市场经济下化学工业发展规划的编制(系列报道之五)
化学工业发展中的工业生物技术
中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
    工业生物技术（Industrial biotechnology）又称白色生物技术（White biotechnology），是与绿色生物技术
（Green biotechnology）相对而言的，是指应用生物技术进行化学品、材料和燃料的可持续加工和生产，用酶和
微生物生产产品，如精细化学品、医药、食物和饲料、纸和纸浆、纺织品、能源、材料和聚合物等。近年来，工业
生物技术的出现对化学工业产生了较大的影响，一方面使化学工业利用可再生资源；另一方面又提高了原料的利用
效率。生物技术工艺具有广阔的发展前景，可以生产多种化学品，而且有些化学品是传统合成路线难以实现的。因
此，美国、欧盟和日本等发达国家和地区都将工业生物技术列为化学工业2020～2025年长远发展规划中的核心技
术。
                                             美   国
　  《美国化学工业2020年技术发展设想》 中将生物过程与生物技术列为四大技术领域之一—— “新化学科学
与工程技术”的重点。化学工业应用生物技术大有可为，迄今约99%的微生物既未被研究、也未被利用，多种新型、
高效生物催化剂有待开发。近来，通过基因密码破解确认的一些微生物，有望成为生物催化剂。
　 “设想”中提出要拓宽研究领域，优先考虑生物技术的重要性，而提高生物催化剂性能和生物化学的可操作性
是生物技术在化学工业获得成功的关键。
　　1.提高生物催化剂的性能  
　　酶是提高生物催化剂性能的基础。在连续反应的条件下，生物催化剂可提高化学反应的产率、速率和选择性。
通过改性，可使生物催化剂适用于特定的化学反应，甚至适用于生物质原料的立体化学反应条件，使生物过程更有
助于保护人类的健康、安全和环境。为此，需要进行以下3个方面的研究和开发：
　　● 从尚未开发、需通过生物多样性研究才能发现的微生物门类中分离出新型酶；
　　● 强化已知酶的特性和活性，运用分子生物学和分子转换技术扩宽催化剂应用的pH值范围、温度范围以及改
善介质的耐受性；
　　● 按酶的代谢途径，使工业用微生物能够完成多步合成，达到高收率、高反应速率以及反应介质中目标产品
的高浓度。
　　2.改进生物化学加工工艺
　　提高生物化学可操作性，改进和强化基础生物化学工程的应用技巧，需要解决以下5个方面的问题：
　　● 运用生物学和化学过程的组合进行在线测量和操作模型控制；
　　● 使生物学反应完全，并具有连续性；
　　● 在生物作用过程中，微生物与化学物质的界面处要有很好的工艺过程；
　　● 寻找更有效的分离操作手段；
　　● 开发可大规模化生产且投资少的具有良好效果的生物反应及其产品提取技术。
　 “设想”指出，生物技术对化学工业的发展起着重要作用。通过运用分子生物学、基因组定序、代谢途径设计
和直接的分子转换对生物催化剂进行改性，可用于废弃物的回收再加工，生物技术工艺将越来越多地适用于生产各
种化学品。生物技术的发展需要政府相应政策的大力支持，同时工业界、学术界要通力合作，使其成为提高全球化
学工业水平的力量源泉。
　　此外，美国又提出了由化工原料通过生物加工工艺制备各种产品的生物技术路线图，见图1。
　　在技术路线图编制过程中，分别就生物技术在精细化学品和药品、大宗化学品生产中的应用及生物催化剂的筛
选和开发等方面提出了2020年发展目标。
　　精细化学品用生物催化剂　提高工艺过程强度和生产效率，公斤/产能/时间比要比2000年提高10倍；1/3工
艺要从间歇方式转换成流化床反应器；提高催化剂的成本价格/价值比；增加由生物催化剂制备的产品数量，2010
年增加10%，2020年增加20%，30%的传统工艺被生物催化工艺替代，精细化学品产值的30%是由应用生物催化剂产
生的；开发有生命力的生物催化工具库，提供一种演变模式，使化学催化剂更好的转换成生物催化剂；开发可进行
多步反应的生物催化剂。
　　大宗化学品用生物催化剂　到2020年期间每5年生物基产品的价值/产量比提高1倍，每磅催化剂可用于生产
2万磅产品；应用生物催化剂的工艺成本要比通用化学催化剂的低20%，50%的新产品由生物加工工艺生产；设计的
化学品及生物加工工艺是可循环利用或可生物降解的；开发的生物基产物具有更好的性能；化学工业的水消耗量、
