生物化工论文

生物化工的发展及应用

   随着当今科技的高速发展，化工学科逐渐和其他学科如农业、医学、食品等相融合形成许多新的学科。这其中生物学定律在化工专业中的正确应用形成了生化学科，其任务是把生命科学的发现转化为实际的产品、过程或系统，以满足社会的需要。随着生命科学的迅速发展，越来越多的生物高技术产品需要用高效的加工技术进行工业规模生产，才能在产品质量高、成本低、时间短的激烈竞争中立于不败之地，所以近年来生物化工发展非常迅速。生物化工内容广泛，包括生物化学工程和生物化学工业 ，是生物技术产业化的关键，又是化学工程发展的前沿科学，在21世纪有很大的发展空间。

一、生物化工的发展状况

近十年来，世界生物技术迅速发展促使生化领域取得了许多重大科技成果。

能源方面，纤维素发酵连续制造乙醇已成功；农药方面，许多新型农药不断生产；环保方面，固定化酶处理氯化物已实际应用；微生物法生产丙烯酰胺、脂肪酸、乙二酸等产品的生产已达到一定规模；用微生物生产的高性能液晶、高性能膜、生物可降解塑料等技术不断成熟。

目前国外生物化工的发展有以下趋势：

一是生物化工成为国外著名化学公司争夺的热点。生物技术从医药领域逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化，向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移。

    许多著名的老牌化学工业公司已变成了以生物技术为主的大公司，如著名的杜邦公司在2001年宣称，该公司2002年生物技术产品的销售额将占其公司总销售额的20％。

二是生物催化合成已成为化学品合成的支柱之一。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。    

乙醛酸是合成香兰素和许多中间体的重要原料，而其化学生产法工艺的主要问题是反应条件苛刻、乙醛酸转化率低、环境污染严重。1995年日本天野制药公司申请了第一个双酶法生产乙醛酸的工艺。1995年底美国杜邦公司申请了基因工程菌方法生产乙醛酸的专利，乙醛酸的转化率达100％。

    三是利用生物技术生产有特殊功能、性能、用途或环境友好的化工新材料，是化学工业发展的一个重要趋势。它具有原料来源广、制备简单、质量好及环境污染少等优点，特别是利用生物技术可生产一些用化学方法无法生产或生产成本高以及对环境产生不良影响的新型材料，如丙烯酰胺、壳聚糖等。

    采用传统化学法由丙烯腈合成的丙烯酰胺，转化率仅为97％～98％。而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，丙烯酰胺转化率达99.99％以上，比化学法成本低10％以上。丙烯酰胺生产自20世纪80年代在日本实现了生物法合成工业化后，成本和产品纯度都优于化学法。

四是传统的发酵工业已由基因重组菌种取代或改良。许多传统的发酵工程产品如柠檬酸、青霉素等都已开始采用基因工程手段进行改造，大大地提高了产量。在以基因工程为主导的现代生物技术产品中，医药生物技术产品占75％左右。

在国内，生物技术经历了近三十年的发展，取得了很大成就。20世纪70到80年代是我国生物技术的初创阶段，此时的一些研究如DNA重组技术、杂交瘤技术、细胞融合及动物细胞大规模培养为我国生物技术的发展奠定了基础。1986年，生物技术领域的研究被列为国家“863”计划的重点资助攻关项目，之后生物技术得到了较大发展。近几十年来，随着生物技术的蓬勃发展，我国生化产品的生产也得到了迅速发展，如有机酸的工艺开发和生产，氨基酸的生产，各种抗生素的微生物法大批量生产等。但由于生物化工是新领域在国内起步较晚，与国外相比还存在较大差距。总的来说，我国生化行业经过十年来的发展取得了比较显著的成绩，这是值得每一个化工人骄傲的。

