生物化工論文

1、眾所周知，21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ膬纱螽a(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)（IT）和生物技術(shù)。信息技術(shù)發(fā)展迅猛，并已滲透到社會生活的各個角落。有關(guān)信息技術(shù)的報道多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、信息全球化等，不但頻頻亮相于媒體，而且與我們的日常生活息息相關(guān)。而與IT的轟轟烈烈相比，生物技術(shù)看起來卻平平淡淡，雖然基因、克隆、人類基因組計劃、生物多樣性等字眼經(jīng)常見諸報端，但離我們的生活似乎還很遙遠。所以，也有專家這樣評論：20世紀不是生物技術(shù)的世紀，而是生物工程蓄勢待發(fā)的世紀，21世紀才是生物工程的世紀?？寺⊙蚨嗬恼Q生，人類基因組90測序工作的完成，歐美、日本等發(fā)達國家對生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資的逐年加大，世界各大公司生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)的合并浪潮一浪

2、高過一浪，所有這一切，都使我們相信，21世紀的的確確是生物技術(shù)的時代。 生物化學(xué)工程（又叫生化工程或生物化工）是化學(xué)工程與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。生物化工是生物技術(shù)的重要分支。與傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)相比，生物化工有某些突出特點：主要以可再生資源作原料；反應(yīng)條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產(chǎn)過程；環(huán)境污染較少；投資較??；能生產(chǎn)目前不能生產(chǎn)的或用化學(xué)法生產(chǎn)較困難的性能優(yōu)異的產(chǎn)品。由于這些特點，生物化工已成為化工領(lǐng)域重點發(fā)展的行業(yè)。1. 世界生物化工行業(yè)的現(xiàn)狀 生物化工發(fā)展至今已經(jīng)歷了半個多世紀，最早主要是生產(chǎn)抗生素；隨后，是為氨基酸發(fā)酵、舀體激素的生物轉(zhuǎn)化、維生素的生物法生產(chǎn)、單細胞蛋

3、白生產(chǎn)及淀粉糖生產(chǎn)等工業(yè)化服務(wù)。自20世紀80年代起，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，生物化工又利用重組微生物、動植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)等手段生產(chǎn)藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。而且，生物化工的應(yīng)用已涉及到人民生活的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化輕原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護、資源和能源的開發(fā)等各領(lǐng)域。隨著生物化工上游技術(shù)生物工程技術(shù)的進步以及化學(xué)工程、信息技術(shù)（IT）和生物信息學(xué)（bioinformatics）等學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，生物化工將迎來又一個嶄新的發(fā)展時期。 生物化工行業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，已形成了一個完整的工業(yè)體系，整個行業(yè)也出現(xiàn)了一些新的發(fā)展態(tài)勢。下面簡要描述生物化工行業(yè)的現(xiàn)狀。11工業(yè)結(jié)構(gòu)

4、 由于生物化工涉及面廣，涉及的行業(yè)多，所以從事生物化工的企業(yè)較多。據(jù)報道，90年代中期，美國生物化工企業(yè)有：000多家，西歐有580多家，日本有300多家。近年來，雖然由于行業(yè)競爭日趨激烈，生物化工企業(yè)有較大幅度減少，但與生命科學(xué)（主要指醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)生化技術(shù)）諸侯割據(jù)的局面相比，生物化工行業(yè)依然是百花齊放，百家爭鳴。既有象諾華、捷利康等從事生命科學(xué)的世界性大公司，也有象DSM、諾和諾德等大型的精細化工公司，當然也有在某一方面有專長的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科學(xué)部分轉(zhuǎn)移，生物化工行業(yè)百花齊放的局面在很長一段時間內(nèi)不會有什么改變。12產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的生物化工行業(yè)主要是

5、指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行業(yè)，而在目前，它已幾乎滲透到人民生活的各方面如醫(yī)藥、保健、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源、材料等。同時，生物化工產(chǎn)品也得到了極大的拓展：醫(yī)藥方面有各種新型抗生素、干擾素、胰島素、生長激素、各種生長因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有賴氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、脯氨酸等以及各種多肽；酶制劑有160多種，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、青霉素酶、過氧化氫酶等；生物農(nóng)藥有Bt、春日霉素、多氧霉素、井崗霉素等；有機酸有檸檬酸、乳酸、蘋果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亞麻酸、透明質(zhì)酸等。還有微生物法1，3丙二醇、丙烯酞胺等。目前

