关于21世纪信息技术和生物技术的发展论文.doc

关于21世纪信息技术和生物技术的发展论文 众所周知21世纪最具发展潜力的两大产业是信息技术（IT）和生物技术信息技术发展迅猛并已渗透到社会生活的各个角落有关信息技术的报道多媒体、互联网、信息全球化等不但频频亮相于媒体而且与我们的日常生活息息相关而与IT的轰轰烈烈相比生物技术看起来却平平淡淡虽然基因、克隆、人类基因组计划、生物多样性等字眼经常见诸报端但离我们的生活似乎还很遥远所以也有专家这样评论：20世纪不是生物技术的世纪而是生物工程蓄势待发的世纪21世纪才是生物工程的世纪克隆羊多利的诞生人类基因组90测序工作的完成欧美、日本等发达国家对生物技术产业投资的逐年加大世界各大公司生命科学产业的合并浪潮一浪高过一浪所有这一切都使我们相信21世纪的的确确是生物技术的时代 生物化学工程（又叫生化工程或生物化工）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与传统化学工业相比生物化工有某些突出特点：主要以可再生资源作原料；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；环境污染较少；投资较小；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.世界生物化工行业的现状 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、舀体激素的生物转化、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（IT）和生物信息学（bioinformatics）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 生物化工行业经过50多年的发展已形成了一个完整的工业体系整个行业也出现了一些新的发展态势下面简要描述生物化工行业的现状 11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：000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间内不会有什么改变 12产品结构 传统的生物化工行业主要是指抗生素（如青霉素等）、食品（如酒精、味精等）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、l亚麻酸、透明质酸等还有微生物法13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78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（价格可达数万美元g）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（部分价格不到：美元g）几乎平分秋色高价位的产品市场份额在5060低价位的产品市场份额在4050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 13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 131发酵工程技术已见成效 据估计全球发酵产品的市场有120130亿美元其中抗生素占46氨基酸占16.3有机酸占132酶占10其它占145发酵产品市场的增大与发酵技术的进步分不开现代生物技术的进展推动了发酵工业的发展发酵工业的收率和纯度都比过去有了极大的提高目前世界最大的串联发酵装置已达75m许多公司对发酵工艺进行了调整从而降低了生产成本如ADM（ArcherDanie1sMid1and）和Cargill公司在20世纪90年代初对其发酵装置进行改造将以碳水化合物为原料的生产工艺改为以玉米粉为原料从而降低了生产成本ADM公司生产的赖氨酸成本比原先降低了一半 132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发展阶段各阶段生产企业和用户关系密切合作广泛据报道1998年全球工业酶制剂的销售额为13亿美元预计到年将增长到30亿美元每年以65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27 133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5070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 134上游技术广泛应用于下游生产 利用基因工程技术不但成倍地提高了酶的活力而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中构建基因菌产生酶利用基因工程使多种淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、氨基酸合成途径的关键酶得到改造、克隆使酶的催化活性、稳定性得到提高氨基酸合成的代谢流得以拓宽产量提高随着基因重组技术的发展被称为第二代基因工程的蛋白质工程发展迅速显示出巨大潜力和光辉前景利用蛋白质工程将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性 质和生理功能的新型蛋白质可以定向改造酶的性能从而生产出新型生化产品 135新技术在生物化工中也得到了极大的应用 比如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 2世界生物化工行业的发展趋势 21工业结构 行业与行业间的划分将日趋模糊企业间的合作将加大目前许多从事医药、农业、环境、能源等方面生产的企业正在从事生物化工生产特别是某些从事传统化工行业的生产厂家也纷纷涉足生物化工领域如杜邦公司长期以来主要从事有机化工和聚合材料的生产现在正加大生物化工的开发力度已开发成功了生物法生产1,3丙二醇工艺并正在开发用改性大肠杆菌生产己二酸工艺DSM公司以前主要从事抗菌素方面的生产现也加大了生物化工的投资力度 由于生物化工涉及面广许多生化公司都有自己的专长它们之间为了商业利益的合作也非常活跃此外随着从事传统行业的生产厂家的加入由于技术与生产方面的原因它们与从事生物化工开发与生产的企业合作也很频繁所有这一切都使生物化工行业的合作越来越广泛如杜邦公司与杰宁科乐公司合作开发用生物法生产1）丙二醇进一步生产PTT树脂荷兰的Purac公司与美国Cagill公司合资建设年产34万tL乳酸装置并计划进一步发展到68万V入DSM公司与美国Maxygen公司签定了三年的研究合同以利用Maxygen的 DNA重排和分子培养技术开发在7一ADCA和其它青霉素生产中使用的酶和菌种 