic D. Innovation trends in industrial biotechnology［J］. Trends in Biotechnology，2022，40（10）：1160-1172.
[14]

戴厚良，陈建峰，袁晴棠， 我国化工石化产业绿色低碳转型发展研究［J］. 中国工程科学，2024，26（6）：223-232.
[15]

Dai H L，Chen J F，Yuan Q T，et al. Green and low-carbon transformation of China’s chemical and petrochemical industry［J］. Strategic Study of CAE，2024，26（6）：223-232.
[16]

谭天伟，陈必强，张会丽， 加快推进绿色生物制造助力实现“碳中和”［J］. 化工进展，2021，40（3）：1137-1141.
[17]

Tan T W，Chen B Q，Zhang H L，et al. Accelerate promotion of green biomanufacturing to help achieve carbon neutrality［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2021，40（3）：1137-1141.
[18]

王良玉，曹辉，谭天伟. 基于微生物发酵构建生物基材料及单体模块［J］. 化工进展，2025，44（5）：2394-2406.
[19]

Wang L Y，Cao H，Tan T W. Constructing bio-based materials and monomer modules based on microbial fermentation［J］. Chemical Industry and Engineering Progress，2025，44（5）：2394-2406.
[20]

欧阳平凯. 我国工业生物技术发展回顾及展望［J］. 生物工程学报，2022，38（11）：3991-4000.
[21]

Ouyang P K. The industrial biotechnology in China：Development and outlook［J］. Chinese Journal of Biotechnology，2022，38（11）：3991-4000.
[22]

Lee J W，Kim T Y，Jang Y S，et al. Systems metabolic engineering for chemicals and materials［J］. Trends in Biotechnology，2011，29（8）：370-378.
[23]

Lee S，Mattanovich D，Villaverde A. Systems metabolic engineering，industrial biotechnology and microbial cell factories［J］. Microbial Cell Factories，2012，11（1）：156.
[24]

Chubukov V，Mukhopadhyay A，Petzold C J，et al. Synthetic and systems biology for microbial production of commodity chemicals［J］. npj Systems Biology and Applications，2016，2：16009.
[25]

Lee S Y，Kim H U，Chae T U，et al. A comprehensive metabolic map for production of bio-based chemicals［J］. Nature Catalysis，2019，2（1）：18-33.
[26]

Cho J S，Kim G B，Eun H，et al. Designing microbial cell factories for the production of chemicals［J］. JACS Au，2022，2（8）：1781-1799.
[27]

Asin-Garcia E，Fawcett J D，Batianis C，et al. A snapshot of biomanufacturing and the need for enabling research infrastructure［J］. Trends in Biotechnology，2025，43（5）：1000-1014.
[28]

Yun H M，Wu T H，Bi X T，et al. Feasibility and challenges of low-carbon transition of China’s power system［J］. Environmental Science & Technology，2025，59（32）：16900-16912.
[29]

Yun H M，Dai J J，Tan T W，et al. Accelerate large-scale biomass residue utilization via cofiring to help China achieve its 2030 carbon-peaking goals［J］. Environmental Science & Technology，2023，57（25）：9163-9173.
[30]

Zuiderveen E A R，Kuipers K J J，Caldeira C，et al. The potential of emerging bio-based products to reduce environmental impacts［J］. Nature Communications，2023，14：8521.
[31]

Pawelzik P，Carus M，Hotchkiss J，et al. Critical aspects in the life cycle assessment （LCA） of bio-based materials：Reviewing methodologies and deriving recommendations［J］. Resources，Conservation and Recycling，2013，73：211-228.
[32]

Füchsl S，Huber J，Fröhling M，et al. Balancing the green carbon cycle：Biogenic carbon within life cycle assessment［J］. The International Journal of Life Cycle Assessment，2025，30（10）：2300-2313.
[33]

Sevigné-Itoiz E，Mwabonje O，Panoutsou C，et al. Life cycle assessment （LCA）：Informing the development of a sustainable circular bioeconomy？［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2021，379（2206）：20200352.
[34]

耿红军，王昶. 我国合成生物产业创新发展路径与政策保障研究［J］. 中国科学院院刊，2025，40（1）：127-139.
[35]

Geng H J，Wang C. Research on innovative development path and policy guarantee of China’s synthetic biology industry［J］. Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2025，40（1）：127-139.
[36]

周嗣杰，张一平，周晓， 科技创新与产业创新融合的典范：我国合成生物学的演进路径与战略抉择［J］. 中国科学：生命科学，2025，55（10）：1957-1967.
[37]

Zhou S J，Zhang Y P，Zhou X，et al. A paragon of the integration of technological innovation and industrial innovation：The evolution path and strategic choices of synthetic biology in China［J］. Scientia Sinica Vitae，2025，55（10）：1957-1967.
[38]

Pscherer T，Krommes S. LCA standards for environmental product assessments in the bioeconomy with a focus on biogenic carbon：A systematic review［J］. The International Journal of Life Cycle Assessment，2025，30（2）：371-393.
[39]

