生物化工前沿

生物化工前沿目錄生物化工簡(jiǎn)介世界生物化工前沿研究領(lǐng)域生物化工的主要應(yīng)用領(lǐng)域生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)生物化工水平提高途徑生物化工最突出的特點(diǎn)是什么？未來面臨怎樣的發(fā)展機(jī)遇？什么是生物化工？

生物化工，是化學(xué)工程與生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。生物化工是生物技術(shù)的重要分支。

與傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)相比，生物化工有其突出特點(diǎn)：主要以可再生資源作原料；反應(yīng)條件溫和，多為常溫、常壓，生產(chǎn)過程能耗低、選擇性好、效率高；環(huán)境污染較少；投資較??；能生產(chǎn)目前不能生產(chǎn)或用化學(xué)法生產(chǎn)較困難的性能優(yōu)異的產(chǎn)品。由于這些特點(diǎn)，生物化工已成為化工領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)。生物化工

生物化工（BiologicalChemicalEngineering）是一門以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)、理論和工程應(yīng)用并重，綜合遺傳工程、細(xì)胞工程、酶工程與工程技術(shù)理論，通過工程研究、過程設(shè)計(jì)、操作的優(yōu)化與控制，實(shí)現(xiàn)生物過程的目標(biāo)產(chǎn)物。因此它在生物技術(shù)中有著重要地位。本學(xué)科也是生物技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，將為解決人類所面臨的資源、能源、食品、健康和環(huán)境等重大問題起到積極的作用。生物化工

生物化工發(fā)展至今已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，最早主要是生產(chǎn)抗生素，隨后為氨基酸發(fā)酵、舀體激素的生物轉(zhuǎn)化、維生素的生物法生產(chǎn)、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)及淀粉糖生產(chǎn)等工業(yè)化服務(wù)。自20世紀(jì)80年代起，隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，生物化工又利用重組微生物、動(dòng)植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)等手段生產(chǎn)藥用多肽、蛋白、疫苗、干擾素等。生物化工的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到人類生活的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化輕原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護(hù)、資源和能源的開發(fā)等各領(lǐng)域。隨著生物化工上游技術(shù)——生物工程技術(shù)的進(jìn)步以及、化學(xué)工程、信息技術(shù)和生物信息等學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，生物化工將迎來又一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期。生物化工生物化工

傳統(tǒng)不可降解地膜耗費(fèi)大量石油資源，而且破壞深層土壤結(jié)構(gòu)?？缮锝到獾啬ひ钥稍偕Y源作原料，環(huán)境污染小，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益大。圖為使用了生物降解地膜的作物。世界生物化工前沿研究領(lǐng)域

①燃料電池，是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。②納米技術(shù)，納米技術(shù)的內(nèi)涵非常廣泛，它包括納米材料的制造技術(shù)，納米材料向各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)(含高科技領(lǐng)域)，在納米空間構(gòu)筑一個(gè)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)原子、分子的翻切、操作以及在納米微區(qū)內(nèi)對(duì)物質(zhì)傳輸和能量傳輸新規(guī)律的認(rèn)識(shí)等等。③各種功能分子和材料。④金屬間化合物研究是近十年來國際材料界研究的熱點(diǎn)之一。金屬間化合物是指不同種類的原子長程有序排列構(gòu)成的有較確定化學(xué)當(dāng)量比的合金相。這類合金相原子間結(jié)合力強(qiáng)，具有高溫結(jié)構(gòu)材料所期望的優(yōu)異性能。其中具有代表性的Ni-Al、Ti-Al系合金，更兼具有比重輕、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)。⑤生物柴油是一種優(yōu)質(zhì)清潔柴油。美國的全國生物柴油協(xié)會(huì)（NationalBiodieselBoard，簡(jiǎn)稱NBB）對(duì)生物柴油的評(píng)價(jià)如下：無毒（比10%食用鹽還?。?；能生物降解（與食糖相當(dāng)）；基本無硫和芳烴；與石油柴油具有良好的調(diào)合性，可以任意比例混兌。世界生物化工前沿研究領(lǐng)域

生物化工的主要應(yīng)用領(lǐng)域

生物化工研發(fā)主要涉及生物高技術(shù)醫(yī)藥產(chǎn)品、資源和能源產(chǎn)品、環(huán)境保護(hù)三個(gè)領(lǐng)域：

