走近生物技术

生物催化对工业革命的影响林炳辉医药化工学院化学工程与工艺(药用高分子材料)09(1)班摘要 生物工程是近年来崛起的一门综合性的高新科学技术 ,也是当代新技术革命中最为活跃的领域 。文章简要地介绍和评述了生物工程的主要内容及其在工业中应用的概况及发展趋势。关健词 :生物工程 发酵工程 酶工程 细胞工程 基因工程生物技术是近年来崛起的一门综合性的高新科学技术。它是借助于生物机体(如微生物、动物细胞、植物细胞)或其组成部分(如细胞、酶等),以先进的科李和工程技术人工进行生物转化,运用于物质生产的技术体系的总称。纵观人类文明发展的历史,科学技术的每一次重大突破,都会引起生产力的深刻变革和人类社会的巨大进步。本世纪中叶,以生物工程、电子信息、新材料、新能源、空间技术和海洋技术等为主要的高新技术取得了重大突破和飞速发展,极大地改变了世界的面貌和人类的生活。而在当前的新技术革命中,生物工程和微电子信息技术一样,成为世界各国优先发展和最为活跃的领域。它不仅可以在近期内为人类开发新材料、新工艺、新产品以及开创新的产业创造出巨大的经济效益和社会效益,而且能为解决人类所面临的许多重大问题,如人口和食物,能源和资源、环境和保健等重大问题发挥重要的作用。科学家们预言,生物工程将是12世纪最有发展前途的领域,它的发展将对工、农业生产、医药卫生乃至人类社会的文明和进步起着不可估量的作用。目前生物工程的研究和开发工作,已由医药卫生、食品、饲料等扩展到化工、纺织、造纸、替代能源和农业生产等各种领域。其发展的迅猛和潜在的市场大大超出了人们的预料。仅09年代头两年,美国就已超出40亿美元,日本199 2年也突破了40 0亿日元(相当于04亿美元)。最近国际权威人士再次作出预测,到2 000年生物高技术产品的市场规模有可能超过05 0亿美元(其中化工和医药产品估计占40%以上)。这一金额相当于今天世界制药工业的总销售额。我国早在六五”、“七五”计划期间就把生物工程作为重点发展的技术之一,本文想就生物工程的主要内容及其在化学工业中应用概况和发展趋势作一简单的介绍和评述。2生物工程的主要内容现代生物工程是一个知识与技术密集的高新技术科学。微生物学、生物化学、遗传学、化学、物理学以及生化工程学等是它的基础科学。从内容上看,它主要包含有发酵工程、酶工程、细胞工程和基因工程等四大部分,其主体是发酵工程和细胞工程,而核心是酶工程和基因工程。2.1发酵工程发酵工程又称微生物工程。它是利用微生物的某些特定功能,通过现代化工程技术手段产生有用物质或直接把微生物应用于工业化生产的一种技术体系。它包括的内容主要有优良菌种的选育、微生物菌体的生产、微生物初级和次级代谢产物的发酵生产、微生物对某些化学物质的修饰与改造、矿物资源的微生物浸提以及微生物对有毒物质的分解等等。2.2基因工程亦称遗传工程。它是采用类似工程设计的方法,按人类的需要,将有遗传信息D N A片段在离体条件下进行分离、剪切、组合、拚接,然后将该人工重组建基因转入宿主细胞进行大量复制,使目的遗传信息在新的宿主细胞或个体中高效表达,从而获得人类所需要的基因产物的高新技术体系。利用基因工程技术可不受亲缘关系限制拼接出不同生物的基因,是获取某些价格昂贵和数量极少的蛋白质的一种手段。它不仅应用十分广泛,而且潜力很大。如目前在工业生产上,已利用大肠杆菌来生产胰岛素、激素产品等。2.3酶工程又称酶技术,它是环绕着酶所特有的生物催化功能,在工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件,使其在常温常压下催化化学反应,生产人们需要的产品或服务于其它目的,进而在工业、农业、医疗保健、食品加工、环境保护、能源开发等领域发挥作用的应用技术体系,是酶学理论与化学工业技术相结合形成的一项新技术。酶的基本化学本质是蛋白质,来自生物细胞。生物体内的一切化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。因而,生物体、生物细胞及其各种组合所形成的功能体系在各行各业的应用,本质上都是各种酶技术及酶反应的应用。目前酶工程主要包括酶和细胞的固定化技术、反应器、反应的检测与控制以及酶的生产、分离与纯化等内容。从长远发展的眼光来看,酶技术将在生物技术的各个方面显得越来越重要,并逐步取代或融合于一些其它的技术领域。如固定化活细胞技术已在某些领域取代了传统的发酶技术,应用于酒精、幽体激素转化和氨基酸等的生产。而作为传统的生物反应器直线发酵罐也将逐步地或部分地被第二代生物反应器一酶反应器所取代。2.4细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学的理论、方法和技术,按照人们设想的蓝图有计划地大规模培养组织或细胞以获得生物产品,或者改变细胞的遗传物质以产生新的物种或品系的技术体系总称。从当前细胞工程所涉及的技术领域来看,主要有细胞培养、细胞融合、细胞拆合以及染色体操作和基因转移等。目前细胞工程已经发展到细胞水平、染色体水平和基因水平几个不同的层次的结合阶段,大规模的植物组织和细胞培养已在经济上收到明显的效益;细胞融合产生的杂种已显示出美好的应用前景;杂交瘤技术生产单克隆抗体已能带来医疗技术上的革命;对染色体或其它细胞器作遗传操作,已有可能创造出崭新的生物物种(引入高光效基因创造出的自身具有固氮作用的作物)为人类造福;植物细胞的遗传工程也不断向前推进。