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