22产品结构 生物化工产品正向专业化、高科技含量、高附加值方向发展传统的低价位产品受到冷落而高价位产品如生化药物、保健品、生化催化剂等则备受青睐许多公司为了追求较高利润都将低附加值的产品剥离如日本武田药品工业公司不再生产味精转而生产其它高附加值的调味品如肌甘酸二钠（IMP）和鸟甘酸二钠（GwtP）另外生物化工将涉足它以前很少涉足的领域如高分子材料和表面活性剂等 生化药物由于附加值高而成为今后生物化工领域发展的重点1997年生化药物市场销售额达130亿美元其中细胞分裂素80亿美元激素30亿美元其它20亿美元；就具体药物而论促红细胞生长素35亿美元人胰岛素18亿美元粒性白细胞克隆刺激因子16亿美元人生长激素15亿美元小干扰素11亿美元预计今后其市场销售额还将以8的速率增长 在氨基酸方面虽然用于药物合成氨基酸的量相对较小但其发展潜力很大据报道500种主要药物中有18含有氨基酸或其衍生物的合成在药物合成中使用最广泛的是L脯氨酸、r苯甘氨酸和r对羟基苯甘氨酸L脯氨酸用于血管紧张素转化酶（ACE）的合成匹苯甘氨酸和r对羟基苯甘氨酸用于抗生素的合成另外多肽也是今后的发展重点之一多肽是指有2以上氨基酸用肽键组成的化合物在临床上使用非常广泛主要用于治疗癌症、HIV病毒和兔疫系统功能减退、对传统抗生素产生抗体的感染以及疫苗等全球合成多肽原药的产量在100kg左右但销售额达25亿3亿美元而做成制剂的销售额则达25亿30亿美元多肽原药需求量的年增长率在10以上 碳水化合物方面用于临床的碳水化合物受到人们越来越多的关注但是用于临床的碳水化合物结构复杂如一对单糖其不同的化学键就多达22种因此用化学法合成复杂的碳水化合物比较困难难以实现工业化而用酶法合成则是一条切实可行的途径 作为生化催化剂的酶也将是今后发展的重点1997年生化用催化剂销售额约13亿美元在过去的35年间每年增长速率在89预计在未来的35年间将以同样速度增长生化催化剂主要用于手性药物的合成当前手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一 1997年手性药物制剂世界市场的销售额为879亿美元占药品市场的283到2000年将达到900亿美元在未来的25年内约有一半的手性药物要通过生化催化合成因此生化催化剂无论从需求量和需求种类来看都具有很大的发展潜力 生化表面活性剂由于具有无毒、生物降解性好等优点今后可能成为表面活性剂的升级换代产品但目前还处于探索阶段 生物化工在高分子材料、特殊化学品、生物晶片、环保等方面也将有极大的发展潜力 23技术水平 不断提高菌株活力、发酵水平、生化反应过程、分离纯化水平依然是生物化工面临的课题 在菌种开发方面由于从20世纪70年代以来从自然界中筛选菌种以获得新的代谢产物的机会明显减少人们便考虑利用已知菌种经适当改变其代谢特性后生产新的产品如日本协和发酵公司已成功地把生产谷氨酸的菌种改为生产色氨酸 在生化反应器方面反应器放大一直是一个老大难的问题因此利用计算机技术对整个生化反应过程进行数字化处理从而优化反应过程是今后的发展方向之一 在分离纯化方面亲和层析受到广泛重视并有人研制了一种综合专家系统软件包可在几分钟内告知对方被分离物系的分离方法和顺序以便根据产品所需进行取舍 另外在生化过程的在线检测和控制方面利用生物传感器和计算机监控依然是今后的发展方向 在酶催化反应中将发展有机溶剂中的催化反应 生物上游技术的发展将对生物化工产生深远影响人们对从病毒、细菌、植物、动物到人类基因组顺序测定工作十分重视并在此基础上形成了基因许多产品一哄而上盲目上马遍地开花最终形成恶性竞争许多企业破产倒闭在竞争中生存下来的企业也是元气大伤难以进一步组织技术改造如仅江苏省停产的发酵生产线就多达上百条另外行业内企业间的生产水平相差悬殊企业技术装备水平达到20世纪80年代以后国际先进水平的仅占2030多数处于20世纪6070年代水平 二是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 三是在生产技术上工艺、设备不配套上下游技术不配套产物的收得率低我国虽然某些产品如柠檬酸、乳酸等发酵水平较高但大多数产品的收率都低于国外酶制剂的活力也明显低于国外生化反应器和分离纯化技术更是落后国外1520年每年都要花费大量资金从国外进口生物反应器、细胞破碎机、分离纯化 设备及分离介质、生物传感器和计算机监控设备 四是有些产品投入产出比达15以上造成严重的资源浪费和环境污染 五是基础研究薄弱技术创新能力不强企业的技术开发、技术吸收能力差生产发展多数依靠传统的夕蜒型、粗放型扩大投资的增长模式效益低、市场竞争力低 32建议针对我国生物化工行业存在的问题笔者有以下建议： 321扩大 经济规模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科研、开发、生产、销售干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 322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 323节约有限资源强化环境保护在生化生产组学（genomics）近年来又在信息学（informatics）的基础上建立了生物信息学（bioinformatics）信息学的内容包括信息科学十生物技术十生物工程十生物动力学等的综合信息系统可以预见基因组学和生物信息学在生物化工中应用的商业前景极为可观 另外其它行业的新技术如分子蒸馏技术、组合化学（binatoricalchemistry）等也将在生物化工中得到应用 3.我国生物化工的发层现状及建议 31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 在医药方面抗生素得到迅猛发展61998年我国抗生素的产量达到33486h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2、乙型肝炎工程疫苗 在农药方面生物农药品种达12种主要有苏云金杆菌、井岗霉素、赤霉素等其中井岗霉素的产量居世界第一位 在食品与饲料方面作为三大发酵制品的味精、柠檬酸、酶制剂的产量也有很大的增加1998年味精产量从1990年的223万、增加到564万一柠檬酸产量从1990年的613万、增加到564万一酶制剂从1990年的85万t增加到24万t酵母及淀粉糖的产量也有明显增加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另外1998年乳酸的产量在15万t左右赖氨酸的产量在2万t左右卜苹果酸的产量在6000t 在有机酸方面衣康酸的产量达5000乙我国开发的生物法长链二元酸工艺居世界领先地位目前生产能力达500Va以上并有数家企业有建设长链二元酸生产装