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精准发酵，一条复合年均增长率为40.5%的重要赛道

泰然健康网
2024-12-12 19:57

中国战略新兴产业融媒体记者李子吉

一吨发酵罐的乳清蛋白产量相当于8头奶牛，45吨罐微生物生产线相当于360头奶牛牧场产出的乳清蛋白，而养一头奶牛到产奶需要两年多，启动发酵罐产出乳蛋白只需5天。

发酵，可以说是人类最古老的生物制造技术之一了。

在几千年前，人们就开始从事酿酒、酱、醋，奶酪的发酵生产，并积累了许多有关发酵的经验。近百年来，随着代谢工程和合成生物学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革。

如今，通过微生物就可以合成可使用的乳清蛋白：一吨发酵罐的乳清蛋白产量相当于8头奶牛，45吨罐微生物生产线相当于360头奶牛牧场产出的乳清蛋白，而养一头奶牛到产奶需要两年多，启动发酵罐产出乳蛋白只需5天。微生物“奶牛”生产蛋白质的效率似乎远胜于牧场中的奶牛。

传统的微生物发酵正在演变为精准发酵，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。

什么是精准发酵？与传统发酵有哪些区别？可以应用在哪些领域？技术的发展面临哪些挑战？有怎样的发展潜力？又会在未来的人类生活中扮演什么样的角色呢？

生物制造的关键赛道

精准发酵技术（Precision Fermentation）也被称为微生物发酵，是发酵领域的一个重要分支，该技术利用基因编辑等工程化重编程方法改造细菌、酵母、藻类或真菌等微生物，从而生产特定的蛋白质、酶和其他化合物。需要注意的一点是，使用精准发酵技术制成的蛋白质、脂肪或成分并不是转基因产品（GMO）。

简单概括就是微生物宿主被用作“细胞工厂”，通过发酵来生产特定的功能成分，然后将该成分分离、纯化和利用。

精准发酵并非全新技术。早在20世纪80年代，精准发酵技术就开始投入到商业化使用中，至今已经在全球范围内发展了30多年，包括用于制造胰岛素等药物以及人乳低聚糖或凝乳酶等多种常见的食品成分。就拿凝乳酶来说，公开数据显示，到2006年，凝乳酶精准发酵物就占据了全球凝乳酶80%的市场份额。

如今，精准发酵技术被视为下一代可持续天然替代品生产的关键技术，作为生物制造产业的一条重要赛道，它在替代蛋白领域、食品工艺领域以及生物医药领域得到广泛应用，有助于推动我国经济的绿色转型，促进可持续发展，同时满足消费者对健康、天然产品的需求。

与其他动物替代品相比，该技术提升了生产效率，有潜力以更低成本生产优质的新蛋白，可用于开发无动物的奶制品、冰淇淋、蜂蜜、肉类等食品。数据显示，当牛作为“生产工具”所产生的原料效率仅为4%，而精准发酵技术可以将该数字提升至40%-80%。同时精准发酵技术在产品安全和质量方面具有显著优势，在受控的发酵环境中，生产过程可以得到更为严格的监管。

另一方面，该技术可以减少动物养殖及其碳足迹，可以最大限度减少食品和原料生产对环境的影响，有助于应对气候变化。此外，该技术只需在实验室和车间操作即可，无需使用过多的土地和水资源，可以进一步保护生物多样性和人类健康。

复合年均增长率为40.5%

根据 Valuates Reports的数据，2021年全球精准发酵市场规模为13亿美元，预计到2031年市场规模将达到349亿美元，期间2022年至2031年复合年均增长率为40.5%。

百亿美元市场规模的背后是精准发酵技术和产业的突破，全球对精准发酵领域持续押注，人们对无动物乳制品、肉类和配料的需求和偏好以及相关政策利好等。

在美国，精准发酵被认为是国家新兴生物经济的一个主要焦点，相关精准发酵企业也比较活跃。Perfect Day与联合利华宣布推出通过精准发酵生产的无乳糖巧克力冰淇淋，此前Perfect Day还推出了精准发酵无动物牛奶Very Dairy；雀巢推出了精准发酵制成的Better乳清蛋白粉。

在中国，精准发酵有着较为成熟的产业基础，例如利用工程化微生物生产人类胰岛素、生长激素、酶以及维生素。“十三五”期间，生物发酵产业主要产品产量从2016年的2626万吨增加到2020年的3141万吨；出口量从2016年的约429万吨增加到2019年的约527万吨。国内推动发酵全行业发展的行业组织是中国生物发酵产业协会，前身为中国发酵工业协会，暂未查询到专注精准发酵的行业组织。

国内精准发酵领域目前还处于发展的早期阶段，但已经有一些企业开始在这个领域进行布局。

上海昌进生物科技有限公司是一家聚焦生物合成蛋白和微生物蛋白的研究、开发、产业化的国家高新技术企业，是中国首批同时具备微生物蛋白和重组蛋白双赛道技术实力的食品科技企业之一。去年7月，昌进生物两条45吨微生物合成蛋白规模生产线投产。今年，公司在继续推进规模化生物制造的同时，还将积极推动合成生物食品的国内外准入。

