工业生物技术的研究现状与发展趋势

书书书　第５５卷　第１２期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５５　№１２　２００４年１２月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００４檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐综述与专论工业生物技术的研究现状与发展趋势朱跃钊１　卢定强２　万红贵２　韦　萍２　周　华２　欧阳平凯２（１南京工业大学机械与动力工程学院；２南京工业大学制药与生命科学学院，江苏南京２１０００９）摘　要　工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段．世界经合组织指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”．本文指出工业生物技术的新崛起，并已成为发达国家的重要科技与产业发展战略．概述了工业生物技术的发展现状与趋势，特别在生物能源、生物材料以及生物质资源化方面．介绍了工业生物技术的关键问题是：（１）微生物资源库和微生物功能基因组学技术；（２）生物催化剂快速定向改造新技术；（３）重要工业微生物的代谢工程．展望了我国工业生物技术发展前景．关键词　工业生物技术　可持续发展　生物能源　生物材料中图分类号　ＴＱ４６４　　　　文献标识码　Ａ文章编号　０４３８－１１５７（２００４）１２－１９５０－０７犘犚犗犌犚犈犛犛犃犖犇犜犚犈犖犇犗犉犐犖犇犝犛犜犚犐犃犔犅犐犗犜犈犆犎犖犗犔犗犌犢犣犎犝犢狌犲狕犺犪狅１，犔犝犇犻狀犵狇犻犪狀犵２，犠犃犖犎狅狀犵犵狌犻２，犠犈犐犘犻狀犵２，犣犎犗犝犎狌犪２犪狀犱犗犝犢犃犖犌犘犻狀犵犽犪犻２（１犆狅犾犾犲犵犲狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犪狀犱犘狅狑犱犲狉犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔；２犆狅犾犾犲犵犲狅犳犔犻犳犲犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犘犺犪狉犿犪犮狔，犖犪狀犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犖犪狀犼犻狀犵２１０００９，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｏｐｒｏｄｕｃｅｃｈｅｍｉｃａｌｓ，ｍｅｄｉｃｉｎｅｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｅｎｅｒｇｙａｔａｌａｒｇｅｓｃａｌｅｂｙｕｓｉｎｇｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｏｒｅｎｚｙｍａｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｉｔｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｂｅｏｎｅｏｆｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｓｏｌｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｅｎｅｒｇｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＯＥＣＤｒｅｃｅｎｔｌｙｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｓｔｕｄｉｅｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｖｅｅｍｅｒｇｅｄａｎｄｈａｖｅｂｅｅｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｙ．Ｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｉｏｅｎｅｒｇｙ，ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｍａｓｓｒｅｓｏｕｒｃｅ，ａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｋｅｙｑｕｅｓｔｉｏｎｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）ｔｈｅｐｏｏｌｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｅｎｏｍｉｃｓｏｆｍｉｃｒｏｂｅ；（２）ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｂｉｏｃａｔａｌｙｓｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｕｎｄｅｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；（３）ｍｅｔａｂｏｌｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｍｉｃｒｏｂｅｓ．ＴｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａｉｓｇｉｖｅｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ，ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ　　２００３－０８－０５收到初稿，２００４－０９－０８收到修改稿．联系人：欧阳平凯．第一作者：朱跃钊，男，４６岁，副教授．基金项目：国家重大基础研究项目（Ｎｏ．２００３ＣＢ７６１０００）及国家自然科学重点基金项目（Ｎｏ．２０３３６０１０）共同资助．　引　言以催化为核心的化学工业是世界上最大的基础产业之一，２００１年全世界化学工业的产值大约为１．６万亿美元左右．中国的化学工业２００２年产值　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００３－０８－０５．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：Ｐｒｏｆ．ＯＵＹＡＮＧＰｉｎｇｋａｉ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２００３ＣＢ７６１０００）ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０３３６０１０）．　大约为０．９６万亿元左右．化学工业的特点是以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质转化．在１９～２０世纪以不可再生的化石资源为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就，而进入２１世纪，面对化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面．一方面化石资源在地球上储量是有限的，现已逐步走向衰竭．可开采石油储量仅可供人类使用大约５０年，天然气７５年，煤炭２００～３００年［１］．另一方面，目前地球所面临的环境危机直接或间接与化石燃料的加工和使用有关．