工业生物技术(1)

工业生物技术是指在工业规模生产过程中以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模地生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等产品的生物技术，它是人类由化石（碳氢化合物）经济向生物（碳水化合物）经济过渡的必要工具，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。

它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。

以2000年聚乳酸上市为标志的工业生物技术（也称为白色生物技术，White Biotechnology）是继医药生物技术、农业生物技术之后，国际生物技术发展的“第三次浪潮”，其推动着一个以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物材料、生物化工、生物冶金等为代表的现代工业体系的形成，在全球范围内掀起了一场新的现代工业技术革命，其地位已经被提到空前的战略高度。

据有关专家预测，至2015年，全世界的化工行业将有1/6的产值源自白色生物技术，金额高达3050亿美元。

生物技术在工业上的应用主要分为两类：一是以可再生资源（生物资源）替代化石燃料资源；二是利用生物体系如全细胞或酶为反应剂或催化剂的生物加工工艺替代传统的、非生物加工工艺。

工业生物技术的核心是生物催化（Biocatalysis）。

由生物催化剂完成的生物催化过程具有催化效率高（物耗低，原子经济性高）、专一性强、反应条件温和（能耗低）、环境友好（污染小）等优势，是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。

美国能源部、商业部等部门预测：生物催化剂将成为21世纪化学工业可持续发展的必要工具，生物催化技术的应用可在未来的20年中使传统化学工业原材料、
水和能源消耗减少30%、污染物排放减少30%。

世界经合组织（OECD）指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。

中国高度重视工业生物技术的发展，2005年9月，由国家科技部中国生物技术发展中心组织了“首届国际生物经济高层论坛”在北京召开。

在2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中把“新一代工业生物技术”作为“前沿技术”列入规划。

国家重大基础研究计划（973计划）将生物催化项目（生物催化和生物转化中关键问题的基础研究）立项，国家高技术研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题，国家支撑计划也在该领域立项支持了一批项目。

工业生物催化和生物转化的研究，是中国参与生物技术国际竞争的一个难得的机遇和切入点，也是我国生物技术应用研究的一个战略重点，其最终目标是通过生物学、化学和过程科学的交叉，建立以生物催化和生物转化为基础的新生物加工体系。

20世纪90年代以来，通过国家和地方的支持，我国相继建设了国家生化工程技术研究中心、酶工程国家工程实验室等几个国家级和工业生物技术教育部重点实验室等一批省部级工业生物技术研究平台。

通过这些平台的设立，极大地推动了我国工业生物技术领域的基础和产业化研究和开发，并取得了一批产业化成果。

尽管如此，与发达国家相比，我国在工业生物技术领域的平台建设还远远不够，还需要国家大力支持。

发展工业生物技术的任务，是把生命科学的发现转化为实际的产品、过程或系统，以满足社会的需要。

工业生物技术不仅仅面对发酵行业，它已经开始进入包括农业化学、有机物、药物和高分子材料在内的很多领域，广泛应用于许多日常用品的生产，如洗涤剂和纺织品等，而且它的作用具有更加深远的意义。

工业生物技术研究现状与发展趋势
工业生物技术的新崛起有两个巨大的推动力，即社会强烈需求和生物技术的进步。

人类社会发展迫切需要解决的问题是资源、能源、人口、环境问题。

随着生物技术突破性进展，使得人类可以设计和构建新一代的工业生物技术，可高效快速地将各类可再生生物质资源转化为新的资源和能源。

工业生物技术在生物能源、生物材料以及生物质资源化方面发挥着重要作用。

1.生物能源
清洁可再生生物能源的开发和利用是公众关注热点之一。

其中，生物质能具有资源量大、相对集中、能量品位较高的特点。

在基因工程、代谢工程发展的带动下，新一代能源作物和微生物物种的诞生将会大大地推动生物能源技术的进步。

2000-2020年将是世界各国大力发展生物质能的关键时期。

目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、生物柴油、沼气、生物制氢等。

燃料酒精是目前应用最广泛的生物燃料，是较为理想的汽油替代品，已在一些国家和地区得到广泛使用。

目前我国酒精年产量近700
万吨，仅次于巴西、美国，列世界第三。

中国发展燃料酒精不应采用粮食转化的路线，需要发展木质纤维素生产酒精的综合利用技术，需要大力发展高效产糖的C4能源植物，如新品种甜高粱和甘蔗等。

生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在下，发生酯化反应，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃烧。

生物柴油环境友好，无需对现有柴油发动机进行任何改造即可使用，且对发动机有保护作用。

立足于本国原料大规模生产代替液体燃料——生物柴油，对增强我国石油安全具有重要的战略意义。

发展我国生物柴油，亟需解决油脂资源的生产问题。

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。

由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87%，是其他加工技术所难以达到的。

沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。

许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。

我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。

生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术，所用原料是阳光和水，也可以是有机废水、秸秆等，来源丰富，价格低廉，生产过程清洁、节能。