European Commission. Circular economy action plan：For a cleaner and more competitive Europe：COM（2020） 98 final［R］. Brussels：European Commission，2020：1-20.
[40]

International Sustainability and Carbon Certification （ISCC）. The ISCC CORSIA certification system：ISCC CORSIA 201，v1.1［S］. Cologne：International Sustainability and Carbon Certification System GmbH，2022：1-7.
[41]

Isoko K，Cordiner J L，Kis Z，et al. Bioprocessing 4.0：A pragmatic review and future perspectives［J］. Digital Discovery，2024，3（9）：1662-1681.
[42]

Prussi M. The sustainability dimension for sustainable aviation fuels （SAF）：Comparing regional and international approaches［J］. Sustainability，2025，17（18）：8401.
[43]

Xu Y F，Xie H Z，Hu Q W，et al. Mapping biomass availability in China：Bridging theoretical potential to practical utilization through sustainability and cost analysis［J］. Journal of Cleaner Production，2026，565：148554.
[44]

Fang M J，Zhong H M，Ma C，et al. Carbon discharge from agriculture residues generated in 2020 and left unused in China［J］. Biomass and Bioenergy，2025，201：107897.
[45]

Peralta-Yahya P P，Zhang F Z，Del Cardayre S B，et al. Microbial engineering for the production of advanced biofuels［J］. Nature，2012，488（7411）：320-328.
[46]

Bachleitner S，Ata Ö，Mattanovich D. The potential of CO2-based production cycles in biotechnology to fight the climate crisis［J］. Nature Communications，2023，14：6978.
[47]

Orsi E，Nikel P I，Nielsen L K，et al. Synergistic investigation of natural and synthetic C1-trophic microorganisms to foster a circular carbon economy［J］. Nature Communications，2023，14：6673.
[48]

Zhang C Y，Fei Q，Fu R Z，et al. Economic and sustainable revolution to facilitate one-carbon biomanufacturing［J］. Nature Communications，2025，16：4896.
[49]

Cai T，Sun H B，Qiao J，et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide［J］. Science，2021，373（6562）：1523-1527.
[50]

Sternberg A，Jens C M，Bardow A. Life cycle assessment of CO2-based C1-chemicals［J］. Green Chemistry，2017，19（9）：2244-2259.
[51]

Keasling J，Garcia Martin H，Lee T S，et al. Microbial production of advanced biofuels［J］. Nature Reviews Microbiology，2021，19（11）：701-715.
[52]

International Energy Agency. Global hydrogen review 2024［R］. Paris：IEA，2024：89-93.
[53]

Baral N R，Banerjee D，Mukhopadhyay A，et al. Integration of genome-scale metabolic model with biorefinery process model reveals market-competitive carbon-negative sustainable aviation fuel utilizing microbial cell mass lipids and biogenic CO2［J］. BioResources，2024，19（3）：4056-4086.
[54]

Yan K，Gao H B，Liu R，et al. Review on low-carbon development in Chinese industrial parks driven by bioeconomy strategies［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2024，199：114541.
[55]

Hidalgo-Crespo J，Alvarez-Mendoza C I，Soto M，et al. Towards a circular economy development for household used cooking oil in Guayaquil：Quantification，characterization，modeling，and geographical mapping［J］. Sustainability，2022，14（15）：9565.
[56]

王冠，庄英萍. 生物过程工程与智能生物制造［J］. 中国科学院院刊，2025，40（1）：107-115.
[57]

Wang G，Zhuang Y P. Bioprocess engineering and intelligent biomanufacturing［J］. Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2025，40（1）：107-115.
[58]

Pörtner R. Biopharmaceutical manufacturing：Progress，trends and challenges［M］. Cham：Springer International Publishing，2023：3-38，297-317.
[59]

Quiroz D，Greene J M，Limb B J，et al. Prospective life cycle assessment of sustainable aviation fuel systems［J］. Environmental Science & Technology，2025，59（36）：19269-19282.
[60]

Kurzawska-Pietrowicz P. Life cycle emission of selected sustainable aviation fuels：A review［J］. Transportation Research Procedia，2023，75：77-85.
[61]

王谋，张贤，马会强， 产品碳足迹管理研究与建议［J］. 环境保护，2024，52（16）：45-48.
[62]

Wang M，Zhang X，Ma H Q，et al. Research and recommendations on product carbon footprint management［J］. Environmental Protection，2024，52（16）：45-48.
[63]

Muisers J，Klerks K，Jansen A，et al. Improvement opportunities for policies and certification schemes promoting sustainable biofuels with low ghg emissions：Part 2：Robustness of GHG emission verification and certification of biofuels：A case study of selected supply chains and policies［R］. Paris：IEA Bioenergy：Task 39，T39-P3，2024：2-6，40-43.

基金资助

中国工程院咨询项目“提升新兴产业体系安全的若干重大问题研究”(2025-PP-11)

国家重点研发计划项目(2024YFB4206205)

中央经费基地项目“高空间分辨率生物质数据库的建设”(JD2633)

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