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21世紀生物化工發(fā)展及對策
眾所周知，21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ膬纱螽a業(yè)是信息技術（IT）和生物技術。信息技術發(fā)展迅猛，并已滲透到社會生活的各個角落。有關信息技術的報道——多媒體、互聯網、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。而與IT的轟轟烈烈相比，生物技術看起來卻平平淡淡，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)達國家對生物技術產業(yè)投資的逐年加大，世界各大公司生命科學產業(yè)的合并浪潮一浪高過一浪，所有這一切，都使我們相信，21世紀的的確確是生物技術的時代。
生物化學工程（又叫生化工程或生物化工）是化學工程與生物技術相結合的產物。生物化工是生物技術的重要分支。與傳統(tǒng)化學工業(yè)相比，生物化工有某些突出特點：①主要以可再生資源作原料；②反應條件溫和，多為常溫、常壓、能耗低、選擇性好、效率高的生產過程；③環(huán)境污染較少；④投資較��；⑤能生產目前不能生產的或用化學法生產較困難的性能優(yōu)異的產品。由于這些特點，生物化工已成為化工領域重點發(fā)展的行業(yè)。
1. 世界生物化工行業(yè)的現狀
生物化工發(fā)展至今已經歷了半個多世紀，最早主要是生產抗生素；隨后，是為氨基酸發(fā)酵、舀體激素的生物轉化、維生素的生物法生產、單細胞蛋白生產及淀粉糖生產等工業(yè)化服務。自20世紀80年代起，隨著現代生物技術的興起，生物化工又利用重組微生物、動植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)等手段生產藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。而且，生物化工的應用已涉及到人民生活的方方面面，包括農業(yè)生產、化輕原料生產、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護、資源和能源的開發(fā)等各領域。隨著生物化工上游技術——生物工程技術的進步以及化學工程、信息技術（IT）和生物信息學（bioinformatics）等學科技術的發(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)的現狀。
1．1工業(yè)結構
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（主要指醫(yī)藥和農業(yè)生化技術）諸侯割據的局面相比，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部分轉移，生物化工行業(yè)百花齊放的局面在很長一段時間內不會有什么改變。
1．2產品結構
傳統(tǒng)的生物化工行業(yè)主要是指抗生素（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、農業(yè)、環(huán)境、能源、材料等。同時，生物化工產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、透明質酸等。還有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。
目前，全球生物化工年銷售額在400億美元左右，每年約以7％～8％的速率增長。從產品結構來看，生物化工領域生產規(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品（價格可達數萬美元／g）與年需求量逾萬噸的抗生素、酶、食品與飼料添加劑、日用與農業(yè)生化制品等低價位產品（部分價格不到：美元／g）幾乎平分秋色。高價位的產品市場份額在50％～60％，低價位的產品市場份額在40％～50％。而且，根據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，高價位產品的發(fā)展速率高于低價位產品。
1．3技術水平
生物化工經過80年代以后的蓬勃發(fā)展，不僅整個行業(yè)技術水平有大幅度提高，而且許多新技術也得到廣泛應用。
1．3．1發(fā)酵工程技術已見成效
據估計，全球發(fā)酵產品的市場有120～130億美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有機酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。發(fā)酵產品市場的增大與發(fā)酵技術的進步分不開�，F代生物技術的進展推動了發(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發(fā)酵裝置已達75 m＼許多公司對發(fā)酵工藝進行了調整，從而降低了生產成本。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工藝改為以玉米粉為原料，從而降低了生產成本，ADM公司生產的賴氨酸成本比原先降低了一半。
1．3．2酶工程技術有了長足的進步
酶工程技術包括酶源開發(fā)、酶制劑生產、酶分離提純和固定化技術、酶反應器與酶的應用。目前世界酶制劑從酶源開發(fā)到酶的應用都已進入了良性發(fā)展階段，各階段生產企業(yè)和用戶關系密切，合作廣泛。據報道，1998年全球工業(yè)酶制劑的銷售額為13億美元，預計到2010年將增長到30億美元，每年以6．5％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％。
1．3．3分離與純化技術也有很大進步
影響生化產品價格的因素，首當其沖的是分離與純化過程，其費用通常占生產成本的50％～70％，有的甚至高達90％。分離步驟多、耗時長，往往成為制約生產的“瓶頸”。尋求經濟適用的分離純化技術，已成為生物化工領域的熱點。已大規(guī)模應用的分離純化技術有：雙水相革取、新型電泳分離、大規(guī)模制備色譜、膜分離等。
1．3．4上游技術廣泛應用于下游生產