强胞工程对工农业、医疗卫生以及人类社会和经济活动产生的影响越来越大。3生物工程的主要生产过程一般化工合成工艺多以分步进行,继而分离、纯化,再进行下一步反应。整个过程费时较长,不仅生产成本较高而且环境污染严重。但生物反应系统合成的全部过程发生在细胞之内,合成是一次反应(实际上合成的许多步骤都是由细胞内的酶系逐步完成)。整个生物工程相当于一座生物工厂,大量的生物物料经过这个工厂转化为人们所需要的化学工业产品。当然,作为一项生物技术产业,必须具有一定规模、有合乎规格的产品供应,才能称之生物工程。应指出的是,运用生物技术所得到的初产物,一般浓度远低于化工反应,而且原料多为农副产品所含杂质较多因此分离提纯过程较为复杂。从一项完整的生物技术产品生产过程看,生物工程大致可以分为上游、中游、下游和质量控制等四个工段。上游工段的主要工作是分离目的基因,加工、修饰并联接具有调节功能,即具有启动、终止、表达和标志的片段,构件质粒,选择表达载体,并转化工程菌或细胞,构建成能够表达目的基因和且表达产物的工程菌种或细胞,以进行中试放大。中游工段实际上就是中试放大工段。其目的是考验工程菌的稳定性,制备出可供生产试用及报批的合格样品。同时也可通过中试发酵,完善纯化产品的一整套纯化工艺。下游工段即生产工段,是需要投资集中的工段。它不仅要求有符合G M P要求的生产场所,而且还要求有符合生产规模的发酵、离心、纯化、超滤等设备和制剂设备。质量控制则是获取高质量生物工程产品的保证手段,它包括中间产品和终末产品的质量分析。由于分析技术的发展进步,已使质量分析日益改进并趋于方便而可靠。4生物工程在化学工业中的应用早在100多年以前,发酵技术就已广泛地应用在化学工业中,淀粉、纤维素、糖质等碳水化合物是当时发酵工艺使用的丰富而价廉的原料。后来由于煤特是石油和天然气的相继开发,不仅价格便宜而且来源稳定和质量均匀,以石油等为原料的化学工业兴盛起来,发酵工艺在化学工业中逐渐失掉它的意义。但是随着世界性的能源危机和环污染的日益加剧,科学家和决策者们终于认识到,过去依靠物理和化学的基本原理建立起来的工业繁荣,其后果必然是资源、能源的枯竭。这一切,促使人们努力去探索一条更为合理的生产工艺。以基因工程和酶工程等为手段的生物技术应用于化学工业,既符合料学性又符合严密性。它使用的原料可以是取之不尽、用之不竭的可再生的廉价生物质,能源消耗少,带来的环境污染小或无污染。至此,世界许多著名的跨国公司纷纷投资经营,将生物工程技术引用于化学工业和制药工业中,希望它们能替代现有的化学反应流程,改变高能耗、高温、高压以及强酸、强碱等工艺操作,以及根治化工生产对环境的污染。三十多年来,尽管时间很短,但生物工程在化学工业中的应用已取得了长足的进步。除传统的生物发酵产品乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸等得到技术改造外,各种氨基酸、核酸、水杨酸、长链二经酸,2,3一丁二醇等数十种化工产品都已经或即将采用生物工程来合成。例1.利用固化棒状杆菌完整细胞组装的生物反应器,将丙烯睛转化为丙烯酞胺,实现常温、常压下反应连续进行,产品纯度达10 0%,生产成本显著下降。例2.脂肪酸原是采用高温(250军、高压(05大气压)下,由脂肪分解为脂肪酸和甘油来生产。最近日本采用固定化脂肪酶生物反应器,在常温、常压下,将脂肪分解为脂肪酸,生产成本下降一半。例3.环氧丙烷和环氧乙烷是塑料和造漆工业的重要原料”。而链烯径的环氧化一直是化学工业中难度较大的反应工艺。英国Dla to n和美国C te u s公司分别利用夹膜甲基球菌和烟色卡黑菌(含高活性卤性过氧化氢酶)及黄杆菌(富含卤代醇环氧化酶)发展起来的链烯氧化工技术,成功地用于丙烯和乙烯等的环氧,既省能省料(以廉价的食盐作卤素的来源,催化过程中,卤离子能反复使用),又无环境公害。据报道,仅环氧丙烷一项,如按每吨10 00美元计,全世界每年的收益就达1 00亿美元。例4.衣康酸即甲基丁二酸,亦是塑料和造漆等工业的重要原料之一。过去人们参以蔗糖等为原料,用土曲霉或衣康酸曲霉发酵制备(衣康酸生成量8.5%,糖转化率56.3%,理论产率7 8.5%)。近年来国外报道,将采用聚丙烯酞胺包埋土曲霉技术制作的多孔转盘式生物反应器用于衣康酸的连续生产,效果甚佳。手性化合物的分离、纯化亦是化学合成中的难题之一,但采用生物技术,则很容易得到圆满解决。如工业上利用固定化酞化酶,可对多种氨基酸进行连续拆分。例5.千锢等将米曲霉酞化酶固定在D E A E一葡聚糖凝胶G 25制成的反应器,成功用于5种氨基酸的拆分。仅一千升的酶柱,月产氨基酸达10一3 2吨。通过生物工程还可构建成许新的合成途径,生产那些化工生产中难于生产或无法生产的产品。例6.利用假丝酵母中的加氧酶和脱氢酶,以长链正构烷径为原料一步即可高产率地氧化为。一长链二梭酸。如正十六烷氧化为十六烷二轻酸,烷烃消耗率79%,其中60%转化为二经酸。例7.以色氨酸为原料,利用大肠杆菌工程菌合成靛蓝。例8以苯为原料,利用腐臭假单胞菌生物反应器合成聚苯基高分子。生物工程在化学工业