6、，全球生物化工年銷售額在400億美元左右，每年約以78的速率增長。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，生物化工領(lǐng)域生產(chǎn)規(guī)模范圍極廣，市場年需求量僅為千克級的干擾素、促紅細胞生長素等昂貴產(chǎn)品（價格可達數(shù)萬美元g）與年需求量逾萬噸的抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農(nóng)業(yè)生化制品等低價位產(chǎn)品（部分價格不到：美元g）幾乎平分秋色。高價位的產(chǎn)品市場份額在5060，低價位的產(chǎn)品市場份額在4050。而且，根據(jù)近年來生物化工的發(fā)展趨勢及人們對醫(yī)藥衛(wèi)生的重視來看，高價位產(chǎn)品的發(fā)展速率高于低價位產(chǎn)品。13技術(shù)水平生物化工經(jīng)過80年代以后的蓬勃發(fā)展，不僅整個行業(yè)技術(shù)水平有大幅度提高，而且許多新技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。131發(fā)酵工程技術(shù)已

7、見成效據(jù)估計，全球發(fā)酵產(chǎn)品的市場有120130億美元，其中抗生素占46，氨基酸占16.3，有機酸占132，酶占10，其它占145。發(fā)酵產(chǎn)品市場的增大與發(fā)酵技術(shù)的進步分不開?，F(xiàn)代生物技術(shù)的進展推動了發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，發(fā)酵工業(yè)的收率和純度都比過去有了極大的提高。目前世界最大的串聯(lián)發(fā)酵裝置已達75 m許多公司對發(fā)酵工藝進行了調(diào)整，從而降低了生產(chǎn)成本。如ADM（Archer Danie1s Mid1and）和Cargill公司在20世紀90年代初對其發(fā)酵裝置進行改造，將以碳水化合物為原料的生產(chǎn)工藝改為以玉米粉為原料，從而降低了生產(chǎn)成本，ADM公司生產(chǎn)的賴氨酸成本比原先降低了一半。132酶工程技術(shù)有了長足

8、的進步酶工程技術(shù)包括酶源開發(fā)、酶制劑生產(chǎn)、酶分離提純和固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器與酶的應(yīng)用。目前世界酶制劑從酶源開發(fā)到酶的應(yīng)用都已進入了良性發(fā)展階段，各階段生產(chǎn)企業(yè)和用戶關(guān)系密切，合作廣泛。據(jù)報道，1998年全球工業(yè)酶制劑的銷售額為13億美元，預(yù)計到2010年將增長到30億美元，每年以65的速率增長。其中食用酶占40，洗滌用酶占33，其它（主要是紡織、造紙和飼料等用酶）占27。133分離與純化技術(shù)也有很大進步影響生化產(chǎn)品價格的因素，首當其沖的是分離與純化過程，其費用通常占生產(chǎn)成本的5070，有的甚至高達90。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產(chǎn)的“瓶頸”。尋求經(jīng)濟適用的分離純化技術(shù)，已成為生物化工領(lǐng)

9、域的熱點。已大規(guī)模應(yīng)用的分離純化技術(shù)有：雙水相革取、新型電泳分離、大規(guī)模制備色譜、膜分離等。134上游技術(shù)廣泛應(yīng)用于下游生產(chǎn)利用基因工程技術(shù)，不但成倍地提高了酶的活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構(gòu)建基因菌產(chǎn)生酶。利用基因工程，使多種淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、氨基酸合成途徑的關(guān)鍵酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、穩(wěn)定性得到提高，氨基酸合成的代謝流得以拓寬，產(chǎn)量提高。隨著基因重組技術(shù)的發(fā)展，被稱為第二代基因工程的蛋白質(zhì)工程發(fā)展迅速，顯示出巨大潛力和光輝前景。利用蛋白質(zhì)工程，將可以生產(chǎn)具有特定氨基酸順序、高級結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生理功能的新型蛋白質(zhì)，可以定向改造酶的性能，從而生產(chǎn)出新型生化產(chǎn)