如化石燃料燃烧后放出大量ＣＯ２、ＳＯ狓、ＮＯ狓等，被认为是形成局部环境污染、产生酸雨以及温室气体等环境问题的根源．人类面临着前所未有的生存与发展的危机．因此，目前化学工业的生产模式必须要进行彻底的变革，转向以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式．其核心技术是工业生物技术．近年来，随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，大大地推动了工业生物技术的基础研究和应用研究．人们普遍认为工业生物技术将是生物技术革命的第三次浪潮．世界经合组织（ＯＥＣＤ）指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”［２］．本文就工业生物技术研究的最新进展和发展趋势作一综述和介绍．１　工业生物技术的新崛起工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段．它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段．以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术是生物技术革命的第三个浪潮，是“２１世纪化学工业的基本工具”．２０世纪后叶，由于分子生物学的突破性成就，生物技术为医药、农业和工业领域带来了革命性的飞跃．１９８２年重组人胰岛素上市，标志着医药生物技术（ｒｅｄｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的巨大成就；１９９６年转基因大豆、玉米、油菜相继上市，标志着农业生物技术（ｇｒｅｅｎｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的巨大成就；２０００年聚乳酸上市，标志着工业生物技术（ｗｈｉｔｅｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）的巨大成就．人类基因组学及相关研究有力推动了医药生物技术的发展，动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技术的发展，微生物基因组学及相关研究有力地推动了工业生物技术的发展．需要特别指出的是，微生物物种巨大的多样性及其基因改造的巨大潜力，将其与精妙现代工程技术结合，为人类提供了新的巨大机遇，工业生物技术的发展前景十分诱人．工业生物技术的核心是生物催化．生物催化剂与普通化学催化剂（通常为强酸和强碱等）相比，具有以下特点：（１）催化效率的高效性．每公斤天冬氨酸转氨酶可以催化生产本身质量１０００００倍的天冬氨酸．（２）专一性强．酶只选择催化某种反应并获得特定的产物，所以其位点专一性、化学专一性和立体专一性强，原子经济性好．生物催化法可以完成甾醇化合物的Ｃ１１位羟基化反应，而化学催化法则几乎无法完成．生物催化法可高效地生产大量的光学活性化合物，一般而言，其原子经济性远大于化学催化法．（３）环境友好．生物催化剂　Ｆｉｇ．１　Ｃｈｅｍｉｃａｌｃａｔａｌｙｔｉｃａｎｄｂｉｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｆｏｒａｃｒｙｌａｍｉｄｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ·１５９１·　第５５卷第１２期　　朱跃钊等：工业生物技术的研究现状与发展趋势（酶与微生物）的本质是蛋白质，在使用后可方便地被消除．反应条件温和，一般在常温常压下进行，其能耗和水耗低，可大大降低化石能源和水资源的消耗，减少了温室气体的排放［３］．因此，生物催化技术具有过程高效（物耗低，原子经济性高）、反应温和（能耗低）、与环境友好（污染小）的特点，是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一．图１为化学催化法和生物催化法生产丙烯酰胺的工艺比较．表１为其技术经济指标的比较．犜犪犫犾犲１　犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犮犺犲犿犻犮犪犾犮犪狋犪犾狔狋犻犮犪狀犱犫犻狅犮犪狋犪犾狔狋犻犮犪犾狆狉狅犮犲狊狊犲狊ＩｎｄｉｃａｔｏｒｓＣｈｅｍｉｃａｌｃａｔａｌｙｓｉｓＢｉｏｃａｔａｌｙｓｉｓｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｔｅｐｅｒｕｎｉｔｐｒｏｄｕｃｔ～０．８０．７５ｐｕｒｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔ～９５％９９．９９％ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｒａｔｉｏｏｆａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｔｅ８３％—８７％９９．９９％ｒｅａｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ１００℃ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｈｉｇｈｌｏｗｃｏｓｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈｉｇｈｌｏｗ由图１和表１可知，生物催化法生产丙烯酰胺比化学催化法具有较大的竞争优势．生物催化法催化效率高，如丙烯腈的转化率高达９９．９９％，而化学催化法只有８５％左右．生物催化法的产物纯度高达９９．９９％，而化学催化法只有９５％左右．只有生物法才能生产超高纯度的丙烯酰胺，进而才能合成超高相对分子质量的聚丙烯酰胺，在三次采油中发挥重要作用．同时生物催化法的能耗和水耗大大降低，生产成本也大大降低．生物催化法已经取代化学催化法生产丙烯酰胺．目前，全世界聚丙烯酰胺的产量约为２３万吨，其中中国产量约为１７万吨．　工业生物技术应用于大规模化学品生产已初见端倪，如农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域．２００２年Ｓｔｒａｔｈａｍ在ＣｕｒｒｅｎｔＯｐｉｎｉｏｎｉｎＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ重点综述了１２９个已工业化的生物催化和转化过程［４］，近年来呈现快速增长的趋势．美国该行业的产值已达２００亿美元，超过了生物医药行业［５］．以生物催化剂为核心内容的工业生物技术在支撑２１世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度．欧、美、日已不同程度地制定出在今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划．日本政府从２００１年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够和环境协调的产业体系形成的实现技术．美国政府一份２１世纪发展规划提出，到２０２０年，通过生物催化技术，实现化学工业的原料、水资源及能量的消耗降低３０％，污染物排放和污染扩散减少３０％［６］．这将对包括化学工业、医药工业及农业在内的各产业带来极其深远的影响．到２０２０年，将有５０％的有机化学品和材料产自生物质原料，而工业生物技术将起核心作用．因此，有人预测２１世纪将是工业生物技术崛起的新纪元．中国也十分重视工业生物技术的