21 世纪生物化工发展及对策摘 要生物化学工程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。生物技术是以生命科学为基础，应用自然科学方法及工程学原理，通过生物剂对生物原料进行加工，从而提供产品或服务的技术。生物化工由于具有以可再生资源作原料;反应条件温和,环境污染较少;投资较小等一些列优点，已成为化工领域重点发展的行业。本文从生物化工概念入手，介绍了生物化工特点和发展历程以及未来发展趋势；进一步介绍了国内外生物化工发展现状，并深入分析和探讨了我国生物化工发展中存在的问题，最后提出了加快我国生物化工发展的几点建议，以期能对我国生物化工的发展提供借鉴。关键词：生物化工；发展；问题；建议i 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3.生物法去除或回收重金属离子北京化工大学建立国内第一条处理量 1 万 t 皮革厂含铬废水的工业装置已在山东曲阜投入运行。7 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）第三章 我国生物化工发展中存在的问题3.1 对生物技术产业化缺乏足够的认识国际上早已认为生物技术包括基因工程、细胞工程、发酵工程 、酶工程和生物化学工程五大分支学科，其中生物化学工程不仅是重要分支学科，也是前 4 个学科走向产业化的必由之路。而在我国，一提生物技术就单指前 4 个，从而造成在有关政策中对生物化学工程重视不够。3.2 产品结构不合理产品结构不合理，品种单一，低档次产品重复生产，不能适应需求[8]。在我国高档的医药生化产品如激素、生长因子、干扰素、药用多肽等，有的产量很小-有的没有生产，因此每年都需进口。3.3 生物化工产品开发周期长、速度慢生物化工技术蕴藏着巨大的潜力,但从基础研究、应用开发到成为商品的周期很长,开发难度大,短期内很难获得利润。因此,生物技术在化工中的应用开发要有一个充分认识、研究推广的过程。同时，我国开发的一些生物化工产品，虽然上游工作已取得成果，但由于缺乏下游工程的相应开发，严重妨碍了新开发的生物化工产品的产业化。8 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）3.4 生物化工技术水平及装备水平不高我国生物化工产业无论在产品品种、数量和技术经济指标、装备水平上与国外相比存在很大的差距, 特别是与美国、日本等发达国家相比。因此还需不断跟踪国际先进技术, 努力发展我国自己的生物化工产业。3.5 对生物化工产品的开发投资不够我国政府十分重视生物化工产业的开发,并投入了一定的物力和财力支持发展。但是, 我国近年来在生物化工领域的投入还很不够,并且这些投入多为科研投入,主要依靠政府拨款, 渠道单一,资金十分有限。3.6 缺乏专业的生物化工技术企业队伍经过几十年的努力,我国目前已有一支相当规模和较高水平的科研队伍,但还没有形成一支像发达国家那样强大的生物化工企业队伍。国外生物化工产业发展主要依靠大的企业和公司,以研究为基础, 以生产为目的,实现了科研生产的一条龙局面。而我国研究力量大多集中在研究所和高校,再将成果推广到企业。3.7 产业化程度低我国的生物化工技术产业化水平还很低，产业化程度与发达国家的差距十分悬殊。我国开发的一些生物化工产品，虽然上游工作已取得成果，但由于缺乏下游工程的相应开发，严重妨碍了新开发9 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）的生物化工产品的产业化。3.8 产品为龙头的研发意识不够应选择有重要应用价值的目标产品,围绕产品进行相关的研究。我国在生物技术上的投资很大,但目标产品分散。而生物化工研究也仅限于研究一些通用的反应和分离过程,而没有进入有重大应用价值的产品研究中。第四章 加快我国生物化工发展的建议4.1 扩大经济规模,提高竞争力提高竞争力要鼓励建设大型的生物化工企业集团公司，使之集10 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）科研、开发、生产、销售于一体。尤其要培育一批科技创新型企业。同时，也要鼓励在某些方面有一定特色的小型技术创新型生化公司的发展，并淘汰一批生产规模小、生产技术落后、没有市场竞争力的企业，从整体上优化我国生物化工的产业结构。4.2 调整产品结构要发展高档产品，如高档医药生化产品、功能性食品及添加剂(主要有低热值、低胆固醇、低脂肪、提高免疫功能、抗炎、抗癌等产品)、生化催化剂等。另外，也应发展众多精细化工产品及用化学法无法生产或很难生产的产品，如微生物多糖、生物色素、工业酶制剂、甜味剂、表面活性剂、高分子材料等。4.3 提高生产工艺水平提高生产技术水平，特别是下游技术水平因为我国生物技术上游技术水平与国外相差仅 3～5 年，而下游技术水平则比国外相差l5 年以上，改造传统发酵产品生产技术，不断提高发酵法产品的生产技术水平，开发生物反应器，提高我国生物化工产品分离和提纯技术，大规模开发生物化工装备等应首先提上议事日程。另外，还应积极采用微生物法代替化学法，开发基础化工新产品的工业化生产技术。4.4 提加强产学研结合注重上下游结合国内生物化工技术力量分散。为了做到优势互11 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）补。应加强产学研结合。另外在生物化工生产过程中遇到的很多问题，都是由于上、下游结合不够紧密而影响技术经济指标。因此，在人力和财力的投入上应考虑上下游结合，必须对科技人员实行合理分流, 实现社会化的研究、开发、生产、销售一体化，以加快生物化工产业的发展。4.5 政策扶持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。政府可以从银行贷款、税收方面制定相关政策，对生物化工企业有所倾斜，以利于扶持其发展[9]。4.6 开展与国外的科技合作与交流加强国际合作与交流,引进适当的国外先进技术,吸收国外先进的经验, 注重人才及必要仪器设备的引进,组织国内消化吸收,以便早日达到或超过世界先进水平。4.7 加强知识产权保护长期以来，我国对生化领域的知识产权保护不够，挫伤了科研开发人员的积极性，造成大量人才外流。加强知识产权保护，不仅能够激励国内科研开发人员，而且能够吸收一大批在国外发展的科研人员回国发展，从而加快我国生物化工产业的发展[10]。12 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）4.8 建立合理的资金投入和融资方式完善科技投资体系,形成“政府投入为引导、企业投入为主体、金融借贷为支撑、社会集资作补充”的多元化投入。参考文献[1] 张娜.浅析 21 世纪生物化工的发展.河北化工，2009. [2] 吴晓滨.二十一世纪生物化工发展综述.内蒙古石油化工，2009.[3] 张博雅.21 世纪生物化工发展及对策.中外医疗. 2007.[4] 王韧. 21 世纪生物化工发展及对策.化工技术经济，2000.[5] 王新广.对 21 世纪我国生物化工发展的展望. 河北化工，2004.[6] 宋福岭.小议我国生物化工未来发展的几点建议. 黑龙江科技信息，2009.13 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）[7] 戎志梅.