10、品。135新技術(shù)在生物化工中也得到了極大的應(yīng)用比如，在超臨界液體狀態(tài)下進行酶反應(yīng)，從而大大降低酶反應(yīng)過程的傳質(zhì)阻力，提高酶反應(yīng)速率。超臨界C02無毒、不可燃、化學(xué)情性、易與反應(yīng)底物分離。利用超臨界CO2取代有機溶劑進行酶反應(yīng)，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。又比如，微膠羹技術(shù)已被廣泛用于動物細胞的大規(guī)模培養(yǎng)、細胞和酶的固定化以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分離方面。2世界生物化工行業(yè)的發(fā)展趨勢21工業(yè)結(jié)構(gòu)行業(yè)與行業(yè)間的劃分將日趨模糊，企業(yè)間的合作將加大。目前，許多從事醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等方面生產(chǎn)的企業(yè)，正在從事生物化工生產(chǎn)。特別是某些從事傳統(tǒng)化工行業(yè)的生產(chǎn)廠家，也紛紛涉足生物化工領(lǐng)域。如杜邦公司，長期以來主要從事有

11、機化工和聚合材料的生產(chǎn)，現(xiàn)在正加大生物化工的開發(fā)力度，已開發(fā)成功了生物法生產(chǎn)1,3-丙二醇工藝，并正在開發(fā)用改性大腸桿菌生產(chǎn)己二酸工藝。DSM公司以前主要從事抗菌素方面的生產(chǎn)，現(xiàn)也加大了生物化工的投資力度。由于生物化工涉及面廣，許多生化公司都有自己的專長，它們之間為了商業(yè)利益的合作也非常活躍。此外，隨著從事傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)廠家的加入，由于技術(shù)與生產(chǎn)方面的原因，它們與從事生物化工開發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)合作也很頻繁。所有這一切，都使生物化工行業(yè)的合作越來越廣泛。如杜邦公司與杰寧科樂公司合作開發(fā)用生物法生產(chǎn)1，）丙二醇，進一步生產(chǎn)PTT樹脂。荷蘭的Purac公司與美國Cagill公司合資建設(shè)年產(chǎn)34萬tL。

12、乳酸裝置，并計劃進一步發(fā)展到68萬V入DSM公司與美國Maxygen公司簽定了三年的研究合同，以利用Maxygen的DNA重排和分子培養(yǎng)技術(shù)，開發(fā)在7一ADCA和其它青霉素生產(chǎn)中使用的酶和菌種。22產(chǎn)品結(jié)構(gòu)生物化工產(chǎn)品正向?qū)I(yè)化、高科技含量、高附加值方向發(fā)展。傳統(tǒng)的低價位產(chǎn)品受到冷落，而高價位產(chǎn)品如生化藥物、保健品、生化催化劑等則備受青睞。許多公司為了追求較高利潤，都將低附加值的產(chǎn)品剝離。如日本武田藥品工業(yè)公司不再生產(chǎn)味精，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)其它高附加值的調(diào)味品如肌甘酸二鈉（IMP）和鳥甘酸二鈉（GwtP）。另外，生物化工將涉足它以前很少涉足的領(lǐng)域如高分子材料和表面活性劑等。生化藥物由于附加值高而成為今

13、后生物化工領(lǐng)域發(fā)展的重點。1997年生化藥物市場銷售額達130億美元，其中細胞分裂素80億美元，激素30億美元，其它20億美元；就具體藥物而論，促紅細胞生長素35億美元，人胰島素18億美元，粒性白細胞克隆刺激因子16億美元，人生長激素15億美元，小干擾素11億美元。預(yù)計今后其市場銷售額還將以8的速率增長。在氨基酸方面，雖然用于藥物合成氨基酸的量相對較小，但其發(fā)展?jié)摿艽?。?jù)報道，500種主要藥物中，有18含有氨基酸或其衍生物的合成。在藥物合成中，使用最廣泛的是L。脯氨酸、r苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸。L。脯氨酸用于血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）的合成，匹苯甘氨酸和r對羥基苯甘氨酸用于抗生素的合成。

14、另外，多肽也是今后的發(fā)展重點之一。多肽是指有2以上氨基酸用肽鍵組成的化合物，在臨床上使用非常廣泛，主要用于治療癌癥、HIV病毒和兔疫系統(tǒng)功能減退、對傳統(tǒng)抗生素產(chǎn)生抗體的感染以及疫苗等。全球合成多肽原藥的產(chǎn)量在100kg左右，但銷售額達25億3億美元，而做成制劑的銷售額則達25億30億美元。多肽原藥需求量的年增長率在10以上。碳水化合物方面，用于臨床的碳水化合物受到人們越來越多的關(guān)注。但是，用于臨床的碳水化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如一對單糖，其不同的化學(xué)鍵就多達22種。因此，用化學(xué)法合成復(fù)雜的碳水化合物比較困難，難以實現(xiàn)工業(yè)化，而用酶法合成則是一條切實可行的途徑。作為生化催化劑的酶，也將是今后發(fā)展的重點。

