生物制造和生物煉制論文

　　內(nèi)容摘要：生物制造的定義比較寬泛，側(cè)重點(diǎn)各有不同，清華大學(xué)顏永年把生物制造的側(cè)重點(diǎn)定為制造，使其與傳統(tǒng)典型制造業(yè)區(qū)分開來(lái)，包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造等涉及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的制造科學(xué)和技術(shù)。也有學(xué)者側(cè)重于生物，泛指以生物體機(jī)能進(jìn)行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會(huì)發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細(xì)胞或以酶蛋白為催化劑進(jìn)行化學(xué)品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化合成能源化學(xué)品與材料的新模式。生物煉制則可以歸入后者定義的范圍內(nèi)，生物煉制區(qū)別于傳統(tǒng)石油煉制，是利用農(nóng)業(yè)廢棄物、植物基淀粉和木質(zhì)纖維素材料為原料，生產(chǎn)各種化學(xué)品、燃料和生物基材料，生物煉制大幅擴(kuò)展可再生植物基原材料的應(yīng)用，使其成為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的化學(xué)和能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變的手段。1生物制造的不同定義

　　1998年，“21世紀(jì)制造業(yè)挑戰(zhàn)展望委員會(huì)”主席J.Bollinger博士在生物成形技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了生物制造的概念[1]，清華大學(xué)顏永年明確了生物制造工程的定義[2]。寬泛定義為:包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造，涉及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的制造科學(xué)和技術(shù)均可視為生物制造，用BM-Biomanufacturing表示。狹義定義為:主要指生物體制造，是運(yùn)用現(xiàn)代制造科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，通過(guò)單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)簇的直接和間接受控組裝，完成具有新陳代謝特征的生命體成形和制造，經(jīng)培養(yǎng)和訓(xùn)練，完成用以修復(fù)或替代人體病損組織和器官。從某種角度上講，生物體制造也可視為是上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的組織工（TissueEngineering）的拓展和延伸。

　　由于這批學(xué)者大多出身于傳統(tǒng)制造業(yè)，先入為主如此定義生物制造或許是為了與傳統(tǒng)的制造業(yè)區(qū)分而來(lái)。制造這個(gè)詞本身含義比較寬泛，近乎等同于生產(chǎn)，若只把生物制造定義為生物體制造未免太過(guò)狹隘。筆者認(rèn)為生物制造是一個(gè)計(jì)較寬泛的概念，等同于生物生產(chǎn)，指以生物體機(jī)能進(jìn)行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會(huì)發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細(xì)胞或以酶蛋白為催化劑進(jìn)行化

　　學(xué)品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化合成能源化學(xué)品與材料，促使能源與化學(xué)品脫離石油化學(xué)工業(yè)路線的新模式，主要表現(xiàn)為先進(jìn)發(fā)酵工程、現(xiàn)代酶工程、生物煉制、生物過(guò)程工程等新技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用，具有低碳循環(huán)、綠色清潔等典型特征。

　　1.1制造業(yè)定義的生物制造

　　制造業(yè)定義的生物制造與醫(yī)學(xué)聯(lián)系緊密，其哲學(xué)理念是任何復(fù)雜的生命現(xiàn)象都可以用物理、化學(xué)的理論和方法在人工條件下再現(xiàn)，組織和器官是可以人工制造的；生物體制造不是制造生命，它并不涉及生命起源的問(wèn)題，而是用有活性的單元和有生命的單元去“組裝”成具有實(shí)用功能的組織、器官和仿生產(chǎn)品。

　　生物制造工程生產(chǎn)的“零件”具有以下特性：（1）物理特性：材料組分和微結(jié)構(gòu)在“零件”內(nèi)部的三維幾何空間上按照設(shè)計(jì)要求形成梯度分布，從而形成物理性能的梯度分布；（2）化學(xué)特性：由多種材料復(fù)合組成，不同的材料組分具有不同的表面特性和化學(xué)特性；（3）生物學(xué)特性：具有一定的生物學(xué)功能，并為細(xì)胞和組織的進(jìn)一步生長(zhǎng)提供條件；（4）時(shí)間特性：“零件”成形完成后的細(xì)胞/組織培養(yǎng)過(guò)程中，隨時(shí)間推移，不同的細(xì)胞表達(dá)不同的基因，“零件”的組成和功能隨之改變；（5）個(gè)體化制造：針對(duì)單個(gè)不同用戶生產(chǎn)，不僅是外形尺寸的個(gè)體化，其細(xì)胞組成也實(shí)現(xiàn)個(gè)體化，植入生物體內(nèi)不引起免疫排斥反應(yīng)。

　　1.2生物行業(yè)定義的生物制造

　　生物行業(yè)定義的生物制造，可根據(jù)使用對(duì)象和方式的不同分為使用生物（主要為微生物）本身或者酶蛋白催化合成化學(xué)品，如發(fā)酵工程和現(xiàn)代酶工程；使用生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化合成能源化學(xué)品與材料，如生物煉制。

　　2生物煉制

　　生物煉制的概念主要是為了和石油煉制區(qū)別開來(lái)。首先是世界范圍內(nèi)石油資源的日益枯竭，其次是世界主要產(chǎn)油地中東地區(qū)的不穩(wěn)定，對(duì)世界原油價(jià)格造成巨大的沖擊，國(guó)際原油價(jià)格一路上漲。這對(duì)以石油為原料的石油化工行業(yè)造成了巨大的壓力，同時(shí)以石油為原料的燃料對(duì)環(huán)境也造成了巨大污染，如溫室氣體排放等。

　　圖1石油煉制化學(xué)品工藝[3]

