微构工场打造生物制造领域 数字孪生工厂的实践经验

近年来，在国家政策的大力支持下，合成生物及生物制造产业迎来了重要的发展机遇。《“十四五”生物经济发展规划》中明确提出，包括合成生物学在内的生物经济是未来中国经济转型的新动力。党的二十大报告指出，要推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。

微构工场聚焦合成生物学生物制造领域，正在加快数字化、智能化的进程，进一步释放生物制造产业的数字生产力。

生物制造产业数字化正当时

合成生物学，即利用基因编辑等手段，对生物体进行设计、改造乃至重新合成，来创造出各种全新的生物体，被称作21世纪颠覆性创新技术。麦肯锡预测，未来将会有70%的化学制造物质被生物合成方式替代。

生物制造是合成生物学主要的应用方向之一，区别于传统化工生产需要石油基原料、产生高污染高能耗，生物制造在生产原料、加工工艺等方面有着绿色天然性、可持续性的独特优势，但同时也伴随着工艺不稳定、规模化难等问题。

以生产新型高分子材料PHA（聚羟基脂肪酸酯）为例，在完成了前期的底盘菌株选择及优化后，开始进入放大生产的环节。从小试平台到中试平台，再到规模化生产，不仅仅是从“升”到“吨”，简单的单位数量级放大，而是对生产工艺的高质量、精细化考验。大规模发酵罐需要机械搅拌以保证基质、氧气和热量的均匀分布，但同时在菌种的生产繁衍、对环境的耐受力、杂质污染等方面带来了诸多不稳定因素，容易造成定向生产失败。

但如果能跳出传统制造业的范畴，在整个菌种构建和放大生产的过程中都实现数字化，不断进行“设计、构建、检验、学习”循环，积累更多的数据，那么就可以随时掌握数据收集整合、数据分析、结果可视化和建模分析等，从中获取规律与指导，真正实现精细化生产和运营。

对此，微构工场决定在北京的PHA千吨生产示范线建设中应用数字技术，创新地将数字孪生技术与生物制造相结合，从零开始搭建适用于下一代嗜盐菌底盘细胞技术体系的合成生物学数字工厂。

微构工场数字孪生工厂实践经验

微构工场成立于2021年，成果转化自清华大学，主要利用“下一代工业生物技术（NGIB）”进行一系列合成生物学的创新研发和生产，包括生物降解材料PHA、医药中间体四氢嘧啶、尼龙56前体戊二胺等多种高附加值产品。

“下一代工业生物技术（NGIB）”使PHA的合成代谢过程操作简单、开放连续、绿色安全，不仅解决了传统化工制造高污染、依赖石油等问题，同时使得产品的纯度、工艺安全得到保障，而且大幅降低了传统生物制造的能耗，最终实现发酵成本降低30%，生产效率提升50%。基于该技术，微构工场突破了工业化量产壁垒，2022年10月，实现了北京千吨合成生物学智能生产示范线的建成与投产，并利用数字技术达到生产运营的双升级。

微构工场的数字孪生工厂是基于物联网、数据中台、BIM等现代信息化技术，开发出的合成生物学数字孪生生产管理系统。数字化赋予了生物制造产线全新的功能——工艺流程可控化，这使微构工场的制造工艺在绿色低碳、满足可持续发展的同时，也克服了生物制法中工艺不稳定、规模化人工成本高的缺点，实现生物生产线全生命周期低碳化、透明化。

而后，智能化生产采用先进的DCS控制系统对装置进行控制，对部分重要的工艺参数设置信号报警及联锁系统，再通过引入数字化平台系统，模拟生产实景，实时监控罐体中环境、原料的数据信息。

数字孪生

微构工场联合深度智控开发出的合成生物学数字化双胞胎生产管理系统，整合了生产工艺设备、工艺辅助设备、能耗能效、控制逻辑、碳排放数据，实时监控生产过程，并以数字的方式重构生产过程。利用数字孪生工厂，可以解决在生物制造生产过程中人为控制的差异、人工操作时间频率等因素对生产结果的影响，实现生产过程全流程进行实时监控，更精准、更客观地控制生产过程，降低人为控制的失误风险。

场景建设完成后，整个合成生物生产线的过程数字化控制率将达到80%，发酵操作人员由常规的4人减少至1人，运维效率提升70%以上，产品不良品率降低10%以上。

EMS 能效管理

以往设备的运行、能耗需要人工来监测，通过建立能源管理平台，对厂房的能耗进行统计、对比、排名、占比等分析，以直观的图表进行展示，可以帮助管理人员清晰掌握厂房能耗去向，以此节省传统人工抄录数据带来的人力资源不足、数据准确性不高等问题。

场景建设完成后，通过定期分析月度、季度生产能流图，制定方案限制高耗电设备用电频次、优化用电时间段，实现单位产品综合能耗降低10%以上，单位产品二氧化碳排放量降低10%以上。

FM 设备设施管理

此外，数字工厂应用物联网平台技术，通过生产各运行班组数据链接，实现支持多网络、多协议、多平台、多区域设备快速接入和实时在线、协议标准转换，以及数据统一转发、集中存储等等功能，最终生成数据精准、安全集中的底层数据库，辅助生产人员实时查看、分析每批次物料在生产过程中发生的问题，配合设备自动报警触发功能、运维工单自动生成功能，实现以三维展示为基础的整套生产工艺数字化处理流程。

场景建设完成后，日常巡检人员由3人降低到1人，运维效率提升60%以上，设备综合利用率提升20%。

结语

2022年年底，微构工场的数字孪生工厂入选工信部等四部门公布的“2022年度智能制造示范工厂优秀场景”，也证明了数字化生物制造备受国家的关注与期待，为合成生物学智能化生产转型提供了成功的可参考样本。

生物制造是破解资源瓶颈的重要手段，是实现碳达峰碳中和的重要支撑，必将成为继智能制造、绿色制造之后，制造业转型升级的又一重要抓手。

未来，微构工场数字化平台的深化将由点及面，将多个场景串联打造属于下一代工业生物技术的专属数字化智能制造示范工厂，由数字孪生延伸到智能仓储、协同作业、质量追溯、能耗管理等多条相关管线。进一步，在PHA生产放大的同时将数字化应用于湖北宜昌的万吨产线，在规模化、批量化设计、施工、运维的全生命周期中发挥更大的效能。相信在数字化的赋能下，合成生物与生物制造领域将释放出更大的潜力与竞争优势。

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