15、1997年，生化用催化劑銷售額約13億美元，在過去的35年間，每年增長速率在89，預(yù)計在未來的35年間，將以同樣速度增長。生化催化劑主要用于手性藥物的合成。當前，手性藥物已成為國際新藥研究與開發(fā)的新方向之一。1997年手性藥物制劑世界市場的銷售額為879億美元，占藥品市場的283，到2000年將達到900億美元。在未來的25年內(nèi)，約有一半的手性藥物要通過生化催化合成，因此，生化催化劑無論從需求量和需求種類來看，都具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＩ砻婊钚詣┯捎诰哂袩o毒、生物降解性好等優(yōu)點，今后可能成為表面活性劑的升級換代產(chǎn)品，但目前還處于探索階段。生物化工在高分子材料、特殊化學(xué)品、生物晶片、環(huán)保等方面也

16、將有極大的發(fā)展?jié)摿Α?3技術(shù)水平不斷提高菌株活力、發(fā)酵水平、生化反應(yīng)過程、分離純化水平，依然是生物化工面臨的課題。在菌種開發(fā)方面，由于從20世紀70年代以來從自然界中篩選菌種以獲得新的代謝產(chǎn)物的機會明顯減少，人們便考慮利用已知菌種經(jīng)適當改變其代謝特性后生產(chǎn)新的產(chǎn)品。如日本協(xié)和發(fā)酵公司已成功地把生產(chǎn)谷氨酸的菌種改為生產(chǎn)色氨酸。在生化反應(yīng)器方面，反應(yīng)器放大一直是一個老大難的問題。因此，利用計算機技術(shù)對整個生化反應(yīng)過程進行數(shù)字化處理，從而優(yōu)化反應(yīng)過程，是今后的發(fā)展方向之一。在分離純化方面，親和層析受到廣泛重視，并有人研制了一種綜合專家系統(tǒng)軟件包，可在幾分鐘內(nèi)告知對方被分離物系的分離方法和順序，以便根

17、據(jù)產(chǎn)品所需進行取舍。另外，在生化過程的在線檢測和控制方面，利用生物傳感器和計算機監(jiān)控，依然是今后的發(fā)展方向。在酶催化反應(yīng)中將發(fā)展有機溶劑中的催化反應(yīng)。生物上游技術(shù)的發(fā)展，將對生物化工產(chǎn)生深遠影響。人們對從病毒、細菌、植物、動物到人類基因組順序測定工作十分重視，并在此基礎(chǔ)上形成了基因許多產(chǎn)品一哄而上，盲目上馬，遍地開花，最終形成惡性競爭，許多企業(yè)破產(chǎn)倒閉。在競爭中生存下來的企業(yè)，也是元氣大傷，難以進一步組織技術(shù)改造。如僅江蘇省停產(chǎn)的發(fā)酵生產(chǎn)線就多達上百條。另外，行業(yè)內(nèi)企業(yè)間的生產(chǎn)水平相差懸殊，企業(yè)技術(shù)裝備水平達到20世紀80年代以后國際先進水平的僅占2030，多數(shù)處于20世紀6070年代水平。二

18、是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，品種單一，低檔次產(chǎn)品重復(fù)生產(chǎn)，不能適應(yīng)需求。在我國高檔的醫(yī)藥生化產(chǎn)品如激素、生長因子、干擾素、藥用多肽等，有的產(chǎn)量很小，有的沒有生產(chǎn)，因此每年都需進口。三是在生產(chǎn)技術(shù)上，工藝、設(shè)備不配套，上下游技術(shù)不配套，產(chǎn)物的收得率低。我國雖然某些產(chǎn)品如檸檬酸、乳酸等發(fā)酵水平較高，但大多數(shù)產(chǎn)品的收率都低于國外，酶制劑的活力也明顯低于國外，生化反應(yīng)器和分離純化技術(shù)更是落后國外1520年。每年都要花費大量資金從國外進口生物反應(yīng)器、細胞破碎機、分離純化設(shè)備及分離介質(zhì)、生物傳感器和計算機監(jiān)控設(shè)備。四是有些產(chǎn)品投入產(chǎn)出比達15以上，造成嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。五是基礎(chǔ)研究薄弱，技術(shù)創(chuàng)新能力不強，企

