后基因组时代的生物炼厂
余乃言
　　近年来，在石油资源短缺的情况下，以生物质为原料生产燃料和化学品的生物炼厂引起了人们越来越多的关注。
发展生物炼厂，需要突破的主要技术障碍是作为原料使用的生物质资源的转化效率问题。为了得到最佳转化效率，
伴随微生物细胞的生物技术改进，必须开发一种合适的生物处理方法。
　　生物炼厂开发的基础技术是“后基因组”(post-genom)相关技术，利用这些技术确立高效率的生物工程方法，
是构建生物炼厂的关键。
　　“后基因组时代”(post-genomic era)以前的研究是微生物细胞的改良，而“后基因组时代”的研究是在微生
物细胞突然变异过程中把有用的变异细胞分离出来，建立在基因组信息的基础上，在基因组水平上对微生物细胞的
遗传因子做根本性改良，从而确立设计高效率生物工程方法的技术基础。在日本，“后基因组”是医药领域的话题；
在美国，“后基因组”被同时应用于医药和生物炼厂（能源和化学品）的开发。
　　日本地球创新技术研究所（RITE——Research Institute of Innovative Technology for the Earth）开发
出一种与传统发酵法完全不同的生物处理技术。RITE获得高效率的关键是在微生物细胞的繁殖停止的状态下制造
化合物。以前的生物工程依赖微生物的增殖进行物质生产，要有增殖的“时间”和“场所”，因此时空产率（STY，
单位容积单位时间的生产量）要比化学方法低得多。为此，需要巨大的反应槽和精制处理设备，因设备费用高，生
产成本与化学方法相比没有优势。为了解决这个问题，RITE首先对微生物进行大量的培养，在反应器中进行高密
度填充。在细胞不分裂的状态下注入原材料，微生物细胞在其中起到催化剂的作用，这样克服了生物工程方法STY
低的问题，可进行连续反应生成化合物，大幅度提高生产效率。以这一生物处理作为核心技术，RITE微生物研究
小组正在进行以环境保护为目标的研究开发。
　　最近有关生物质高效率转化为工业化学品的研究主要包括以下几个方面：
　　丁二酸　丁二酸是厌氧菌发酵的副产物，目前该产品是以石油为原料生产。从环境保护观点看，用可再生的糖
类为原料生产丁二酸更有利。
　　RITE法生产丁二烯使用的是工业上常用的棒状杆菌型细菌。作为生物触媒的细胞高密度充填在反应装置里，
连续供给原料糖和CO2，然后回收生成的丁二酸。目前，RITE正与Showa 高聚物公司合作进行丁二酸工业化生产
的探索研究。
　　乙醇　美国有关生物乙醇生产的基础和应用研究发展很快，并成立了许多以生物质为原料生产乙醇的公司。预
计2006年美国生物乙醇产量将达1000万t，为5年前产量的2倍。大部分生物乙醇用于掺混汽油。按美国能源部
的计划，到2015年生物乙醇的成本要低于20美分/L。实现这一目标的基础是通过生物技术创立生物产业并利用优
化的生产乙醇的微生物（细菌）。
　　日本已经开发了一种新的利用RITE生物处理技术的有效的生物乙醇生产方法，有可能大幅度降低乙醇的生产
成本。
　　生物氢　生物氢生产是在常温、常压下进行，这样降低了生产过程的能耗。但生物氢生产系统有一个严重的缺
陷——工业产率较低。以往生物制氢的研究指出，较低的体积生产率是由于每个细胞的氢生产率低和反应器中细胞
密度较低所致，后者造成在厌氧条件下低的生长率。RITE生物处理克服了这些限制，因为微生物细胞不生长，只
是如化学催化剂一样被使用。在一个生物反应器中充填上高密度的“催化剂”，实现了比通常的生物氢生产系统高
2个数量级的效率。以这样的效率，1个咖啡杯大小的反应器生产的氢可供应1台电视的能耗，而1.8L聚酯瓶大小
的反应器生产的氢足以供应1个一般家庭所需的电能。