抓住新形式下的发展机遇促进生物化工产业集群化发展. 生物产业技术，2009.[8] 宫雪.生物化学工程发展问题及解决建议.中小企业管理与科技，2011.[9] 徐跃.山东省生物化工发展对策研究.山东化工，2003.[10] 刘渤.浅谈我国生物化工的发展对策.今日科苑，2007.14 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 生物化工概述..................................................11.1 生物化工的概念......................................................................................11.2 生物化工的特点......................................................................................11.3 生物化工发展历程..................................................................................11.4 生物化工发展趋势..................................................................................11.4.1 开发新的生物药剂型产品......................................................11.4.2 动植物细胞培养及生产生物制品.............................................21.4.3 农产及天然生物工程产品......................................................21.4.4 生物催化合成手性化合物......................................................21.4.5 大力开发植物农药................................................................21.4.6 能源和燃料.........................................................................2第二章 生物化工发展现状.............................................32.1 国外生物化工发展现状..........................................................................32.1.1 工业结构............................................................................32.1.2 产品结构............................................................................32.1.3 技术水平............................................................................42.2 我国生物化工的发展现状......................................................................4ii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2.2.1 生物法化学品方面................................................................42.2.2 环境生物技术......................................................................5第三章 我国生物化工发展中存在的问题.............................63.1 对生物技术产业化缺乏足够的认识......................................................63.2 产品结构不合理......................................................................................63.3 生物化工产品开发周期长、速度慢......................................................63.4 生物化工技术水平及装备水平不高......................................................63.5 对生物化工产品的开发投资不够..........................................................63.6 缺乏专业的生物化工技术企业队伍......................................................73.7 产业化程度低..........................................................................................73.8 产品为龙头的研发意识不够..................................................................7第四章 加快我国生物化工发展的建议................................84.1 扩大经济规模,提高竞争力.....................................................................84.2 调整产品结构..........................................................................................84.3 提高生产工艺水平..................................................................................84.4 提加强产学研结合..................................................................................84.5 政策扶持..................................................................................................94.6 开展与国外的科技合作与交流..............................................................94.7 加强知识产权保护..................................................................................94.8 建立合理的资金投入和融资方式..........................................................9参考文献..............................................................10 iii 第一章 生物化工概述1.1 生物化工的概念生物化学工程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。