21世纪生物化工发展及对策
出处：论文网
时间：2006-09-05
众所周知，21世纪最具发展潜力的两大产业是信息技术（IT）和生物技术。信息技术发展迅猛，并已渗透到社会生活的各个角落。有关信息技术的报道——多媒体、互联网、信息全球化等，不但频频亮相于媒体，而且与我们的日常生活息息相关。而与IT的轰轰烈烈相比，生物技术看起来却平平淡淡，虽然基因、克隆、人类基因组计划、生物多样性等字眼经常见诸报端，但离我们的生活似乎还很遥远。所以，也有专家这样评论：20世纪不是生物技术的世纪，而是生物工程蓄势待发的世纪，21世纪才是生物工程的世纪。克隆羊多利的诞生，人类基因组90％测序工作的完成，欧美、日本等发达国家对生物技术产业投资的逐年加大，世界各大公司生命科学产业的合并浪潮一浪高过一浪，所有这一切，都使我们相信，21世纪的的确确是生物技术的时代。
生物化学工程（又叫生化工程或生物化工）是化学工程与生物技术相结合的产物。生物化工是生物技术的重要分支。与传统化学工业相比，生物化工有某些突出特点：①主要以可再生资源作原料；②反应条件温和，多为常温、常压、能耗低、选择性好、效率高的生产过程；③环境污染较少；④投资较小；⑤能生产目前不能生产的或用化学法生产较困难的性能优异的产品。由于这些特点，生物化工已成为化工领域重点发展的行业。
1. 世界生物化工行业的现状
生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务。自20世纪80年代起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又利用重组微生物、动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽、蛋白、疫苗、干扰素等。而且，生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面，包括农业生产、化轻原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。随着生物化工上游技术——生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术（IT）和生物信息学（bioinformatics）等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。
生物化工行业经过50多年的发展，已形成了一个完整的工业体系，整个行业也出现了一些新的发展态势。下面简要描述生物化工行业的现状。
1．1工业结构
由于生物化工涉及面广，涉及的行业多，所以从事生物化工的企业较多。据报道，90年代中期，美国生物化工企业有：000多家，西欧有580多家，日本有300多家。近年来，虽然由于行业竞争日趋激烈，生物化工企业有较大幅度减少，但与生命科学（主要指医药和农业生化技术）诸侯割据的局面相比，生物化工行业依然是百花齐放，百家争鸣。既有象诺华、捷利康等从事生命科学的世界性大公司，也有象DSM、诺和诺德等大型的精细化工公司，当然也有在某一方面有专长的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科学部分转移，生物化工行业百花齐放的局面在很长一段时间内不会有什么改变。
1．2产品结构
传统的生物化工行业主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行业，而在目前，它已几乎渗透到人民生活的各方面如医药、保健、农业、环境、能源、材料等。同时，生物化工产品也得到了极大的拓展：医药方面有各种新型抗生素、干扰素、胰岛素、生长激素、各种生长因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有赖氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、苏氨酸、脯氨酸等以及各种多肽；酶制剂有160多种，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、青霉素酶、过氧化氢酶等；生物农药有Bt、春日霉素、多氧霉素、井岗霉素等；有机酸有柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亚麻酸、透明质酸等。还有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。
目前，全球生物化工年销售额在400亿美元左右，每年约以7％～8％的速率增长。从产品结构来看，生物化工领域生产规模范围极广，市场年需求量仅为千克级的干扰素、促红细胞生长素等昂贵产品（价格可达数万美元／g）与年需求量逾万吨的抗生素、酶、食品与饲料添加剂、日用与农业生化制品等低价位产品（部分价格不到：美元／g）几乎平分秋色。高价位的产品市场份额在50％～60％，低价位的产品市场份额在40％～50％。而且，根据近年来生物化工的发展趋势及人们对医药卫生的重视来看，高价位产品的发展速率高于低价位产品。
1．3技术水平
生物化工经过80年代以后的蓬勃发展，不仅整个行业技术水平有大幅度提高，而且许多新技术也得到广泛应用。
1．3．1发酵工程技术已见成效
据估计，全球发酵产品的市场有120～130亿美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有机酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。目前世界最大的串联发酵装置已达75 m＼许多公司对发酵工艺进行了调整，从而降低了生产成本。如ADM（Archer Danie1s Mid1and）和Cargill公司在20世纪90年代初对其发酵装置进行改造，将以碳水化合物为原料的生产工艺改为以玉米粉为原料，从而降低了生产成本，ADM公司生产的赖氨酸成本比原先降低了一半。
1．3．2酶工程技术有了长足的进步
