生物发酵行业数字化转型白皮书

2025.08 目录 第一章：生物发酵行业分析..............................................................................31.1行业概述..................................................................................................31.2政策支持..................................................................................................41.3未来趋势..................................................................................................41.4产业链.....................................................................................................4第二章：工艺及特点分析.................................................................................52.1生产特点..................................................................................................52.2生物发酵工厂生命周期内的常见问题.......................................................6第三章：智能制造解决方案..............................................................................73.1集成的自动化平台...................................................................................73.2数字孪生..................................................................................................73.3一体化工程..............................................................................................83.4发酵过程的精准控制................................................................................83.5柔性化生产..............................................................................................93.6生产计划及执行.......................................................................................93.7首次即正确的生产...................................................................................93.8质量管理................................................................................................103.9预测性维护.............................................................................................103.10能碳管理.................................................................................................103.11IT/OT融合...............................................................................................113.12远程运维.................................................................................................113.13网络和数据安全......................................................................................113.14员工的技能培训......................................................................................123.15标准化与数字化咨询...............................................................................123.16生命周期服务..........................................................................................12 第一章：生物发酵行业分析 1.1行业概述 突破，带动了整个产业链升级。生物发酵领域的投资热度持续攀升，许多上游原料供应商开始布局发酵产业，下游食品饮料、美妆等企业也纷纷通过投资或合作的方式进入这一领域，形成了全产业链协同发展的新格局。 生物发酵是采用现代工程技术手段，利用微生物的代谢活动，为人类生产有用的产品，或直接通过扩大培养将微生物应用于工业生产过程的一种技术。产物主要包括氨基酸、有机酸、酵母、多元醇等。 生物发酵是生物制造中的重要环节，对于推动我国经济社会转型和满足人民美好生活生需要具有重要意义。 然而，当今生物发酵行业仍面临多重挑战：现有菌种转化效率低、发酵过程控制精准度有待提升、原材料和能源成本居高不下、国际市场专利壁垒严峻、环保法规日趋严格。在这样的背景下，数字化转型成为企业突破发展瓶颈、提升竞争力的关键路径。 中国轻工业联合会披露，2024年，生物发酵主要产品产量3496万吨，同比增长约6.1%；出口约880万吨，同比增长约19.7%，同比出口额增长约8.5%。2024年，我国生物发酵行业主要产品总产值约为2900亿元1。 近年来，生物制造产业迎来重大发展机遇。合成生物学、发酵动力学等前沿科技的 1.2政策支持 中国生物制造行业正迎来密集的政策红利。2021年12月国家发改委发布的《"十四五"生物经济发展规划》明确提出，要构建生物技术战略科技力量，重点突破关键核心技术瓶颈。2024年发布的《政府工作报告》更是将生物制造列为重点培育的新质生产力，此举标志着该领域已进入国家战略发展快车道。2025年3月的《政府工作报告》中提出要建立未来产业投入增长机制，培育生物制造等未来产业。2025年6月，工信部和发改 委公布的《两部门关于开展生物制造中试能力建设平台培育工作的通知》提出，到2027年，力争培育中试能力建设平台20个以上，服务企业数量超过200家，孵化产品400个以上，有力支撑创新成果的小试验证—中试扩大—产业化应用”。 生物制造作为提升经济竞争力的着力点，也是我国继绿色制造、智能制造后，推进制造强国建设的又一个重要抓手。 第二章：工艺及特点分析 2.1生产特点 •前段工艺（菌种活化、扩大培养） •分离、纯化阶段 该阶段以单机设备为主，工艺路线复杂多样，直接决定产品最终品质。由于发酵中会产生多种产物，性质差异较大，需要组合运用沉淀、过滤、离心、萃取等多种分离及纯化技术，才能实现目标产物的高效分离。不同的目标产物往往需要定制化的分离纯化方案，根据产物特性和纯度要求，优化工艺组合路线。 为了让菌种逐步适应发酵环境，采取逐级放大培养的方式，从固体试管、液体试管、到小三角瓶、大三角瓶，再到种子罐，逐步进行过渡。该步骤旨在为后续大规模发酵提供大量新鲜且具有高活力的菌种，并使菌种逐步适应发酵环境，从而缩短发酵周期、降低能耗、减少染菌的风险。 •发酵阶段 在中试阶段，各类单机设备需实现模块化、灵活化组合，满足快速验证不同工艺方案的需求，评估各单元操作效果，为工业化生产提供设备选型和工艺优化的可靠依据。 与化学合成相比，发酵过程在常温常压下进行，反应条件温和，能耗低且安全性高。但发酵过程涉及复杂的生物化学反应，不同菌种和目标产物对温度、pH值、溶氧等参数要求各异，需要实现参数的精准把控。同时，工艺参数间存在复杂关联性，在规模化生产中面临传质效率和参数均一性等挑战。 第三章：智能制造解决方案 随着生物发酵行业向规模化、精细化方向发展，传统的生产模式已难以满足高效率、高质量的制造需求。工艺过程的复杂性、参数控制的敏感性都对企业的智能化升级提出迫切要求。西门子凭借在工业自动化和数字化领域的深厚积累，结合对生物发酵行业的深入理解，致力于为企业提供从工艺设计、生产控制到运营优化的全流程智能制造解决方案。 3.2数字孪生 基于西门子强大的产品组合，通过打造“生产”的数字孪生体，企业可以实现在虚拟孪生环境中提前对工艺、设备、产线、工厂及物流等进行仿真、验证、调试及优化，并在投入生产后基于实际生产数据对虚拟模型进行进一步的迭代和优化。这种全方面的数字孪生不仅降低了实施风险，更为生产的持续优化提供了数字化基础。 3.1集成的自动化平台 •gPROMS平台：结合机理和AI，减少试验时间，加快量产进程•NX MCD平台：用于设备开发，可进行虚拟调试•Process Simulate：实现产线级仿真，验证生产工艺和布局•Plant Simulation：优化工厂运营、仓储和物流系统 在数字化转型中，自动化系统是智能工厂的核心基础。生物发酵工厂主要涉及两类自动化系统：一是面向单机设备的离散控制系统（如西门子TIA博途平台）。TIA博途平台不仅可集成PLC、变频器、软启动器等硬件，还具备虚拟调试、数字化设计和云连接功能，有效支持设备的快速开发和部署；二是应用于淀粉糖制备、发酵、分离、纯化、干燥全流程的过程自动化系统（如西门子PCS 7）。两者协同运作，为生物发酵工厂的数字化转型打造了完整的自动化基础架构。 3.4发酵过程的精准控制 3.3一体化工程 生物发酵过程的精准控制对于生产具有重要意义，但是在实际生产中实现这一目标面临诸多挑战。微生物在不同生长阶段对于温度、pH、溶氧浓度等参数的需求存在显著差异，而且这些参数之间往往会相互影响。参数控制不当，轻则延长发酵时间，重则导致发酵失败。在很多发酵过程中，要求工艺参数的波动范围较小，甚至在中试工厂中，由于菌种、原料的不同，发酵调节参数需要经常变换，这给操作人员带来很大的不便。 当今复杂的工程项目中，设计、实施和运维团队经常面临多重挑战：工程设计和自动化系统的协同难度大，跨平台数据管理繁琐，文档更新不及时等。 一体化工程与运营方案COMOS应运而生，通过建立从设计、建设到运维全生命周期的统一的中央数据库，简化工作流程，提高数据一致性，大大降低人为错误，使工程项目的执行更加高效可靠。 SIMATIC PC