生物技术是以生命科学为基础，应用自然科学方法及工程学原理，通过生物剂对生物原料进行加工，从而提供产品或服务的技术[1]。利用生物化学基础研究的成果，结合生物学和化学工程技术，生产对人类有用的化工产品，就形成了生物化工这一化工领域的新兴产业。1.2 生物化工的特点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。1.3 生物化工发展历程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、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[2]。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1 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）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、信息技术和生物信息学等学科技术的发展，生物化工将迎来又一个崭新的发展时期。1.4 生物化工发展趋势发展目标为走自主创新之路，充分利用化学工程优势，实现与生物技术真正的学科交叉融合，赶超世界先进水平，解决传统生物技术产业问题，发展高新生物化工技术。1.4.1 开发新的生物药剂型产品很多基因工程蛋白质等存在着药效期短、需重复给药以及出现毒副作用的现象。化学修饰是解决这一问题的有效手段，用聚合物微球、微囊进行控制释放和定位给药是值得重视的领域。1.4.2 动植物细胞培养及生产生物制品利用动植物细胞大规模培养生产疫苗、单抗、激素等各种疗效的药物、灵敏的诊断试剂及其他生物制品，已成为今后国内外生物高科技产品生产的重要发展方向。1.4.3 农产及天然生物工程产品用生物化工技术通过大规模过程集成，使农业、林业及其他可再生资源得以充分利用[3]。首先在中草药资源上，其次在天然产物的制备上，用层析、膜分离等高效分离纯化技术取代某些落后工艺，对整个过程进行优化，实现组分的综合利用。1.4.4 生物催化合成手性化合物利用生物催化合成化学品不但具有条件温和、转化率高的优点，而且可以合成手性化合物及高分子。应用手性技术最多的是制药领域，包括手性药物制剂、手性原料和手性中间体。今后主要是开发新的生物催化剂，以保证2 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）手性化合物生物合成技术的顺利发展。1.4.5 大力开发植物农药用具有毒杀害虫和抑制病菌的植物作农药，是真正的天然农药，而且具有较高的生物活性和选择性，同时病虫兼治、成本低、无污染，是一类重要的生态保护型农药。尤其我国加入 WTO 后，高毒、高残留药不准生产，仿制药不敢生产，植物农药具有广阔的发展前景。1.4.6 能源和燃料氢因其储量丰富及分布广泛而成为未来最佳的二次能源，利用生物体特有的可再生性，通过光合作用进行能量转换，为简便有效地制取氢提供了崭新的途径。还有燃料酒精的开发，为解决燃料紧缺问题开辟了很好的途径。第二章 生物化工发展现状2.1 国外生物化工发展现状2.1.1 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 2000 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3 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）间内不会有什么改变[4]。2.1.2 产品结构传统的生物化工行业主要是指抗生素、食品等行业，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[5]。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、透明质酸等。还有丙二醇、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。2.1.3 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. 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4 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）发展阶段，各阶段生产企业和用户关系密切，合作广泛[6]。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%。2. 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。3. 新技术在生物化工中也得到了极大的应用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[7]。2.2 我国生物化工的发展现状我国生物化工行业经过长期发展，已有一定基础。特别是改革开放以后，生物化工的发展进入了一个崭新的阶段。目前，生物化工产品也涉及医药、保健、农药、食品与饲料、有机酸等各个方面。2.2.1 生物法化学品方面1. 有机酸和氨基酸我国的味精生产和消费居世界第一，柠檬酸的生产和出口也居世界第一。酒石酸和丙酸的酶法合成技术已达到国际先进水平。利用顺酐和富马酸等为5 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）原料经酶法生产的天门冬氨酸是生物化工技术在石油化工中应用的一个成功例子，该法比化学法合成具有明显的优势。2. 化工产品抗生素得到迅猛发展，青霉素的产量居世界首位。其它生化药物中，初步形成产业化规模的有干扰素、白细胞介素、乙型肝炎工程疫苗。生物农药品种方面，主要有苏云金杆菌、井岗霉素、赤霉素等。利用石油原料，如十二烷烃酶催化合成长链二元酸是我国生物技术用于石油化工的一大突破，已由中科院微生物所和抚顺石油化工研究院建立了二元酸的工业化装置，技术水平达到国际领先。3. 生物高分子新材料我国清华大学和中科院微生物研究所在发酵法生产 PHB 上取得了较大的进展，聚羟基丁酸酯（PHB）和聚羟基丁酸-羟基戊酸（PHBV）是一种性能优良的生物可降解高分子。4. 油脂化学品我国华东理工大学在可可酯的酶法合成，北京化工大学在单甘油酯的酶法合成方面都取得了一定成绩。2.2.2 环境生物技术1.有毒物质的生物降解废水和土壤中石油的降解国外已实现工业化，已成功用于海上泄漏石油的处理，我国在这方面已有一定进展。国内已经进行有毒物质如苯酚、卤代烃降解的研究。2.微生物脱硫国内生物脱硫目前主要处在研究阶段，有些单位如山东大学已获得了脱硫高效菌种。6