西门子：2025生物发酵行业数字化转型白皮书

微信扫码，打开到小程序

1 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 2025.08 生物发酵行业数字化转型白皮书 Bio-Fermentation Industry 2 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 目录 第一章：生物发酵行业分析 .............................................................................. 3 1.1 行业概述 .................................................................................................. 3 1.2 政策支持 .................................................................................................. 4 1.3 未来趋势 .................................................................................................. 4 1.4 产业链 ..................................................................................................... 4 第二章：工艺及特点分析 ................................................................................. 5 2.1 生产特点 .................................................................................................. 5 2.2 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 .............................................................................. 7 3.1 集成的自动化平台 ................................................................................... 7 3.2 数字孪生 .................................................................................................. 7 3.3 一体化工程 .............................................................................................. 8 3.4 发酵过程的精准控制 ................................................................................ 8 3.5 柔性化生产 .............................................................................................. 9 3.6 生产计划及执行 ....................................................................................... 9 3.7 首次即正确的生产 ................................................................................... 9 3.8 质量管理 ................................................................................................10 3.9 预测性维护 .............................................................................................10 3.10 能碳管理 .................................................................................................10 3.11 IT/OT 融合 ...............................................................................................11 3.12 远程运维 .................................................................................................11 3.13 网络和数据安全 ......................................................................................11 3.14 员工的技能培训 ......................................................................................12 3.15 标准化与数字化咨询 ...............................................................................12 3.16 生命周期服务 ..........................................................................................12 第四章：案例分享 ......................................................................................... 13 3 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 第一章：生物发酵行业分析 1.1 行业概述 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。 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 来源：智研咨询 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。 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。 图 2 2021-2024 年我国生物发酵主要产品总产量及总产值2 2 我国生物发酵产业协会 图 1 生物发酵的应用领域 4 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 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。 1.3 未来趋势 1.4 产业链 图 3 生物发酵产业链 5 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 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） 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 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。 • 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。 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。 图 4 生物发酵的工艺流程 6 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 2.2 生物发酵工厂生命周期内的常见问题 关注点 常见问题 工艺与 设计 工艺放大 细胞内部复杂的代谢调控网络，以及细胞外部复杂的湍流环境，使得发酵过程在实验 室、中试和工业规模发酵罐中的表现存在巨大差异，生产放大困难重重 高效工程 传统设计流程中，工艺、电气和自控等专业不能并行进行，设计周期过长，数据存在于 不同的数据库或文件中，维护混乱，版本众多，给工厂的后续运维优化带来挑战 工厂自 动化 人工操作 生产过程靠经验操作和控制，参数控制难达预期。人工清洗也存在安全隐患 整线监控 灌包装设备以单机操作为主，缺少整线集中监控 标准化 单机设备众多，硬件选型、软件编程、网络接入和数据接口等各不相同，系统集成沟通 成本太高，也给后期维护带来诸多困难 效率和 能耗 染菌 由于灭菌操作不规范导致的染菌事件频发，严重影响生产进度，造成大量的能源和原料 的浪费 柔性生产 中试工厂为生物发酵行业的大规模量产提供了平台保证，但柔性化需求很高，特别是在 分离纯化工艺，软件必须具备模块化、图形化的特点，以便灵活组合分离纯化工艺 得率和品质 对于需要干燥的产品，含水率过低导致得率下降，过高导致产品不合格 综合 OEE 单机设备和整线的生产效率统计和分析功能仍不完善，缺少跨产线、车间级的效率统计 分析系统 能源消耗 没有完整的三级计量体系，缺乏完善有效的能源管理系统，能耗分析无法细化到单线与 单品消耗，无法为减能增效提供有力支撑 生产 计划和 管理 生产计划 计划变动频繁，依靠人工计算和排产，不能很好兼顾能源、设备效率等因素；生产管理 系统和上级 ERP 系统、和下级车间控制系统之间数据不连通，无法实现高效排产 部门协同 和生产相关的部门，比如仓库、采购、计划、质量等部门之间的协同方式比较原始，效 率低下 生产记录和报工 生产作业和报工报表仍依靠人工填写纸质记录，再录入系统，不能保证实时性和准确性 品质 控制 品质控制 发酵条件和原料的差异可能导致产品质量的波动，影响产品一致性 取样化验 取样、化验缺乏电子记录系统，转序放行的及时性不足 质量追溯 原料的质量信息难以追溯；菌种、原料、成品与生产过程的关联不足 维护 管理 设备信息 设备选型原因，或者没有利用通讯网络的优势，将仪表、电气等设备的故障信息和诊断 信息进行收集，更多依赖人工巡检的方式来发现问题 设备预防性维护 设备的预防性维护和预测性维护缺乏运行数据支持，依赖人员能力 维修流程管理 维修人员效率考核薄弱，维修结果缺乏确认；花费记录粗略，辅材消耗分摊不明确；安 全评估及作业防护管理薄弱 维修知识系统 维修知识没有沉淀到数字系统中，问题再次发生时又要耗费很多时间去解决 7 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 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。 3.1 集成的自动化平台 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。 3.2 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。 • 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 图 5 PCS 7 过程控制系统的功能架构及 TIA 博途全集成自动化平台 8 Unrestricted | © Siemens 2025 | DI FA VM-F&B Future Food 3.3 一体化工程 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。 3.4 发酵过程的精准控制 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。 SIMATIC PCS 7 作为先进的过程控制系 统，本身的 APL 库提供了很多算法功能块， 可以通过工业库、先进控制库扩展系统的控 制功能，还可以实现 SCL 语言生成自定义功 能块，满足用户灵活的需求。 图 6 基于统一