有毒物质和污染物排放要减少30%；政策上支持生物催化剂回收碳的应用，并通过宣传等途径提高公众对生物技术
及其产品的接受程度。
　  生物催化剂的筛选及开发　提高材料利用率，达到减少水和能量的消耗、有毒物质和污染物排放降低30%的目
标；开发生物催化剂/酶的筛选方法；开发具有多种基质专用性的催化剂，并能维持反应连续性；对配方工艺进行
筛选；了解酶的作用机制；将合成酶应用于生物加工工艺过程；开发关键性技术提高产出比，开发多相加工工艺，
确保生物种类多样性；生物催化剂与工业常用催化剂相比要在以下方面具有显著改善：产出比提高20%，原料选择
范围较宽；能耗和产生的废料降低20%。
                                          欧    盟       
    欧盟曾对生物技术的市场作过分析和预测，认为在通用化学品、燃料和能源、精细和专用化学品、聚合物材料
等方面都有发展前景，并在2004年出台的《欧洲可持续性化学技术平台（Suschem）》中有详细表述。2005年3月
欧盟委员会出台的Suschem Vision以及2006年出台的《2025年欧洲可持续性化学技术平台战略研究议程》
（Strategic Research Agenda of Suschem 2025）及其附录，均将工业生物技术作为三个重点发展的关键领域之
一，对生物技术现状、发展趋势及其市场机遇作了系统分析和预测，评述了可能面临的机遇和挑战，并提出了优先
发展的研发项目和关联技术及其建议。
　　通过分析研究，确定了7个主要的技术领域，分别是：新型酶及微生物，微生物基因学及生物信息学，代谢工
程和建模，生物催化剂优化，生物催化剂工艺设计，发酵科学和工程，创新性下游加工工艺。
　　上述7个方面的重点研究开发课题简介如下：
　　1.新型酶和微生物
　　生物质原料的应用以及生物燃料的制备是欧盟各个国家关注的重点，这方面的主要课题有：
　　● 开发强效的发酵微生物，以抵抗原料中有毒化合物，可以利用各种醣提高生物乙醇和其他生物燃料的效率；
　　● 开发新型配制酶，其中含有新型酶和微生物，将生物质（如麦杆、甜菜浆等）转换为发酵基质；
　　● 通过将物理、化学等原理与酶/微生物相结合而开发的新工艺，将生物质中木质素转换为芳烃；
　　● 将纸浆厂的副产品转换为生物燃料；
　　● 探索可提高产出比的新型酶和微生物的筛选方法，开发由生物转换和代谢工程制备的新产品和新技术。
　　2.微生物基因学和生物信息学
　　了解微生物活性的关键在于进一步理解其基因，只有弄清基因图谱排序，鉴别所需要的代谢途径就能较快地掌
握与之适应的制造工艺。因此要在分子生物学及其应用设备方面取得进展，为了储存有用信息，将信息科学用于生
物学，形成生物信息学。在功能微生物基因学方面，这是设计和研究未来工业用生物加工工艺的核心。生物工艺设
计要从两方面扩展：一是极大拓展基因空间，更准确的了解和掌握微生物性能以及受控模式，提高微生物的活性；
二是形成知识基础，为未来建模并进行合理的细胞设计和提高生物催化剂设计能力奠定基础。
　　在新型基因和给定功能方面，开发拓展微生物排序计划为大规模开发新型生物催化剂及其应用提供了条件，同
时需要研究组合催化和路线设计，从而简化人工合成基因与大型DNA片段组合的开发过程，通过人工装配途径可用
于定制生产。
　　在生物信息学研究方面，提出了4项课题：掌握未知基因的功能；进一步了解较复杂的植株；掌握建立在基因
学基础上的系统生物技术；研究人造微生物——合成生物学。
　　3.代谢工程和建模
　　代谢工程是用细胞的酶转移和规范功能来改善细胞活性，典型的方法是采用DNA重组技术，从而可以得到新型
的酶和优化微生物代谢，在这方面提出的优选项目有：
　　● 工业中的系统生物技术；
　　● 应用代谢工程制备工业产品；
　　● 微生物代谢的建模；
　　● 建立新型表述系统，例如蛋白质生物主体技术则应集中于深化了解非均相蛋白质合成，可表示为折叠改性
和分泌；破解分泌途径并进行操作，为优化蛋白质生产开发新型微生物，开发自然界不存在的新型蛋白质合成路线，
改进下游产品性能和蛋白质纯化等。
　　4.生物催化剂功能和优化
　　酶可以提高反应转化率，并具有专一性。工业上应用的生物催化剂通过生物催化工艺可提高目标产物的产率，
减少副产物的生产。应用技术主要是蛋白质工程、基因重排和直接转换，可以制备新型生物催化剂，用于生产新产
品。研究重点是：
　　● 扩大工业用酶的范围；