酶工程技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技术、酶反应器与酶的应用。目前世界酶制剂从酶源开发到酶的应用都已进入了良性发展阶段，各阶段生产企业和用户关系密切，合作广泛。据报道，1998年全球工业酶制剂的销售额为13亿美元，预计到2010年将增长到30亿美元，每年以6．5％的速率增长。其中食用酶占40％，洗涤用酶占33％，其它（主要是纺织、造纸和饲料等用酶）占27％。
1．3．3分离与纯化技术也有很大进步
影响生化产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的50％～70％，有的甚至高达90％。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产的“瓶颈”。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有：双水相革取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离等。
1．3．4上游技术广泛应用于下游生产
利用基因工程技术，不但成倍地提高了酶的活力，而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中，构建基因菌产生酶。利用基因工程，使多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、氨基酸合成途径的关键酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、稳定性得到提高，氨基酸合成的代谢流得以拓宽，产量提高。随着基因重组技术的发展，被称为第二代基因工程的蛋白质工程发展迅速，显示出巨大潜力和光辉前景。利用蛋白质工程，将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质，可以定向改造酶的性能，从而生产出新型生化产品。
1．3．5新技术在生物化工中也得到了极大的应用
比如，在超临界液体状态下进行酶反应，从而大大降低酶反应过程的传质阻力，提高酶反应速率。超临界C02无毒、不可燃、化学情性、易与反应底物分离。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应，具有极大的发展潜力。又比如，微胶羹技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。
2．世界生物化工行业的发展趋势
2．1工业结构
行业与行业间的划分将日趋模糊，企业间的合作将加大。目前，许多从事医药、农业、环境、能源等方面生产的企业，正在从事生物化工生产。特别是某些从事传统化工行业的生产厂家，也纷纷涉足生物化工领域。如杜邦公司，长期以来主要从事有机化工和聚合材料的生产，现在正加大生物化工的开发力度，已开发成功了生物法生产1,3-丙二醇工艺，并正在开发用改性大肠杆菌生产己二酸工艺。DSM公司以前主要从事抗菌素方面的生产，现也加大了生物化工的投资力度。
由于生物化工涉及面广，许多生化公司都有自己的专长，它们之间为了商业利益的合作也非常活跃。此外，随着从事传统行业的生产厂家的加入，由于技术与生产方面的原因，它们与从事生物化工开发与生产的企业合作也很频繁。所有这一切，都使生物化工行业的合作越来越广泛。如杜邦公司与杰宁科乐公司合作开发用生物法生产1，）丙二醇，进一步生产PTT树脂。荷兰的Purac公司与美国Cagill公司合资建设年产3．4万tL。乳酸装置，并计划进一步发展到6．8万V入DSM公司与美国Maxygen公司签定了三年的研究合同，以利用Maxygen的DNA重排和分子培养技术，开发在7一ADCA和其它青霉素生产中使用的酶和菌种。
生物化学工程（又叫生化工程或生物化工）是化学工程与生物技术相结合的产物。生物化工是生物技术的重要分支。与传统化学工业相比，生物化工有某些突出特点：①主要以可再生资源作原料；②反应条件温和，多为常温、常压、能耗低、选择性好、效率高的生产过程；③环境污染较少；④投资较小；⑤能生产目前不能生产的或用化学法生产较困难的性能优异的产品。由于这些特点，生物化工已成为化工领域重点发展的行业。
1. 世界生物化工行业的现状
生物化工发展至今已经历了半个多世纪，最早主要是生产抗生素；随后，是为氨基酸发酵、舀体激素的生物转化、维生素的生物法生产、单细胞蛋白生产及淀粉糖生产等工业化服务。自20世纪80年代起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又利用重组微生物、动植物细胞大规模培养等手段生产药用多肽、蛋白、疫苗、干扰素等。而且，生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面，包括农业生产、化轻原料生产、医药卫生、食品、环境保护、资源和能源的开发等各领域。随着生物化工上游技术——生物工程技术的进步以及化学工程、信息技术（IT）和生物信息学（bioinformatics）等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。
生物化工行业经过50多年的发展，已形成了一个完整的工业体系，整个行业也出现了一些新的发展态势。下面简要描述生物化工行业的现状。
1．1工业结构
由于生物化工涉及面广，涉及的行业多，所以从事生物化工的企业较多。据报道，90年代中期，美国生物化工企业有：000多家，西欧有580多家，日本有300多家。近年来，虽然由于行业竞争日趋激烈，生物化工企业有较大幅度减少，但与生命科学（主要指医药和农业生化技术）诸侯割据的局面相比，生物化工行业依然是百花齐放，百家争鸣。既有象诺华、捷利康等从事生命科学的世界性大公司，也有象DSM、诺和诺德等大型的精细化工公司，当然也有在某一方面有专长的小公司如Altus等。而且，由于世界大公司正把注意力向生命科学部分转移，生物化工行业百花齐放的局面在很长一段时间内不会有什么改变。
1．2产品结构