①化學(xué)與生物法結(jié)合研制新型人紅細(xì)胞代用品。研究人血液代用品的關(guān)鍵是如何取代血液中紅細(xì)胞輸送氧的功能。新型紅細(xì)胞代用品具有攜帶、釋氧功能，保存、運(yùn)輸方便，免除配血型之煩和交叉感染之憂等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可成為治療心腦血管缺氧性疾病和治療腫瘤的增氧劑的新藥。人紅細(xì)胞代用品在我國開發(fā)成功，將產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。首先，人紅細(xì)胞代用品能代替血液則其經(jīng)濟(jì)價(jià)值將非常高，如出口海外將會(huì)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，其次，人紅細(xì)胞代用品可治療惡性血液病，一旦研制成功將很大限度的解決患者無匹配骨髓來源的問題。從此此類疾病將能被更快更好的治愈，最大程度的保護(hù)了人類健康，造福了社會(huì)。生物化工的主要應(yīng)用領(lǐng)域②生物轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)。

手性藥物的需求促進(jìn)了酶和細(xì)胞在藥物合成中的應(yīng)用，而美國麻省理工學(xué)院科來比諾夫等人的工作又掀起了關(guān)于有機(jī)相中酸催化的熱潮。用酶和細(xì)胞代替化學(xué)催化劑進(jìn)行有機(jī)合成具有選擇性專一、步驟簡(jiǎn)單、過程溫和等特點(diǎn)，一些用常規(guī)化學(xué)方法不能進(jìn)行的反應(yīng)可以由酶和細(xì)胞來完成。但是酶和細(xì)胞的弱點(diǎn)是不穩(wěn)定、造價(jià)高，反應(yīng)速度也十分有限，致使生物轉(zhuǎn)化大都停留在研究階段。要克服這一弱點(diǎn)，必須通過生物和化學(xué)的方法穩(wěn)定酶和細(xì)胞。我國一些單位對(duì)于極端微生物的重視，其背景之一也是生物轉(zhuǎn)化的應(yīng)用。這個(gè)課題難度很大，但意義有極其巨大。這一藥物如能研制成功將會(huì)使手性藥物的生產(chǎn)更加快捷、高效，能滿足更多人的需求，對(duì)于人類抗擊疾病和維護(hù)自身健康具有相大的推動(dòng)作用。

③天然產(chǎn)物的資源與制備。天然藥物資源的自然生產(chǎn)是有限的，而利用生物化工所生產(chǎn)的天然資源則能滿足人的需求，加之生產(chǎn)過程可控，可適時(shí)地提高資源的品質(zhì)，使藥物優(yōu)化，所以這項(xiàng)技術(shù)將有很大前景。首先在中草藥資源上，利用規(guī)?；囵B(yǎng)技術(shù)有可能減少、甚至免去對(duì)天然植物的依賴，對(duì)于我們這樣一個(gè)植被破壞面積大、沙漠化嚴(yán)重、大面積干旱缺水的國家是可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。其次在天然產(chǎn)物的制備上，要充分發(fā)揮生物化工分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，用層析、膜分離等高效分離純化技術(shù)取代現(xiàn)有中草藥制備中的某些落后工藝，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行優(yōu)化，提高產(chǎn)物收率、純度，實(shí)現(xiàn)組分的綜合利用，同時(shí)降低溶劑消耗量，降低成本，發(fā)展環(huán)境優(yōu)化過程。生物化工的主要應(yīng)用領(lǐng)域

④生態(tài)生物制備工程。我國環(huán)境問題嚴(yán)重，具有良好化學(xué)工程背景和生物技術(shù)知識(shí)的生物化工研究人員，在減少廢物排放、廢物循環(huán)利用方面將發(fā)揮重要作用。其中要特別指出的是循環(huán)的廢物實(shí)際上是一種可再生資源，對(duì)其綜合利用甚至可以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品。但這方面的工作僅僅是開始，難度很大但意義重大。生物化工的主要應(yīng)用領(lǐng)域生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