19、業(yè)的技術(shù)開發(fā)、技術(shù)吸收能力差，生產(chǎn)發(fā)展多數(shù)依靠傳統(tǒng)的夕蜒型、粗放型擴大投資的增長模式，效益低、市場競爭力低。32 建議針對我國生物化工行業(yè)存在的問題，筆者有以下建議：321 擴大經(jīng)濟規(guī)模，提高競爭力要鼓勵建設(shè)大型的生物化工企業(yè)集團公司，使之集科研、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售干一體。尤其要培育一批科技創(chuàng)新型企業(yè)。同時，也要鼓勵在某些方面有一定特色的小型技術(shù)創(chuàng)新型生化公司的發(fā)展，并淘汰一批生產(chǎn)規(guī)模小、生產(chǎn)技術(shù)落后、沒有市場競爭力的企業(yè)，從整體上優(yōu)化我國生物化工的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。322 調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要發(fā)展高檔產(chǎn)品，如高檔醫(yī)藥生化產(chǎn)品、功能性食品及添加劑（主要有低熱值、低膽固醇、低脂肪、提高免疫功能、抗炎、抗癌等產(chǎn)品

20、）、生化催化劑等。另外，也應(yīng)發(fā)展眾多精細化工產(chǎn)品及用化學(xué)法無法生產(chǎn)或很難生產(chǎn)的產(chǎn)品，如微生物多糖、生物色素、工業(yè)酶制劑、甜味劑、表面活性劑、高分子材料等。323 節(jié)約有限資源，強化環(huán)境保護在生化生產(chǎn)組學(xué)（genomics）。近年來又在信息學(xué)（informatics）的基礎(chǔ)上建立了生物信息學(xué)（bioinformatics）。信息學(xué)的內(nèi)容包括信息科學(xué)十生物技術(shù)十生物工程十生物動力學(xué)等的綜合信息系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見，基因組學(xué)和生物信息學(xué)在生物化工中應(yīng)用的商業(yè)前景極為可觀。另外，其它行業(yè)的新技術(shù)如分子蒸餾技術(shù)、組合化學(xué)（combinatorical chemistry）等，也將在生物化工中得到應(yīng)用。3. 我

21、國生物化工的發(fā)層現(xiàn)狀及建議31發(fā)展現(xiàn)狀我國生物化工行業(yè)經(jīng)過長期發(fā)展，已有一定基礎(chǔ)。特別是改革開放以后，生物化工的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。目前生物化工產(chǎn)品也涉及醫(yī)藥、保健、農(nóng)藥、食品與飼料、有機酸等各個方面。在醫(yī)藥方面，抗生素得到迅猛發(fā)展61998年我國抗生素的產(chǎn)量達到33 486h青霉素的產(chǎn)量居世界首位。其它生化藥物中，初步形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的有干擾素、白細胞介素。2、乙型肝炎工程疫苗。在農(nóng)藥方面，生物農(nóng)藥品種達12種，主要有蘇云金桿菌、井崗霉素、赤霉素等。其中，井崗霉素的產(chǎn)量居世界第一位。在食品與飼料方面，作為三大發(fā)酵制品的味精、檸檬酸、酶制劑的產(chǎn)量也有很大的增加1998年味精產(chǎn)量從1990年的223萬、增加到564萬一檸檬酸產(chǎn)量從1990年的613萬、增加到564萬一酶制劑從1990年的85萬t增加到24萬t。酵母及淀粉糖的產(chǎn)量也有明顯增加。我國的味精生產(chǎn)和消費居世界第一，檸檬酸的生產(chǎn)和出口也居世界第一。另外，1998年乳酸的產(chǎn)量在15萬t左右，賴氨酸的產(chǎn)量在2萬t左右，卜蘋果酸的產(chǎn)量在6000t。在有機酸方面，衣康酸的產(chǎn)量達5000乙我國開發(fā)的生物法長鏈二元酸工藝居世界領(lǐng)先地位，目前生產(chǎn)能力達500Va以上，并有數(shù)家企業(yè)有建設(shè)長鏈二元酸生產(chǎn)裝置