传统的生物化工行业主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）等行业，而在目前，它已几乎渗透到人民生活的各方面如医药、保健、农业、环境、能源、材料等。同时，生物化工产品也得到了极大的拓展：医药方面有各种新型抗生素、干扰素、胰岛素、生长激素、各种生长因子、疫苗等；氨基酸和多肽方面有赖氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、苏氨酸、脯氨酸等以及各种多肽；酶制剂有160多种，主要有糖化酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、青霉素酶、过氧化氢酶等；生物农药有Bt、春日霉素、多氧霉素、井岗霉素等；有机酸有柠檬酸、乳酸、苹果酸、衣康酸、延胡索酸、已二酸、脂肪酸、卜酮戊二酸、l亚麻酸、透明质酸等。还有微生物法1，3．丙二醇、丙烯酞胺等。
目前，全球生物化工年销售额在400亿美元左右，每年约以7％～8％的速率增长。从产品结构来看，生物化工领域生产规模范围极广，市场年需求量仅为千克级的干扰素、促红细胞生长素等昂贵产品（价格可达数万美元／g）与年需求量逾万吨的抗生素、酶、食品与饲料添加剂、日用与农业生化制品等低价位产品（部分价格不到：美元／g）几乎平分秋色。高价位的产品市场份额在50％～60％，低价位的产品市场份额在40％～50％。而且，根据近年来生物化工的发展趋势及人们对医药卫生的重视来看，高价位产品的发展速率高于低价位产品。
1．3技术水平
生物化工经过80年代以后的蓬勃发展，不仅整个行业技术水平有大幅度提高，而且许多新技术也得到广泛应用。
1．3．1发酵工程技术已见成效
据估计，全球发酵产品的市场有120～130亿美元，其中抗生素占46％，氨基酸占16.3％，有机酸占13．2％，酶占10％，其它占14．5％。发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开。现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。目前世界最大的串联发酵装置已达75 m＼许多公司对发酵工艺进行了调整，从而降低了生产成本。如ADM（Archer Danie1s Mid1and）和Cargill公司在20世纪90年代初对其发酵装置进行改造，将以碳水化合物为原料的生产工艺改为以玉米粉为原料，从而降低了生产成本，ADM公司生产的赖氨酸成本比原先降低了一半。
1．3．2酶工程技术有了长足的进步
酶工程技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技术、酶反应器与酶的应用。目前世界酶制剂从酶源开发到酶的应用都已进入了良性发展阶段，各阶段生产企业和用户关系密切，合作广泛。据报道，1998年全球工业酶制剂的销售额为13亿美元，预计到2010年将增长到30亿美元，每年以6．5％的速率增长。其中食用酶占40％，洗涤用酶占33％，其它（主要是纺织、造纸和饲料等用酶）占27％。
1．3．3分离与纯化技术也有很大进步
影响生化产品价格的因素，首当其冲的是分离与纯化过程，其费用通常占生产成本的50％～70％，有的甚至高达90％。分离步骤多、耗时长，往往成为制约生产的“瓶颈”。寻求经济适用的分离纯化技术，已成为生物化工领域的热点。已大规模应用的分离纯化技术有：双水相革取、新型电泳分离、大规模制备色谱、膜分离等。
1．3．4上游技术广泛应用于下游生产
利用基因工程技术，不但成倍地提高了酶的活力，而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中，构建基因菌产生酶。利用基因工程，使多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、氨基酸合成途径的关键酶得到改造、克隆，使酶的催化活性、稳定性得到提高，氨基酸合成的代谢流得以拓宽，产量提高。随着基因重组技术的发展，被称为第二代基因工程的蛋白质工程发展迅速，显示出巨大潜力和光辉前景。利用蛋白质工程，将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质，可以定向改造酶的性能，从而生产出新型生化产品。
1．3．5新技术在生物化工中也得到了极大的应用
比如，在超临界液体状态下进行酶反应，从而大大降低酶反应过程的传质阻力，提高酶反应速率。超临界C02无毒、不可燃、化学情性、易与反应底物分离。利用超临界CO2取代有机溶剂进行酶反应，具有极大的发展潜力。又比如，微胶羹技术已被广泛用于动物细胞的大规模培养、细胞和酶的固定化以及蛋白质等物质的分离方面。
2．世界生物化工行业的发展趋势
2．1工业结构
行业与行业间的划分将日趋模糊，企业间的合作将加大。目前，许多从事医药、农业、环境、能源等方面生产的企业，正在从事生物化工生产。特别是某些从事传统化工行业的生产厂家，也纷纷涉足生物化工领域。如杜邦公司，长期以来主要从事有机化工和聚合材料的生产，现在正加大生物化工的开发力度，已开发成功了生物法生产1,3-丙二醇工艺，并正在开发用改性大肠杆菌生产己二酸工艺。DSM公司以前主要从事抗菌素方面的生产，现也加大了生物化工的投资力度。
由于生物化工涉及面广，许多生化公司都有自己的专长，它们之间为了商业利益的合作也非常活跃。此外，随着从事传统行业的生产厂家的加入，由于技术与生产方面的原因，它们与从事生物化工开发与生产的企业合作也很频繁。所有这一切，都使生物化工行业的合作越来越广泛。如杜邦公司与杰宁科乐公司合作开发用生物法生产1，）丙二醇，进一步生产PTT树脂。荷兰的Purac公司与美国Cagill公司合资建设年产3．4万tL。乳酸装置，并计划进一步发展到6．8万V入DSM公司与美国Maxygen公司签定了三年的研究合同，以利用Maxygen的DNA重排和分子培养技术，开发在7一ADCA和其它青霉素生产中使用的酶和菌种。
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