工业生物技术的研究现状与发展趋势

Abstr act I ndustri al bi ot echnol ogy i s t o pr oduce che mi cal s medi ci nes mat eri al s and ener gy at a l ar ge
scal e by usi ng bi ol ogi cal or enzy mati c pr ocesses . It i s consi der ed t o be one of ef fi ci ent met hods t o sol ve
2003 -08 -05 收到初稿 2004 -09 -08 收到修改稿. 联系人"欧阳平凯. 第一作者"朱跃钊 男 46 岁 副教授. 基金项目"国 家 重 大 基 础 研 究 项 目 No. 2003 CB761000 及 国家自然科学重点基金项目 No. 20336010 共同资助.
Recei ved dat e "2003 -08 -05 . Cor r esPon di n 9 aut h or "Pr of . OUYANG Pi ngkai . E - mai l " ouyangpk @n ut. edu. cn Foun dati on i t e m "support ed by t he St at e Key Devel op ment Pr ogr a m f or Basi c Research of Chi na No. 2003 CB761000 and t he Nati onal Nat ur al Sci ence Foundati on of Chi na No. 20336010 .
朱跃钊1 卢定强Z 万红贵Z 韦 萍Z 周 华Z 欧阳平凯Z
1 南京工业大学机械与动力工程学院 2 南京工业大学制药与生命科学学院 江苏 南京 210009
摘 要 工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化 大规模生产人类所需的化学品 医药 能源
材料等 是解决人类目前面临的资源 能源及环境危机的有效手段. 世界经合组织指出 工业生物技术是工业
have e mer ged and have been t he devel op ment str at egy of sci ence and i ndustr y i n t he devel oped countr y .
The pr ogr ess and tr end of i ndustri al bi ot echnol ogy especi all y t echnol ogy of bi oener gy bi o mat eri al and
1Colle ge o f Mec hanic al and Po wder engi neeri ng Nanj i ng Uni uersit $ o f Tec hnol o g$ 2 Colle ge o f Li f e Scie nce and Phar mac $ Nanj i ng Uni uersit $ o f Tec hnol o g$ Nanj i ng 210009 J i angs u Chi na
Chi na i s gi ven .
Key Wor ds i ndustri al bi ot echnol ogy sust ai nabl e devel op ment bi oener gy bi o mat eri al
引言
以催化为核心的化学工业是世界上最大的基础
产业之一 2001 年全世界化 学工 业 的 产值 大 约 为 1. 6 万亿美元 左 右. 中 国 的 化 学 工 业 2002 年 产 值 大 约 为 0. 96 万 亿 元 左 右. 化 学 工 业 的 特 点 是 以 不
第55 卷 第12 期
朱跃钊等 工业生物技术的研究现状与发展趋势
1951
可再生的化石资源 石油 煤炭 天然气等 为原 料 以化 学 催 化 剂 为 手 段 实 现 物 质 转 化. 在 19 20 世纪以不可再生的化石资源为经济基础的近 代工 业 文 明 取 得 了 辉 煌 的 成 就 而 进 入 21 世 纪 面对化石资源不断枯竭 环境污染日益加剧的严重 局面. 一方面化石资源在地球上储量是有限的 现 已逐步走向衰竭. 可开采石油储量仅可供人类使用 大约50 年 天 然 气 75 年 煤 炭 200 300 年 1 . 另一方面 目前地球所面临的环境危机直接或间接 与化石燃料的加工和使用有关. 如化石燃料燃烧后 放出大量 CO2 SO1 NO1 等 被认为是形 成 局 部 环境污染 产生酸雨以及温室气体等环境问题的根 源. 人类面临着前所未有的生存与发展的危机. 因 此 目前化学工业的生产模式必须要进行彻底的变 革 转向以生物可再生资源为原料 生物可再生能 源为能源 环境友好 过程高效的新一代物质加工 模式. 其核心技术是工业生物技术.
ef f ecti ve met hods f or i mpr ovi ng bi ocat al yst perf or mance under i ndustri al conditi ons
3 met aboli c
engi neeri ng of i mport ant i ndustri al mi cr obes . The pr ospect of i ndustri al bi ot echnol ogy devel op ment i n
utili zati on of bi o mass r esour ce ar e r evi e Wed . The co mmon key Cuesti ons of i ndustri al bi ot echnol ogy ar e
su mmari zed as f oll o Ws 1 t he pool of mi cr obi al r esour ce and f uncti onal geno mi cs of mi cr obe 2
1 工业生物技术的新崛起
工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物 质转化 大规模生产人类所需的化学品 医药 能 源 材料等 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.
