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)重點各有不同，清華大學顏永年把生物制造的側(cè)重點定為制造，使其與傳統(tǒng)典型制造業(yè)區(qū)分開來，包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造等涉及生物學和醫(yī)學的制造科學和技術(shù)。也有學者側(cè)重于生物，泛指以生物體機能進行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細胞或以酶蛋白為催化劑進行化學品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化合成能源化學品與材料的新模式。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)各種化學品、燃料和生物基材料，生物煉制大幅擴展可再生植物基原材料的應用，使其成為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的化學和能源經(jīng)濟轉(zhuǎn)變的手段。1生物制造的不同定義

　　1998年，“21世紀制造業(yè)挑戰(zhàn)展望委員會”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，涉及生物學和醫(yī)學的制造科學和技術(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，是運用現(xiàn)代制造科學和生命科學的原理和方法，通過單個細胞或細胞團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)和訓練，完成用以修復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80年代出現(xiàn)的組織工（TissueEngineering）的拓展和延伸。

　　由于這批學者大多出身于傳統(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。制造這個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狹隘。筆者認為生物制造是一個計較寬泛的概念，等同于生物生產(chǎn)，指以生物體機能進行大規(guī)模物質(zhì)加工與物質(zhì)轉(zhuǎn)化、為社會發(fā)展提供工業(yè)商品的新行業(yè)，是以微生物細胞或以酶蛋白為催化劑進行化

　　學品合成、或以生物質(zhì)為原料轉(zhuǎn)化合成能源化學品與材料，促使能源與化學品脫離石油化學工業(yè)路線的新模式，主要表現(xiàn)為先進發(fā)酵工程、現(xiàn)代酶工程、生物煉制、生物過程工程等新技術(shù)的發(fā)明與應用，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)學聯(lián)系緊密，其哲學理念是任何復雜的生命現(xiàn)象都可以用物理、化學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題，而是用有活性的單元和有生命的單元去“組裝”成具有實用功能的組織、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)計要求形成梯度分布，從而形成物理性能的梯度分布；（2）化學特性：由多種材料復合組成，不同的材料組分具有不同的表面特性和化學特性；（3）生物學特性：具有一定的生物學功能，并為細胞和組織的進一步生長提供條件；（4）時間特性：“零件”成形完成后的細胞/組織培養(yǎng)過程中，隨時間推移，不同的細胞表達不同的基因，“零件”的組成和功能隨之改變；（5）個體化制造：針對單個不同用戶生產(chǎn)，不僅是外形尺寸的個體化，其細胞組成也實現(xiàn)個體化，植入生物體內(nèi)不引起免疫排斥反應。

　　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。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，對世界原油價格造成巨大的沖擊，國際原油價格一路上漲。這對以石油為原料的石油化工行業(yè)造成了巨大的壓力，同時以石油為原料的燃料對環(huán)境也造成了巨大污染，如溫室氣體排放等。

　　圖1石油煉制化學品工藝[3]

　　在石油日益短缺的情況下，世界各國都開始尋求新的不以石油作為原料制備平臺化合物的工藝路線，國際上開始出現(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)過物理、化學、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：①原料可再生，不受石油資源枯竭的影響；②環(huán)境友好，沒有凈CO2增加，燃燒后產(chǎn)生的CO2可被植物光合作用所利用，生物煉制過程即傳統(tǒng)的碳氫化合物（石油）經(jīng)濟模式向碳水化合物（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，通過熱化學、化學或生物方法等降解成為一些中間平臺化合物，如生物基合成氣、糖類（如葡萄糖、木糖等），然后經(jīng)過生物或化學方法加工成為平臺化合物，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品、生物材料和生物能源的生產(chǎn)。

　　（1）大宗化學品

　　丙烯酰胺生物合成工藝是日本三菱麗陽（Mit-subishiRayon）公司首先開發(fā)成功的大宗化學品生物技術(shù)生產(chǎn)工藝，我國上海農(nóng)藥廠也開發(fā)了擁有自主知識產(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10萬t以上，我國先后有多個廠家采用上海農(nóng)藥廠的技術(shù)，目前產(chǎn)量也達到15萬t左右。

　　（2）生物材料

　　美國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)量已達到14萬t，該產(chǎn)品可以用于普通的包裝材料。美國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年將建成一個年產(chǎn)量為9萬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2600萬t，其中巴西產(chǎn)量最大，達870萬t，美國其次，產(chǎn)量為570萬t。2004年全世界生物柴油產(chǎn)量300萬t，其中歐洲產(chǎn)量200萬t。預計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)的化學法包括8步工藝，但通過采用生物發(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)外還包括化學合成和化學工程技術(shù)。生物煉制的發(fā)展方向包括以下幾個方面:

　　（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，同時可以使代謝向產(chǎn)物方向移動�；�因工程和代謝組學、蛋白質(zhì)組學的發(fā)展對提高生物煉制的效率無疑具有重要推動作用。

　　（2）酶催化

　　高效的酶催化反應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程中必須采用類似的思路。

　　（4）高效分離純化

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

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