　　● 将新的基因信息用于生物化学方法和酶的开发，探索可进行化学转换的新型催化剂；
　　● 合理设计优化生物催化剂；
　　● 对催化酶和基质互相作用的机理进行深入研究，使酶更好的应用与新型生物产品的合成。
　　5.生物催化工艺过程设计
　　优化设计可以大幅度提高生产效率，研究重点是：
　　● 将生物催化剂集成于工业工艺过程，主要通过优化酶的功能，为工业工艺过程开发高效的生物催化剂；
　　● 将酶生产和酶转化过程直接集成，酶转化过程包括目标产物的下游加工；
　　● 开发标准模式和多相生物反应器；
　　● 为化学和生物化学分析开发微型和纳米部件，包括分子和细胞检测生物芯片和营养液以及代谢体的自动监
测。
　　6.发酵科学和工程
　　发酵工程是工业生物技术的核心，通过培育制备微生物及其活性成分。发酵工程对分子生物学、基因生物学、
生物化学工程、工艺过程分析、计算机科学和自动控制等方面有很大影响。发酵工程优先研究的项目有：
　　● 运用工程手段强化工艺过程，如设计成本较低的发酵器，提高控制战略和模拟手段，可在不同的规模下建
立发酵工艺模型等；
　　● 开发微型反应器，缩短工艺开发时间，研究大规模生产的条件；
　　● 研究微生物在极端环境下（pH、温度、低生长速度、高浓度基质）的生理学。
　　7.创新性下游加工工艺
　　创新性下游加工工艺是大规模应用工业生物技术的一个“瓶颈”，在新产品开发早期就应考虑并对下游加工工
艺进行开发，这方面优先研究的项目有：
　　● 开发创新性下游加工技术，如计算机辅助设计系统，可进行产品分离的连续发酵工艺技术；
　　● 针对不同基团化合物开发基因技术工具库，包括生物转化中的主要产物回收；
　　● 将下游产品的回收与化学进行集成，促进发酵产品进一步转化，减少能源和水的消耗以及废物的生成。
                                              日   本
　　日本在2025年化工发展战略中将生物技术列为核心技术，并指出该技术可以应用于化学品、药品、食品以及
电子、信息和机械等行业，也是提高化学工业国际竞争力的有效途径。
　　1.通用化学品
　　每年要生产大量的通用化学品以满足需求，如谷氨酸150万t、柠檬酸100万t、赖氨酸100万t、乳酸15万
t、葡萄醣酸10万t、维生素C 8万t。
　　当前能源供应极度紧张，生物乙醇和生物柴油将成为可替代能源的较好选择，发展前景广阔。乙醇是发酵产品
中产量最大的，2002年全球乙醇产量超过2600万t，2/3用作燃料。其中巴西生产870万t，美国570万t，欧盟
仅160万t，计划到2010年汽柴油的5.75%要由生物燃料组成，2020年这个比值要达到20%。
　　目前，农产品是主要的乙醇原料，今后要加大利用农药废料和副产物作基质的开发力度，因此需要对酶进行改
性，确保在成本较低的前提下更好的破碎纤维素，进而转化为易于发酵的葡萄糖。生物柴油是由植物转化而来的，
一般采用化学改性，开发以酞酶为基础的生物工艺，提高加工效率，并改善对环境的影响。
　　要重视利用生物发酵制备甲烷和氢的开发，使之能部分取代天然气。
　　2.精细和专用化学品
　　该类化合物一般都具有几个功能团，有时还具有手性结构，典型的合成方法是定量的反应物在多步反应后生成
目标产物。反应过程中为保护某功能基团，需要昂贵的金属催化剂，且反应条件也较苛刻，如果采用生物催化剂则
可使反应在较温和的条件下进行。生物催化剂在该领域具有良好的应用前景，目前全球采用生物催化剂生产的精细
和专用化学品产值达500亿欧元，10～20年后预计可达3000亿欧元。
　　3.生物基聚合物及材料
　　生物医药和生物材料是两个极具发展潜力的领域。生物医药具有生物兼容性，可以用作器官的修复，开发界面
药品是其主要的攻关领域，此类产品量少且价高。生物材料有三大类，包括生物基聚合物（以可再生资源为原料）、
高性能生物聚合物以及生物激发材料（用生物系统或生产方法生产的产品）。高性能生物聚合物则有单分散齐聚物、
手性齐聚物、液晶等产品。生物激发材料则有提高太阳能效率的电子元件，替代骨骼的生物结构材料，具有屏蔽性
的材料，化学与物理传感器等。
　　4.其他生物基化学品
　　糖基、油脂/肽基、蛋白质基等众多生物基化学品，其中许多产品已有较长的生产历史，通过应用先进的生物
技术，可提高生产效率，产品质量以及品种数量等方面都有显著进展。由此可见，无论是传统化学工业的改进还是
新兴领域的开拓，都为工业生物技术提供了广阔的发展空间。