以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术 是生物技术革命的第三个浪潮 是 21 世 纪化学 工业的基本工具 . 20 世纪后叶 由于分子生物学 的突破性成就 生物技术为医药 农业和工业领域 带来了革命性的飞跃. 1982 年重组人胰岛素上市 标志着医药 生 物 技 术 r ed bi ot echnol ogy 的 巨 大 成就 1996 年转基因大豆 玉米 油菜相继上市 标志着农业 生 物 技 术 gr een bi ot echnol ogy 的 巨 大成就 2000 年 聚 乳 酸 上 市 标志 着工 业生 物技 术 Whit e bi ot echnol ogy 的 巨 大 成 就. 人 类 基 因 组学及相关研究有力推动了医药生物技术的发展
近年来 随着基因组学 蛋白质组学等生物技 术的飞速发展 大大地推动了工业生物技术的基础 研究和应用研究. 人们普遍认为工业生物技术将是 生 物 技 术 革 命 的 第 三 次 浪 潮. 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 2 .
本文就工业生物技术研究的最新进展和发展趋 势作一综述和介绍.
关键词 工业生物技术 可持续发展 生物能源 生物材料
中图分类号 TG 464
文献标识码 A
文章编号 0438 -1157 2004 12 -1950 -07
PR OGR E SS AN D TR E N D OF I N DU STRI AL BI OTE CHN OL OGY
ZHU Yu ezh ao1 !L U Di n 9Ci an 9 2 !WAN Hon 99ui 2 !WEI Pi n 9 2 !ZH OU Hu a 2 an d OU YAN G Pi n 9kai 2
Fi g. 1 Che mi cal cat al yti c and bi ocat al yti cal pr ocesses f or acr yl a mi de pr oducti on
- 1952 -
化
工
学
报
2004 年12 月
< 酶与微生物> 的本质是蛋白质, 在使用后可方便 地被消除. 反应条件温和, 一般在常温常压下进 行, 其能耗和水耗低, 可大大降低化石能源和水资 源的消耗, 减少了温室气体的排放[3 ] . 因此, 生 物 催化技术具有过程高效 < 物耗低, 原子经济性高> . 反应温和 < 能耗低> . 与环境友好 < 污染小> 的特 点, 是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一. 图1 为化学催化法和生物催化法生产丙烯酰胺的工 艺比较. 表1 为其技术经济指标的比较.
Table 1 Co mparison of che mical cat al ytic and bi ocat al ytical processes
I ndi cat ors
consu mpti on of acr yl onit rit e per unit pr oduct
purit y of pr oduct conversi on r ati o of acr yl onit rit e r eacti on t e mper at ur e
可持续发展最有希望的技术 . 本文指出工业生物技术的新崛起 并已成为发达国家的重要科技与产业发展战 略. 概述了工业生物技术的发展现状与趋势 特别在生物能源 生物材料以及生物质资源化方面. 介绍了工业
生物技术的关键问题是 1 微生物资源库和微生物功能基因组学技术 2 生物催化剂快速定向改造新技术
3 重要工业微生物的代谢工程. 展望了我国工业生物技术发展前景.
动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技 术的发展 微生物基因组学及相关研究有力地推动 了工业生物技术的发展. 需要特别指出的是 微生 物物种巨大的多样性及其基因改造的巨大潜力 将 其与精妙现代工程技术结合 为人类提供了新的巨 大机遇 工业生物技术的发展前景十分诱人.
工业生物技术的核心是生物催化. 生物催化剂 与普通化学催化剂 通常为强酸和强碱等 相比 具有以下特点 1 催化效率的高效性. 每公斤天 冬氨酸转氨酶可以催化生产本身质量100000 倍的 天冬氨酸. 2 专一性强. 酶只选择催化某种反应 并获得特定的产物 所以其位点专一性 化学专一 性和立体专一性强 原子经济性好. 生物催化法可 以完成甾醇化合物的 C 11 位羟基化反应 而化学 催化法则几乎无法完成. 生物催化法可高效地生产 大量的光学活性化合物 一般而言 其原子经济性 远大于化学催化法. 3 环境友好. 生物催化剂
Che mi cal cat al ysi s
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ener gy consu mpti on
第55 卷 第12 期 2004 年12 月
化
工
学wenku.baidu.com
报
Jour nal of Che mi cal I ndustr y and Engi neeri ng Chi na
Vol. 55 N12 Dece mber 2004
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综述与专论 工业生物技术的研究现状与发展趋势
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pr obl e ms of r esour ce ener gy and envi r on ment . OECD r ecentl y poi nt ed out t hat i ndustri al bi ot echnol ogy i s
one of t he most pr o mi si ng t echnol ogi es f or sust ai nabl e devel op ment . St udi es of i ndustri al bi ot echnol ogy