利用基因工程技術，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，構建基因菌產生酶。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，產量提高。隨著基因重組技術的發(fā)展，被稱為第二代基因工程的蛋白質工程發(fā)展迅速，顯示出巨大潛力和光輝前景。利用蛋白質工程，將可以生產具有特定氨基酸順序、高級結構、理化性
質和生理功能的新型蛋白質，可以定向改造酶的性能，從而生產出新型生化產品。
1．3．5新技術在生物化工中也得到了極大的應用
比如，在超臨界液體狀態(tài)下進行酶反應，從而大大降低酶反應過程的傳質阻力，提高酶反應速率。超臨界C02無毒、不可燃、化學情性、易與反應底物分離。利用超臨界CO2取代有機溶劑進行酶反應，具有極大的發(fā)展?jié)摿�。又比如，微膠羹技術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等物質的分離方面。
2．世界生物化工行業(yè)的發(fā)展趨勢
2．1工業(yè)結構
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、農業(yè)、環(huán)境、能源等方面生產的企業(yè)，正在從事生物化工生產。特別是某些從事傳統(tǒng)化工行業(yè)的生產廠家，也紛紛涉足生物化工領域。如杜邦公司，長期以來主要從事有機化工和聚合材料的生產，現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1,3-丙二醇工藝，并正在開發(fā)用改性大腸桿菌生產己二酸工藝。DSM公司以前主要從事抗菌素方面的生產，現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�；钴S。此外，隨著從事傳統(tǒng)行業(yè)的生產廠家的加入，由于技術與生產方面的原因，它們與從事生物化工開發(fā)與生產的企業(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1，）丙二醇，進一步生產PTT樹脂。荷蘭的Purac公司與美國Cagill公司合資建設年產3．4萬tL。乳酸裝置，并計劃進一步發(fā)展到6．8萬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，開發(fā)在7一ADCA和其它青霉素生產中使用的酶和菌種。
2．2產品結構
生物化工產品正向專業(yè)化、高科技含量、高附加值方向發(fā)展。傳統(tǒng)的低價位產品受到冷落，而高價位產品如生化藥物、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，都將低附加值的產品剝離。如日本武田藥品工業(yè)公司不再生產味精，轉而生產其它高附加值的調味品如肌甘酸二鈉（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后生物化工領域發(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�。據報道�?00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。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)抗生素產生抗體的感染以及疫苗等。全球合成多肽原藥的產量在100kg左右，但銷售額達2．5億～3億美元，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注。但是，用于臨床的碳水化合物結構復雜，如一對單糖，其不同的化學鍵就多達22種。因此，用化學法合成復雜的碳水化合物比較困難，難以實現工業(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。1997年，生化用催化劑銷售額約1．3億美元，在過去的3～5年間，每年增長速率在8％～9％，預計在未來的3～5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28．3％，到2000年將達到900億美元。在未來的25年內，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Α?br />
生化表面活性劑由于具有無毒、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、特殊化學品、生物晶片、環(huán)保等方面也將有極大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
2．3技術水平
不斷提高菌株活力、發(fā)酵水平、生化反應過程、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物的機會明顯減少，人們便考慮利用已知菌種經適當改變其代謝特性后生產新的產品。如日本協和發(fā)酵公司已成功地把生產谷氨酸的菌種改為生產色氨酸。
在生化反應器方面，反應器放大一直是一個老大難的問題。因此，利用計算機技術對整個生化反應過程進行數字化處理，從而優(yōu)化反應過程，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，可在幾分鐘內告知對方被分離物系的分離方法和順序，以便根據產品所需進行取舍。
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。
在酶催化反應中將發(fā)展有機溶劑中的催化反應。
生物上游技術的發(fā)展，將對生物化工產生深遠影響。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，并在此基礎上形成了基因許多產品一哄而上，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改造。如僅江蘇省停產的發(fā)酵生產線就多達上百條。另外，行業(yè)內企業(yè)間的生產水平相差懸殊，企業(yè)技術裝備水平達到20世紀80年代以后國際先進水平的僅占20％～30％，多數處于20世紀60～70年代水平。