二、生物化工的主要应用领域

生物化工研发主要涉及生物高技术医药产品、资源和能源产品、环境保护三个领域：

一是化学与生物法结合研制新型人红细胞代用品。研究人血液代用品的关键是如何取代血液中红细胞输送氧的功能。新型红细胞代用品具有携带、释氧功能，保存、运输方便，免除配血型之烦和交叉感染之忧等优点，同时可成为治疗心脑血管缺氧性疾病和治疗肿瘤的增氧剂的新药。人红细胞代用品在我国开发成功，将产生不可估量的经济效益和深远的社会效益。首先，人红细胞代用品能代替血液则其经济价值将非常高，如出口海外将会获得巨大的经济回报，其次，人红细胞代用品可治疗恶性血液病，一旦研制成功将很大限度的解决患者无匹配骨髓来源的问题。从此此类疾病将能被更快更好的治愈，最大程度的保护了人类健康，造福了社会。

二是生物转化的实现。手性药物的需求促进了酶和细胞在药物合成中的应用，而美国麻省理工学院科来比诺夫等人的工作又掀起了关于有机相中酸催化的热潮。用酶和细胞代替化学催化剂进行有机合成具有选择性专一、步骤简单、过程温和等特点，一些用常规化学方法不能进行的反应可以由酶和细胞来完成。但是酶和细胞的弱点是不稳定、造价高，反应速度也十分有限，致使生物转化大都停留在研究阶段。要克服这一弱点，必须通过生物和化学的方法稳定酶和细胞。我国一些单位对于极端微生物的重视，其背景之一也是生物转化的应用。这个课题难度很大，但意义有极其巨大。这一药物如能研制成功将会使手性药物的生产更加快捷、高效，能满足更多人的需求，对于人类抗击疾病和维护自身健康具有相大的推动作用。

三是天然产物的资源与制备。天然药物资源的自然生产是有限的，而利用生物化工所生产的天然资源则能满足人的需求，加之生产过程可控，可适时地提高资源的品质，使药物优化，所以这项技术将有很大前景。首先在中草药资源上，利用规模化培养技术有可能减少、甚至免去对天然植物的依赖，对于我们这样一个植被破坏面积大、沙漠化严重、大面积干旱缺水的国家是可持续发展的一项战略措施。其次在天然产物的制备上，要充分发挥生物化工分离技术的优势，用层析、膜分离等高效分离纯化技术取代现有中草药制备中的某些落后工艺，对整个过程进行优化，提高产物收率、纯度，实现组分的综合利用，同时降低溶剂消耗量，降低成本，发展环境优化过程。

四是生态生物制备工程。我国环境问题严重，具有良好化学工程背景和生物技术知识的生物化工研究人员，在减少废物排放、废物循环利用方面将发挥重要作用。其中要特别指出的是循环的废物实际上是一种可再生资源，对其综合利用甚至可以生产高附加值产品。但这方面的工作仅仅是开始，难度很大但意义重大。

三、典型生物化工品的生产工艺举例——丙烯酰胺

1、生产工艺流程

2、用途

丙烯酰胺是精细化工的重要系列产品之一，主要用于生产聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺在石油工业中有突出应用，目前国内丙烯酰胺年产量的65‰用于石油工业。

3经济效益

目前，我国聚丙烯酰胺主要用于三次采油，随着我国环境意识的增强和对水处理的重视。我国聚丙烯酰胺在水处理的应用市场将会扩大，作为水处理剂聚丙烯酰胺的主要原材料丙烯酰胺的市场还有较大的发展间。该项目将会对社会产生很大影响，与化学方法比较节能在50‰以上，有利于环保，节约资源，创外快，并带动其他技术发展，同时也提高了我国生物技术在国际上的地位。

     总之，生物化工的发展将会推动生物技术和化工生产技术的变革和进步，产生巨大的经济和社会效益。生物学定律在化工技术中的应用为化工发展注入了新的活力，今后生物化工技术在高技术的生物医学与医药、农业生物技术、洁净新能源、可再生资源等生物化工技术与环境方面将会有极大发展。