生物化工论文.doc

生物化工的特点及发展状况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、生物化工的特点 生物技术是在生物学、分子生物学和生物化学等基础上发展起来的。是有基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术组成的新技术群。生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的产品。生物化学包含生物化学工程和生物化学工程，是生物技术生产产业化的关键，又是化学工程发展的前言学科。 生物化工以应用基础研究为主，对生物技术的发展和生产有着十分重要的作用，它是基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程走向产业化的必由之路。生物化工的任务不仅把生命科学的上游技术转化为实际产品，以满足社会的需要，而且在创造新物质、新材料、设计新过程、生产新产品、创建新产业中也将起到关键作用。生物化学工程具有以下特点。1、以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，创造必要的生化反应条件，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。2、由于细菌不耐高温，需在常温常压下连续化生产，工艺简单，并可节约资源，减少环境污染。3、定向的按人们的需要创造新物种，新产品和有济济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。4、生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。但是由于生化反应机理的复杂性，也给反应和分离设备的设计带来了极大的困难。 总之，由于生物化工技术具有反应条件温和、选择性好、效率高、能耗低、可利用再生资源等优点，已成为化工领域战略转移的目标，使生物技术的开发逐渐从医药领域向大宗化学品领域扩展。二、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：1、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。2、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。 3、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9798。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。4、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。三、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：1、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。2、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。3、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。4、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。四、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。五、生物化工的发展趋势现代生物技术是新兴高技术领域最重要的三大技术之一。生物化工的发展将会推动生物技术和化工技术的变革和进步，产生巨大的济济效益和社会效益。化学工业作为传统的基础工业，不可避免地面临着生物新技术的挑战。化工技术在生物技术中的应用为生物技术的发展注入了新的活力，生物技术离开了化学工程技术就很难形成大规模的技术产业，化学工程中的化学装备、工程放大技术为解决生物技术中下游技术，尤其是商业化起者重要作用。因此，生物技术在化学工业中的应用以及将现代化工技术引进生物技术领域以越来越受到各国的普遍关注，纷纷投入大量人力物力和巨资，加速发展生物化工技术。今后生物化工技术发展的趋势主要有以下几个发面。1、高技术的生物医学与医药 在医药领域，基因工程药物和疫苗研究与开发成果累累，药物基因组技术的阴影将进一步展开，使药物具有明确、特异的功效和较小的副作用。另外采用克隆技术开发以干细胞为基础的再生药物具有庞大的市场，可治疗骨损伤、骨折愈合不良、心脏病、癌症和衰老引起的退化等疾病。新生物治疗制剂的产业化前景十分光明，21世纪面临整个医药工业的新突破。2、农业生物技术世界上供长期发展的农业资源在逐年减少，现在或将来，依靠科技进步才是农业发展的根本保证。农业的病虫害、作物品质以及土壤肥力都与农业技术密切相关。用生化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。该领域涉及了食品、饲料、农药、保健品、食品添加剂等，国际上转基因植物生物技术已商业化。天然产物的全价综合利用以成为生化工程的热点话题，作为生物技术新的浪潮，将给农业生产带来新的飞跃。3、洁净新能源地球上的化石燃料已日趋减少，且其燃烧生成的气体严重污染环境。随着济济的发展，今后世界需要更多的能源，二次能源的研制开发已成为能源开发的热点。氢能储量丰富，分布广泛，是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源转换，为简便有效地制取氢提供了崭新的途径，为解决21世纪的能源问题发挥重要的作用。4、可再生资源的生物加工技术与环境由于人类自身的活动，给赖以生存的环境造成了破坏，污染了生态环境也威胁了人类的健康，这以成为了人们的共识。生物技术在环境治理方面发挥着不可代替的作用，使一切废物资源化、无害化、减量化，成为保护生态环境、发展社会经济的一项重要措施。今后我国环境技术发展的重点是：利用酶制剂和固定化菌体处理废水；利用基因工程和细胞融合技术对微生物的变异处理，利用工程微生物处理原煤脱硫的工业化工艺，无污染，可大量生产的生物能源的开拓性研究，高效，多抗转基因微生物农药的研制，生物来源的可