——用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)化工化學(xué)合成技術(shù)為使化學(xué)合成選擇性好、產(chǎn)率高、原子利用率高、反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件溫和，目前已發(fā)展了一系列新的合成方法與技術(shù)。①新合成方法：聲化學(xué)合成、微波電介質(zhì)熱效應(yīng)合成電化學(xué)合成。等離子體化學(xué)合成、力化學(xué)固相合成、沖擊波化學(xué)合成、手性合成、利用太陽能進(jìn)行化學(xué)合成、超臨界狀態(tài)下化學(xué)合成、室溫和低溫下化學(xué)合成及光化學(xué)合成等。生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)②新催化技術(shù)：配位催化、相轉(zhuǎn)移催化、超強(qiáng)酸超強(qiáng)堿催化、雜多酸催化、膠束催化、氟離子催化、鈦化合物催化、納米粒子催化、光催化、晶格氧選擇氧化及非晶態(tài)合金加氫催化等。③鍋合成法：傳統(tǒng)的有機(jī)合成是一步一步地進(jìn)行反應(yīng)，步驟多、產(chǎn)率低、選擇性差，且操作繁雜。一鍋合成法可將多步反應(yīng)或多次操作置于一鍋內(nèi)合成，不再分離許多中間產(chǎn)物，因而具有高效、高選擇性、條件溫和等特點(diǎn)，是一種清潔的合成技術(shù)。④生物化工合成法：包括發(fā)酵工程、酶工程、基因工程及細(xì)胞工程等。⑤綠色化學(xué)合成法：綠色化學(xué)合成將使化工清潔生產(chǎn)成為主導(dǎo)生產(chǎn)方式，為實(shí)現(xiàn)“綠色世紀(jì)”作出貢獻(xiàn)。生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)高新分離技術(shù)采用新分離技術(shù)可以使產(chǎn)品純度提高，其質(zhì)量提高體現(xiàn)在使用價(jià)值增加和經(jīng)濟(jì)效益提高；分離越底，向環(huán)境排放物越少，副產(chǎn)物處理更方便；高分離技術(shù)使產(chǎn)品收率提高，也提高了經(jīng)濟(jì)效益；有些分離技術(shù)（如膜分離）是在無相變情況下實(shí)現(xiàn)的，具有節(jié)能、減污特性。新分離技術(shù)有：①膜分離技術(shù)：液膜分離、滲透氣化膜分離、反滲透膜分離、電滲、超濾、微濾、納濾、聚濾氣體膜分離等。②超臨界流體技術(shù)：SCF萃取、SCF重結(jié)晶、SCF干燥、SCF色譜。

③新蒸餾技術(shù)：分離與反應(yīng)偶合－反應(yīng)蒸餾，分離與分離偶合－吸附蒸餾，加鹽蒸餾、分子蒸餾、膜蒸餾等。④新萃取技術(shù)：雙相萃取、膜萃取、電泳萃取、酶膜反應(yīng)萃取等。⑤新結(jié)晶技術(shù)：熔融結(jié)晶、加壓結(jié)晶等。⑥其他：變壓吸附、深冷分離與低溫蒸餾、毛細(xì)管電泳。生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

新型環(huán)保與能源技術(shù)燃料電池是21世紀(jì)首選的潔凈、高效發(fā)電技術(shù)，將進(jìn)入家庭、辦公樓、交通和大型電站等領(lǐng)域；在納米材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光催化技術(shù)和在超臨界流體技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的超臨界水氧化將是未來環(huán)保技術(shù)的發(fā)展方向。此外，還有貯能技術(shù)、熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、再生資源利用技術(shù)、潔凈煤技術(shù)、熱化學(xué)循環(huán)由水分解為H2和O2、固體廢物回收技術(shù)等。綠色化學(xué)技術(shù)用物理和化學(xué)的技術(shù)和方法去設(shè)計(jì)、研制對(duì)人類健康、社會(huì)安全、生態(tài)環(huán)境無害的化學(xué)品和工藝，其目的是不再使用有毒、有害物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，從源頭阻止化學(xué)污染，從而確?；で鍧嵣a(chǎn)。生物化工前沿高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)生物化工水平提高途徑①強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新和傳統(tǒng)產(chǎn)么改造相結(jié)合自主研究和先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，跟蹤和創(chuàng)新并舉。優(yōu)先支持、鼓勵(lì)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新設(shè)備，逐步形成一批生物化工的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，為生物化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)增長方式的轉(zhuǎn)變和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，用生物技術(shù)改造傳統(tǒng)的化工技術(shù)，建立新型生物化工產(chǎn)業(yè)，為下一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。2、提高學(xué)科交叉，提高我國的生物化工裝備能力我國目前生物化工設(shè)備主要依靠進(jìn)口，當(dāng)然我國機(jī)械加工和機(jī)電一體化水平與國外有一定差距，但另外一個(gè)原因是學(xué)科交叉少，不同學(xué)科溝通少。因此培養(yǎng)一批具有生物、化工和機(jī)電等綜合能力的新型生物技術(shù)研究、開發(fā)人才十分必要。又如生物醫(yī)用高分子材料，僅靠生物化工專業(yè)的人是不夠的，若能組織多學(xué)科的攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)用高分子材料的產(chǎn)業(yè)化是完全可能的。生物化工水平提高途徑3.廣泛吸收資金，加大生物化工的科技開發(fā)投入生物化工是高科技開發(fā)投入、高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)，這種高科技投入，并不是完全來自政府，相當(dāng)一部分來自民間，特別是通過風(fēng)險(xiǎn)投資和股票上市，籌措資金加快生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在資金籌措過程中，政府的作用是非常