二是產品結構不合理，品種單一，低檔次產品重復生產，不能適應需求。在我國高檔的醫(yī)藥生化產品如激素、生長因子、干擾素、藥用多肽等，有的產量很小，有的沒有生產，因此每年都需進口。
三是在生產技術上，工藝、設備不配套，上下游技術不配套，產物的收得率低。我國雖然某些產品如檸檬酸、乳酸等發(fā)酵水平較高，但大多數產品的收率都低于國外，酶制劑的活力也明顯低于國外，生化反應器和分離純化技術更是落后國外15～20年。每年都要花費大量資金從國外進口生物反應器、細胞破碎機、分離純化
設備及分離介質、生物傳感器和計算機監(jiān)控設備。
四是有些產品投入產出比達15／＝以上，造成嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。
五是基礎研究薄弱，技術創(chuàng)新能力不強，企業(yè)的技術開發(fā)、技術吸收能力差，生產發(fā)展多數依靠傳統(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。
3．2 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：
3．2．1 擴大經濟規(guī)模，提高競爭力要鼓勵建設大型的生物化工企業(yè)集團公司，使之集科研、開發(fā)、生產、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創(chuàng)新型生化公司的發(fā)展，并淘汰一批生產規(guī)模小、生產技術落后、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業(yè)結構。
3．2．2 調整產品結構要發(fā)展高檔產品，如高檔醫(yī)藥生化產品、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、抗癌等產品）、生化催化劑等。另外，也應發(fā)展眾多精細化工產品及用化學法無法生產或很難生產的產品，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。
3．2．3 節(jié)約有限資源，強化環(huán)境保護在生化生產組學（genomics）。近年來又在信息學（informatics）的基礎上建立了生物信息學（bioinformatics）。信息學的內容包括信息科學十生物技術十生物工程十生物動力學等的綜合信息系統(tǒng)。可以預見，基因組學和生物信息學在生物化工中應用的商業(yè)前景極為可觀。
另外，其它行業(yè)的新技術如分子蒸餾技術、組合化學（combinatorical chemistry）等，也將在生物化工中得到應用。
3. 我國生物化工的發(fā)層現狀及建議
3．1發(fā)展現狀
我國生物化工行業(yè)經過長期發(fā)展，已有一定基礎。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。目前生物化工產品也涉及醫(yī)藥、保健、農藥、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年我國抗生素的產量達到33 486h青霉素的產量居世界首位。其它生化藥物中，初步形成產業(yè)化規(guī)模的有干擾素、白細胞介素。2、乙型肝炎工程疫苗。
在農藥方面，生物農藥品種達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、酶制劑的產量也有很大的增加／1998年味精產量從1990年的22．3萬、增加到56．4萬一檸檬酸產量從1990年的6．13萬、增加到56．4萬一酶制劑從1990年的8．5萬t增加到24萬t。酵母及淀粉糖的產量也有明顯增加。我國的味精生產和消費居世界第一，檸檬酸的生產和出口也居世界第一。另外，1998年乳酸的產量在1．5萬t左右，賴氨酸的產量在2萬t左右，卜蘋果酸的產量在6000t。
在有機酸方面，衣康酸的產量達5000乙我國開發(fā)的生物法長鏈二元酸工藝居世界領先地位，目前生產能力達500Va以上，并有數家企業(yè)有建設長鏈二元酸生產裝置的意向。
在保健品方面，我國已能用生物法生產多種氨基酸、維生素和核酸等。另外，我國生物法丙烯酞胺的生產能力達到2萬V山與日本同處于世界領先地位。
但是與發(fā)達國家相比，我國生物化工行業(yè)存在著許多問題：
一是我國的生物化工產業(yè)主要以醫(yī)藥、輕工、食品業(yè)為主。部分企業(yè)對生物化工產品大都是精細化工產品這一點了解不夠，加之行業(yè)規(guī)范也不夠，導致過程中，應選擇合適的原料，以降低成本與消耗，并加強廢物處理，減少環(huán)境污染。
3．2．4提高生產技術水平，特別是下游技術水平因為我國生物技術上游技術水平與國外相差僅3～5年，而下游技術水平則比國外相差15年以上，改造傳統(tǒng)發(fā)酵產品生產技術，不斷提高發(fā)酵法產品的生產技術水平，開發(fā)生物反應器，提高我國生物化工產品分離和提純技術，大規(guī)模開發(fā)生物化工裝備等應首先提上議事日程。另外，還應積極采用微生物法代替化學法，開發(fā)基礎化工新產品的工業(yè)化生產技術。
3．2．5加強產學研結合，注重上下游結合國內生物化工技術力量分散，為了做到優(yōu)勢互補，應加強產學研結合。另外在生物化工生產過程中遇到的很多問題，都是由于上、下游結合不夠緊密而影響技術經濟指標。因此，在人力和財力的投入上，應考慮上下游結合，以加快生物化工產業(yè)的發(fā)展。
3．2．6提高從業(yè)人員素質生物化工屬高科技產業(yè)，從業(yè)人員素質尤其重要。我國目前從事生物化工生產的大都是傳統(tǒng)化工行業(yè)的從業(yè)人員，操作水平還比較低，加強人材培養(yǎng)，以提高生物化工行業(yè)人員素質是十分必要的。
3．2．7加強知識產權保護長期以來，我國對生化領域的知識產權保護不夠，挫傷了科研開發(fā)人員的積極性，造成大量人才外流。加強知識產權保護，不僅能夠激勵國內科研開發(fā)人員，而且能夠吸收一大批在國外發(fā)展的科研人員回國發(fā)展，從而加快我國生物化工產業(yè)的發(fā)展。
作者：王 韌
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