德国、英国、美国、日本、以色列、瑞典等许多同家的政府部门，对氢能源的开发及其应用技术的研究都给予了高度重视。

我国对该领域的基础研究也给予大力支持。

2.生物材料
目前，世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨，主要
为石油化工材料。

与石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可生物降解、应用前景广阔的突出优点，但实现商业化还需要在价格上形成竞争力。

目前已成功实现商业化的有Cargill Dow（嘉吉陶氏）公司的聚乳酸工厂和DuPont（杜邦）公司由1，3－丙二醇生产PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）的工厂。

这两项成果标志着用生物原料生产的生物材料已经开始具备市场竞争优势（前者能耗降低30%～50%，后者降低25%）。

（聚乳酸是性能优异的功能纤维和热塑性材料，具有优异的成膜和成纤维的能力，可以用来做包装材料和纺织材料。

2020年全世界估计聚乳酸的需求量将达到1150－2300万吨。

采用1，3－丙二醇与对苯二甲酸进行缩聚，制造的聚酯PTT纤维材料具有良好的抗腐蚀性，又具有尼龙66的弹性，且更容易印染，被认为是一种优质的高分子纤维材料。

预计，2020年全世界PTT的需求量可达100万吨。

）
3.生物质资源化（生物质精炼工厂）
为了实现生物质资源的高效利用，人们借鉴了石油精炼的概念，提出了生物质精炼的概念，主要特点是多组分全分离及综合利用。

（生物精炼Bioraffinerien是指利用工业化生物技术加工处理生物质原料，生产各种化工产品的综合技术和生产装臵。

）将生物质原料如树木、木材加工废弃物、草、农作物、农产废弃物和废弃动物等，通过生物质精炼技术，可以生产大宗化学品、精细化学品、医药中间体、能源等。

2003年美国Cargill（嘉吉）公司在Blair，Neb工厂举行记者招待会，展示了一个生物质精炼的中等规模工厂，这是第一座工
业运行的生物质精炼工厂。

工业生物技术的关键技术
工业生物技术存在着一些关键技术问题亟待解决，目标是大大提高工业生物技术的效能。

3.1微生物资源库和微生物功能基因组学技术
微生物菌种或酶是工业生物技术的基础。

目前至少有58个国家建立了484个菌种保藏中心，保藏菌种80多万株。

目前已经开发的商品酶有200种左右。

可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物技术的需求。

从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术的主要特点，大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。

但是目前人类筛选的范围十分有限，仅占微生物总数的0.1%～1%，需要拓展筛选的范围。

美国、日本、欧洲等对新来源的菌种（包括极端微生物与未培养微生物）研究非常重视，特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等极端微生物在工业生物催化应用表现出巨大兴趣。

美国政府一份研究规划中指出，到2020年可实现酶在130℃下催化反应，反应速度可提高16－30倍。

新型生物催化剂的来源是工业生物技术发展的基础。

需要特别指出的是：正是耐高温的DNA聚合酶的发现，才导致了PCR技术的诞生，从而才会有今天分子生物学的巨大成就，并且改变了人类的生活面
貌。

（新生物催化剂的发现：从特有和极端环境中寻找新生物催化剂，拓展生物催化和生物转化的工业应用领域。

代谢工程与菌种改造：以基因图谱为基础，通过基因工程、蛋白质工程、代谢工程等手段，设计和改造适应高效工业制造过程的菌种。

生物催化剂的功能优化：通过蛋白质工程、定向进化等手段进行生物催化剂适应工业环境的改造、修饰和优化。

酶功能的分子本质的揭示：基于化学生物学和大分子结晶技术，进行以结构为基础的酶的构效关系研究，挖掘未知蛋白的新功能。

与纳米技术、材料科学的交叉：通过生物催化剂与无机材料的组合，构建用于工业生物技术过程的高效新型生物催化剂。

工业生物技术反应体系设计：工业生物技术过程与传统化学过程进行集成整合，分析多相过程体系的流体力学和动力学，进行过程建模、模拟和优化。

）
3.2生物催化剂快速定向改造新技术
近年来发展起来的定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。

蛋白质定向进化技术是由美国工程院院士加州理工学院化工系教授Frances Arnold于20世纪90年代初提出的。

蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性强，可在实验室试管中操作。

它可以使蛋白质（酶）在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到几年甚至几个月。

分子定向进化技术已被用于上百个酶的进化。

如枯草杆菌蛋白酶E在有机溶液中（60%DMF）的活性提高了170倍；β－内酰胺酶的耐抗菌素cefotaxime浓度提高了32000倍；
胸苷激酶对新底物（gancyclovir）的利用提高了43倍；卡那霉素核苷酸转移酶在60～65℃的热稳定性提高了200倍；细胞色素P450酶对完全新底物（过氧化氢）的利用提高了5～20倍；辣根过氧化酶在酵母中表达产量提高了88倍。

定向进化目前主要研究方向是：提高热稳定性、提高有机溶剂中酶的活性和稳定性，扩大底物的选择性，改变光学异构体的选择性等。

定向进化的核心技术为易错PCR技术、DNA shuffling技术及高通量筛选技术。

各类工业微生物的基因组学和蛋白质组学研究的飞速发展，产生了海量信息，随着高性能计算机和数据管理分析方法的进步，大大促进了工业微生物的生物信息学的发展，从而使得人们对酶的认识加深，使得应用传统的理性分子设计方法制造新的酶更加容易。

