生物技术突破驱动生物化工产业迅猛发展
□ 中国石油吉林石化研究院 米多
在当今生物技术迅速发展转化为商品的新生物技术时代，生物化工产业的发展十分迅猛。生物化工是以生物技术从实验室规模扩大至生产规模为目的，以生物生产过程中带有共性的工程技术问题为核心的一门由生物科学与化学工程相结合的交叉学科。它既是生物技术的一个重要组成部分，又是化学工程的一个分支学科。生物化学工程是生物技术产业化的关键。近年来人们逐渐认识到现代生物技术的发展离不开化学工程，生物化工技术为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，大大提高了生物技术的产量和质量。面对新生物技术的兴起，化学工业作为传统的基础工业，不可避免地面临着生物新技术的挑战。
与传统化学工业相比，生物化工有如下突出特点：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。
生物化工对于促进工业技术进步和产业调整、促进绿色化学工业的发展起着至关重要的作用。随着基因重组、细胞融合、酶的固化等技术的发展，生物技术不仅可提供大量廉价的化工原料和产品，而且还将改变某些化工产品的传统工艺，甚至一些性能优异的化合物也将通过生物催化合成。生物技术的开发在国际上已从医药领域逐步转向大宗生物化学品领域。这里特别指出的是目前生物化工的研究与产业发展应选择有重要应用价值的目标产品，以开发的技术项目为基础，以产品为龙头，围绕生物化工产品进行相关的研究与开发，生物化工的发展将有力地推动生物技术和化工生产技术的变革和进步，产生巨大的经济效益和社会效益。未来在化工领域20%～30％的化学工艺过程将会被生物技术过程所取代，生物技术产业将成为21世纪的主导产业之一，生物化工将成为21世纪的重要化工产业。
生物化工完整工业体系基本形成
世界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、甾体激素的生物转化、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。
我国的现代生物化工研究开发比较晚（始于20世纪80年代初），到现今也仅仅走过不足30年的历程，但在此前我国在传统发酵工业方面有一定的基础，例如酒精、丙酮、丁醇、酱醋等。随着现代生物技术的蓬勃发展，近年来，我国生物化工取得了可喜的成就，并形成了新的发展特点：由仿照跟踪为主向自主创新转变、由实验室研究为主向模式化生产转向、由国内市场为主向国外市场转变，并逐渐形成了自主独立开拓生物化工的初步能力。
我国十分重视加强培养和建设生物化工技术力量。国内很多大学先后设立了生物化工专业并成立了生物化工研究机构，大批科研院所先后开展了生物化工的开发工作，国家计委支持筹建了三个生物技术下游国家重点实验室，国家科委组建了三个国家生物化工研究开发中心，这些均为我国生物化工产业的发展提供了良好的条件。我国“863”和“973”计划都将生物技术纳入重点资助领域，生物化工产业化步伐正在加快，生物化工在我国有着广阔的发展前景。
生物化工行业经过50多年的发展，随着生物技术突破性进展，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。生物化工技术可高效快速地将各类可再生生物质资源转化为新的资源和能源，在生物能源、生物基化工产品等方面发挥着重要作用。
利用生物能源，化解化石能源紧缺危机
利用生物化工技术生产生物能源是缓解当前全球化石燃料消耗的重要手段，生物能源以其清洁、环保和可再生性得到世界各国的普遍关注，成为发展低碳经济需要的新能源。所谓生物质能源(biomass energy)，是指以生物质为来源的各种形式的可再生能源。生物质是由生物体所产生的有机物质，包括植物、动物及其排泄物、垃圾与有机废水等。迄今，国内外采用不同技术手段、利用不同生物质材料、加工生产出不同形态的生物质能源，其战略性产品是生物燃料，主要包括燃料乙醇、生物柴油等。
燃料乙醇：清洁可再生燃料
燃料乙醇作为一种清洁环保的新型能源逐渐受到人们的关注，尽管乙醇的能量当量比传统石油燃料低 68%，但是乙醇作为一种清洁可再生燃料，被认为是一种可以有效替代石油的新型能源。
目前，世界燃料乙醇生产技术按原料可分为：
（1）工艺技术十分成熟，已实现大规模产业化，以玉米、小麦等为原料的淀粉类技术和以甘蔗、甜菜等为原料的糖蜜类技术，被称为第一代燃料乙醇。
（2）被称为第二代燃料乙醇的以农、林废弃物等为原料的纤维素类技术，目前还处于工业化试验研究开发阶段，大规模产业化尚未实现，但将是今后发展的主流方向。
（3）从燃料乙醇生产技术未来的发展趋势来看，还将会出现第三代燃料乙醇，即利用藻类的光合作用将CO2和（海）水合成有机质后生产燃料乙醇，目前该技术正进入中试阶段。
（4）而未来的第四代燃料乙醇，将是利用CO2和水直接光合成燃料乙醇，其技术尚处于研发阶段。
生产燃料乙醇的原料经历了陈化粮、玉米、木薯三个发展阶段。可以生产燃料乙醇的非粮资源主要有两类：一类是可以直接产业化的原料，包括木薯、甘薯、甘蔗、甜高梁、畜禽粪便和农产品加工的废水、废渣；另一类是需要技术发展才能产业化的原料，主要是木质纤维素，包括粮食作物秸秆、工农业和生活废料及其他生物有机物质等。各类原料生产乙醇的工艺路线见表1。
生物柴油：洁净生物燃料
生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料，国际上对生物柴油的开发形势看好。自德国1988年率先生产生物柴油以来，生物柴油的生产在多个国家迅速发展。欧洲和北美利用过剩的菜籽油和豆油为原料生产生物柴油已获得推广应用。德国现有8家生物柴油生产厂，拥有300多个生物柴油加油站，生产生物柴油25万吨，并制定了生物柴油标准，对生物柴油不收税。法国有7家生物柴油生产厂，总能力为40万吨。使用标准是在普通柴油中掺加5%生物柴油，对生物柴油的税率为零。意大利有9个生物柴油生产厂，总能力33万吨，对生物柴油的税率为零。比利时有两个生物柴油生产厂，总能力24万吨。美国也在推广生物柴油，现有4家生物柴油生产厂，总能力为30万吨。