先后完成多轮数亿元股权融资的微元合成生物技术（北京）有限公司，同样致力于合成生物学技术的研发和产业化。凭借所掌握的底层技术，微元合成在全球范围内首家实现甘露醇生物制造技术量产，为化工加氢生产甘露醇产业向绿色可持续转型提供了解决方案；全球首创的以葡萄糖或粗蔗糖为原料直接发酵生产阿洛酮糖技术，彻底解决了目前工业生产存在的原料成本高、转化率低、分离困难等难题，大幅降低生产成本；行业领先的生物发酵法生产叶黄素、玉米黄质等天然类胡萝卜素产品，相较于传统的植物提取，大幅降低生产成本的同时，还可节约大量耕地资源。

山东恒鲁生物科技有限公司成立于 2018年3月，致力于HMOS、红景天苷等新物质的绿色制造和商业开发。恒鲁生物开发了“酶/酵母双法”技术，成功合成多种母乳低聚糖（HMOS）。产品系列包括 LNB、LNT、LNnT、LNTI1、2'-FL等，建成年产20吨的HMO生产基地，采用完全自主研发的酵母合成HMO量产技术，实现国内首家多种HMOs的大规模生产。

AI能否解决产业化难题

精准发酵在产业化的过程当中仍然面临一些挑战。

首先精准发酵技术在产业化过程中遇到了诸如生物反应器设施量不足等问题。大多数工业发酵过程都需要生物反应器，这些反应器基本是大型容器，为微生物和真菌的繁殖和生长提供了理想的条件。目前，全球的生物反应器运行容量为6100万升，其中仅有1000万升是未被预定的，而其中仅有200万升是食品级的。以新蛋白行业为例，近年来行业快速发展，且预计在未来几年需求仍将继续增长，而这大部分依赖于发酵。然而，当前的设施却无法满足急剧增长的需求。

精密发酵在制造和规模化方面也取得了一些重要进展。Imagindairy 推出了一座拥有10000 升发酵能力的工业规模设施，新西兰精密发酵公司Daisy Lab 提高了 β-乳球蛋白乳清粉的产量，并多元化生产乳铁蛋白，Yali Bio 开发了其称之为全球第一种从酵母中提取母乳脂肪的精密发酵技术。

另一方面，在精准发酵技术的研究路线当中，上游的菌种构建和中游的工艺开发中间有个脱节的环节。这种脱节表现在研究人员在上游菌种构建的时候过多地把精力注意集中到遗传因素的改变，集中到了代谢途径网络，但是忽略了在发酵过程中反应器当中的一些参数对细胞的影响。

比如说，操作变量都会最终作用到细胞内，引起细胞生理状态的变化，而这些生理状态参数的变化反过来又会再进一步导致发酵细胞内部发生变化。而这样的一个过程更多的是受环境变量的影响，也就是说要用环境变量的影响结合遗传变量的影响才能够为菌种构建提供更多的信息变量。

在这方面，AI的应用可能会为精准发酵技术注入新的活力，帮助实现最大的生产效率和保证产品质量。

美国智能连续发酵技术公司Pow.Bio开发了一个AI驱动的连续发酵平台，公司CEO Dr.Wang Ouwei称其为行业的游戏规则改变者。“将AI整合到生物制造过程中不仅提高了效率，而且还推动了我们用生物技术所能实现的界限”。

由蒙牛与合成生物学公司弈柯莱合资成立的虹摹生物，主要从事合成生物学方法的研发，并致力于将其应用于规模化生产。当前，虹摹生物已经建立了规模庞大的生物资源工程库平台，在生物合成、高性能细胞工厂智能设计以及产品规模化生产上积累了丰富经验。

AI在精准发酵中的作用可以贯穿整个生产环节，其中最关键的能力有三点，分别是大数据处理能力、通过模型模拟的能力和优化指导发酵过程的能力。

AI可以为研究人员提供一定的数据分析。比如，大数据可以通过传感器和数据采集系统，实时收集发酵过程中关键参数的数据，如温度、pH、溶氧浓度、营养物质浓度、代谢产物浓度等。除了这些基本的辅助收集，人工智能的加入能实现对数据的预处理，包括数据清洗、去噪、归一化等，确保数据质量，同时利用机器学习和数据挖掘技术，可以对海量数据进行分析，发现隐藏规律。

想要对数据进行准确分析，也需要各类型模型的建立，比如发酵设备的物理模型，包括流体动力学模型、热力学模型等；还有菌株模型，通过基因组学、代谢组学和转录组学数据，建立菌株的代谢网络模型和基因调控；此外还有利用代谢流分析（MFA）和约束为基础的代谢模型（CBM）、结合设备模型和菌株模型的发酵工艺模型等。

模型建立完成后，通过AI的模拟和优化，可以进一步指导发酵优化。首先通过实时数据采集和模型预测，监控发酵过程中的关键参数，利用反馈控制系统（如PID控制、模糊逻辑控制等），实时调整操作条件，确保发酵过程在最佳状态下运行。并实时基于模型预测结果，制定优化策略，如优化营养物质供给、调控温度和pH、调整通气和搅拌速率等，提高发酵产量和生产效率。