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。人类基因组论文网计划。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75m＼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(ArcherDanie1sMid1and)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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