我国政府、研究单位和一些企业对生物柴油非常重视。“八五”和“九五”期间，开展了野生油料—光皮树油的采集、酯化改性和应用试验研究；“十五”期间，科技部将野生油料植物开发和生物柴油技术发展列入国家863计划和科技攻关计划。中国科技大学、江苏石油化工学院、北京化工大学、吉林省农业科学院、广州能源研究所等科研单位纷纷展开了生物柴油的研究工作，并成功利用菜籽油、大豆油、废煎炸油等为原料生产生物柴油。我国几大国营石油集团如中国石油、中石化、中海油和中粮集团都设立了专门的机构研究生物柴油。除此之外，我国还涌现出正和、古杉、卓越、天冠、湖南天源等许多家生物柴油民企，开发出自主知识产权的生物柴油生产技术和工业化试验工厂。据广州能源研究所生物柴油课题组的不完全统计调查，目前全国生物柴油生产厂家已达到69家，总生产能力为113.63万吨。其中，山东省的生物柴油生产企业最多，为9个，产能最大的省份为江苏省，37.32万吨。然而，廉价、来源稳定的原料供应不足成为了阻碍生物柴油产业发展最大的问题。为促进生物柴油产业的健康发展，建设固定的植物原料基地尤为重要。
生物柴油产业是新兴的高新科技产业，我国“十五发展纲要”已明确提出发展各种石油替代品，并将发展生物液体燃料确定为新兴产业发展方向。我国生物柴油产业化面临的最大障碍是生产成本较高，其中原料成本占总生产成本的80%以上，因此采用资源丰富且价格低廉的原料及实现较高的转化率、产品产量的生产技术是降低生物柴油生产成本的关键。积极探索降低生物柴油高成本的途径是当前生物柴油研究的重要工作内容。
生物基化学品：研究热门领域
以生物质为原料生产生物燃料和生物基化工产品，特别是替代石油化工产品，已经成为目前国内外研究的热门领域，并成为许多国家研究开发的重点。生物化工基产品是一大类为数众多的通过各种生物反应过程，即发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养等过程所获得的产品，如1,3-丙二醇、2,3-丁二醇、长链二元酸、L-乳酸和聚-β-羟丁酸、生物乙烯、PHBV等。它们的共同特点是以生物质为原料，通过生物催化剂的作用，在生物反应器中形成，并通过生化分离工程的有关手段将其提取纯化。
国内仍需加大投入
生物化工技术为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩宽了生物技术的应用范围，更新了产品的下游技术，大大提高了生物技术的产量和质量。现代生物技术的发展，已使生物化工成为21世纪化学工业最富有生命力的产业。
在生物化工的今后发展中学科交叉是发展趋势，生物化工与生命科学、能源及环境科学的交叉将使其更加欣欣向荣，尤其生物化工与生命科学的交叉，是当今生物化工领域的前沿学科。利用生物技术发展绿色化学工业、开发新能源、实现环境保护，关系到人类的可持续发展，是最有潜力的工业。也是实现循环经济的主要途径之一。
（1）生物化工产品正向专业化、高科技含量、高附加值方向发展，高价位产品如生化药物、保健品、生化催化剂等则备受青睐。
（2）企业间的合作将加大，行业与行业间的划分将日趋模糊。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。
（3）新技术在生物化学品生产中得到了极大的应用，如超临界技术、微胶囊技术等。
（4）上游技术广泛应用于下游生产，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。
（5）发酵工业蓬勃发展，发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高。
（6）酶工程技术有了长足的进步，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。
（7）分离与纯化技术也有很大进步，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。
与国外相比，我国生物化工行业还存在着一定差距，主要表现在科技开发投入少，技术队伍相对薄弱，主要的科研经费都用在基因工程等上游研究开发，在生物化工开发上投入较少；产品结构不合理，产品附加值不高，生物基化工产品主要集中在医药和食品领域，产品种类和产量与世界水平还有很大差距；缺乏相配套的生物技术设备，生物技术装备主要依靠进口，亟需解决配套工艺的工业化放大和装备的国产化问题；生产过程缺乏综合利用与清洁工艺观念，浪费及污染严重。
因此，针对上述问题，我国生物化工产业发展应采取的对策如下：
（1）重视下游开发和上下游的结合，优先发展支撑技术体系。上游是指菌种、细胞培养和发酵工艺，下游是指生物反应器、工艺条件、产物分离提纯设备和技术等。上游是基础，下游是支撑，关于上下游的研究开发比例，国外的比例是 1∶4，而我国是 4∶1, 这是极不协调的。
（2）发展生物化工产品要以市场为导向。在选择发展方向时，要切合实际地选择基础条件好、技术条件成熟、有市场及产业化前景的项目。
（3）重视技术资金投入及企业在生物化工产业发展中所起的作用。
（4）加强生物化工企业队伍建设，加速人才培养,建立高效生物化工开发体系。
（5）制定促进生物化工产业顺利发展的政策和发展战略生物化工产业的发展，必须有完整的政策作保证，创造良好的环境与机制，制定有利于提高竞争力的规划。要充分考虑生化工程的高风险性、高投资率和高技术性，制定高起点的中长期发展战略。
（6）开展与国外的科技合作与交流。
（7）建立合理的资金投入和融资方式。