这些技术在增加酶的反应多样性、改变酶的各种性能等方面已有应用。

3.3重要工业微生物的代谢工程
1991年Bailey提出代谢工程的概念。

过去10年以主要工业微生物为对象的基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究非常活跃。

随着对微生物代谢网络研究的深入及DNA重组技术的日趋完善，通过基因克隆技术改变微生物代谢途径的某些关键步骤，大大提高了产物产率；通过基因重组技术改变微生物的代谢途径，还生产出传统发酵工业无法获得的新产品。

微生物基因组学和代谢组学的快速发展，对代谢工程有极大的推动作用。

大量新生物化学合成途径的解析，为生产化学品创造了前所未有的特殊机会。

例如在分析代谢流的基础上，找到刚
性节点，通过化学小分子调节关键酶，从而可以实现1，6－二磷酸果糖的超量生产。

在木素纤维素为原料的燃料酒精工艺中，美国学者利用基因工程手段，将五碳糖产乙醇的代谢途径和六碳糖产乙醇的代谢途径整合到一个微生物中，构建出优良的产乙醇重组菌（Zymomonas mobilis），能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产乙醇，大大降低了燃料乙醇的生产成本。

我国工业生物技术发展前景
中国的人均资源，尤其是人均化石资源很低，中国面临严重的资源、环境与人口矛盾。

目前，我国已成为世界第一资源加工消费大国和第二能源耗用大国。

大力发展工业生物技术对解决我国资源和能源短缺问题是十分迫切的。

我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在3340—8360MJ/平方米，相当于110—250kg标准煤/平方米。

如果将中国8%的土地覆盖上高能作物，达到世界平均水平的森林覆盖面积，按光合效能6.6%计算，相当于产生1.26亿吨标准煤。

如果能够利用工业生物技术实现生物质能源的高效利用，中国可以走出一条通往绿色生态现代化之路。

工业生物技术将在我国开创新的加工模式和调整产品结构方面发挥重大作用。

预计在未来20年内，生物能源、生物材料和生物质资源化技术将得到实际应用。

预计工业生物技术在我国国民经济GDP 中的贡献达到2.2万亿元／年（2020年）。

传统的加工工业是以化石资源为原料和能源进行的，面临着化石资源的日益枯竭，世界正孕育着一场用生物可再生资源代替化石资源的资源战略大转移。

一个全球性的产业革命正在朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。

目前正在开发的多聚乳酸、多聚氨基酸、多羟基烷酸、燃料乙醇以及各种功能寡糖等可视为这个碳水化合物经济时代来临的前奏。

到2020年，预计将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。

中国要抓住这一重大机遇，跟上世界潮流。

基于微生物和酶的工业生物技术具有生物安全性相对较好、研发投入较少、周期较短的优势，且中国已形成良好的产业基础，是参与生物技术国际竞争的一个良好的机遇和难得的切入点，应成为我国生物技术应用研究的一个战略重点。

大力发展工业生物技术，为最终解决生物能源和材料的生物制造提供技术支持，这对我国的经济发展，对解决我国资源和能源短缺问题，对加强我国的国际竞争力具有重要的战略意义。

美国伊斯特曼、宝洁等公司已建立了工业生物技术部门。

经济合作与发展组织（OECD）于2001年发表的报告《生物技术对工艺可持续性的作用》指出，在生产核黄素（即维生素B-12）中，各国都以发酵工艺取代合成化学工艺生产，结果降低有害肥料66%，
有害气体排放降低50%，生产工序由10道减为1道，用水量下降25%，生产成本降低50%。

根据美国国家委员会预测，到2020年，将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料，而工业生物技术将起着核心作用。

据OECD 最新报告估计，到2030年，生物技术对OECD成员国的GDP贡献将达到2.7%，将有35%的化学品和其他工业产品可能涉及工业生物技术；同时，工业生物技术产品的销售额将会占整个生物技术产业的39%，超过农业和医药，位居第一。

目前，全球许多公司正投入大量资金用于工业生物技术的研发，试图对化学品进行廉价生产，并开发一些新的化学品生产路线。

日本的三菱化纤、协和发酵和味之素等公司已开发了许多新筛选的菌种和酶用于工业生物技术过程，使得工业生物技术成为一个独特的研究热点。

欧洲的BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche 等大型跨国公司已纷纷转向工业生物技术领域，并均已有产品投放市场。

工业生物技术应用于大规模能源、材料、化学品生产已初见端倪。

在能源领域，生物乙醇（燃料酒精）、生物柴油、生物甲烷等目前均已成规模。

在生物基高分子材料领域，目前开发前景很好的生物材料为聚乳酸（PBS）、PTT纤维、聚丙烯酰胺、多糖、聚氨基酸等。

在精细化学品领域，目前已见报道的工业化过程约有220多个，主要产品包括有机酸、氨基酸、食品添加剂、手性药物中间
体等。