　　在石油日益短缺的情況下，世界各國(guó)都開始尋求新的不以石油作為原料制備平臺(tái)化合物的工藝路線，國(guó)際上開始出現(xiàn)了工業(yè)生物技術(shù)，即生物煉制的思路，生物煉制就是以可再生的生物質(zhì)資源包括糖（如淀粉、纖維素和半纖維素等）、油脂和蛋白質(zhì)等為原料，經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)、生物方法或這幾種方法集成的方法加工成我們需要的化學(xué)品、功能材料和能源物質(zhì)（如液體燃料）。生物煉制和石油煉制相比，具有以下特點(diǎn)：①原料可再生，不受石油資源枯竭的影響；②環(huán)境友好，沒(méi)有凈CO2增加，燃燒后產(chǎn)生的CO2可被植物光合作用所利用，生物煉制過(guò)程即傳統(tǒng)的碳?xì)浠�合物（石油）�?jīng)濟(jì)模式向碳水化合物（糖）。由于生物資源的生物特別是微生物和酶的可處理性，生物煉制的核心技術(shù)是生物轉(zhuǎn)化。

　　2.1生物煉制的主要框架

　　和石油煉制類似，生物煉制以生物質(zhì)（如淀粉、半纖維素、纖維素等）為原料，通過(guò)熱化學(xué)、化學(xué)或生物方法等降解成為一些中間平臺(tái)化合物，如生物基合成氣、糖類（如葡萄糖、木糖等），然后經(jīng)過(guò)生物或化學(xué)方法加工成為平臺(tái)化合物，如乙醇、甘油、乳酸等。圖2是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要途徑[4]。

　　圖2生物煉制工藝

　　2.2生物煉制的發(fā)展現(xiàn)狀

　　工業(yè)生物技術(shù)，有時(shí)又稱為白色生物技術(shù)（WhiteBiotechnology）。生物技術(shù)是生物煉制的核心技術(shù)，目前已用于大宗化學(xué)品、生物材料和生物能源的生產(chǎn)。

　　（1）大宗化學(xué)品

　　丙烯酰胺生物合成工藝是日本三菱麗陽(yáng)（Mit-subishiRayon）公司首先開發(fā)成功的大宗化學(xué)品生物技術(shù)生產(chǎn)工藝，我國(guó)上海農(nóng)藥廠也開發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝。目前日本公司采用丙烯腈水解酶水解丙烯腈制備丙烯酰胺，產(chǎn)量可達(dá)10萬(wàn)t以上，我國(guó)先后有多個(gè)廠家采用上海農(nóng)藥廠的技術(shù)，目前產(chǎn)量也達(dá)到15萬(wàn)t左右。

　　（2）生物材料

　　美國(guó)Cargill公司采用發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)L-乳酸，然后生產(chǎn)聚乳酸（PLA），2004年產(chǎn)量已達(dá)到14萬(wàn)t，該產(chǎn)品可以用于普通的包裝材料。美國(guó)DuPont公司和Tate&Lyle公司合作開發(fā)了采用基因工程菌生產(chǎn)1，3-丙二醇技術(shù)，于2006年將建成一個(gè)年產(chǎn)量為9萬(wàn)t的1，3-丙二醇生產(chǎn)裝置。

　　（3）生物能源

　　燃料乙醇是目前最大的生物燃料，2002年全世界產(chǎn)量已達(dá)2600萬(wàn)t，其中巴西產(chǎn)量最大，達(dá)870萬(wàn)t，美國(guó)其次，產(chǎn)量為570萬(wàn)t。2004年全世界生物柴油產(chǎn)量300萬(wàn)t，其中歐洲產(chǎn)量200萬(wàn)t。預(yù)計(jì)2010年全世界5.75%的石油液體燃料將由生物燃料代替，到2020年20%的燃料將由生物能源代替。

　　（4）藥品和食品添加劑的生產(chǎn)

　　BASF公司的維生素B2生產(chǎn)工藝，用傳統(tǒng)的化學(xué)法包括8步工藝，但通過(guò)采用生物發(fā)酵法后，只有一步工藝，總成本降低了40%，污染物排放量也降低了40%。荷蘭DSM公司采用生物法生產(chǎn)頭孢，傳統(tǒng)的化學(xué)法需要10步合成，而采用生物方法僅需一步工藝，其中原材料消耗降低65%，總成本降低50%。3生物煉制的展望

　　生物煉制的核心技術(shù)是生物技術(shù)，除生物技術(shù)外還包括化學(xué)合成和化學(xué)工程技術(shù)。生物煉制的發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面:

　　（1）代謝工程

　　如何構(gòu)建新的代謝途徑，使微生物能夠適用粗放的原料如纖維素等，同時(shí)可以使代謝向產(chǎn)物方向移動(dòng)�；�因工程和代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展對(duì)提高生物煉制的效率無(wú)疑具有重要推動(dòng)作用。

　　（2）酶催化

　　高效的酶催化反應(yīng)及新功能的生物催化劑是降低生物煉制成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前高效低成本的纖維素酶是生物煉制過(guò)程中中間化合物糖類制備的關(guān)鍵酶之一。如果獲得突破，對(duì)生物煉制中利用秸稈為原料將有重要意義。

　　（3）高效多聯(lián)產(chǎn)

　　石油煉制的一個(gè)重要概念是將石油不同的組分吃干榨盡，因此在生物煉制的過(guò)程中必須采用類似的思路。

　　（4）高效分離純化

　　化學(xué)工程單元操作對(duì)石油化工煉制產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，同樣對(duì)生物煉制也有重要意義。如何高效、低能耗地將生物基化學(xué)品從低濃度的發(fā)酵體系中分離純化也是擺在我們面前的一個(gè)新難題。

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