08生物化工

第8章生物化工生物化工的特点与发展概况生物化工的应用领域生物化工的生产工艺技术典型生物化工生产化工产品举例生物化工发展趋势8.1生物化工的特点与发展概况生物技术是在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来的，是由基因工程、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。定义：生物化工特点（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，并可节约能源，减少环境污染。（3）定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经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。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。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。•9O年代中期，美国生物化工企业有：2000多家，西欧有580多家，日本有300多家。世界大公司正把注意力向生命科学部分转移生物化工的发展我国生物化工行业的现状及存在的问题•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。•但是与发达国家相比，我国生物化工行业存在着许多问题：一是我国的生物化工产业主要以医药、轻工、食品业为主;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15~--20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。8.2生物化工的应用领域把生物工程技术应用到药物制造的过程称之为生物制药。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为原材料，采用生物学工艺和分离、纯化技术，并以生物学的分析技术控制中间产物和成品质量制成的生物活化制剂，包括菌苗、疫苗、毒素、类毒素、血清、血液制品、免疫制剂、细胞因子、抗原、单克隆抗体及基因工程产品等。现代生物制药基本制造方法发酵法（Zymotechnics）化学合成（Chemicalsynthesize）组织培养法（Tissueculture）现代生物技术(ModernBiotechnics)现代生物制药生化制药的六个阶段原料的选择和预处理原料的粉碎提取纯化浓缩制剂现代生物制药基因工程是在体外对生物的遗传物质基因进行剪切、拼接、重新组合，与适宜的载体连接，构成完整的基因表达系统，然后导入宿主生物细胞内，与原有遗传物质整合或以质粒形式单独在细胞中繁殖，编码产生人类所需的物质或创造新的物种，也可对疾病进行基因治疗。基因工程现代生物制药1973年重组DNA技术的建立为标志，是科学技术史上的里程碑。应用于农业、医药、轻工、化工、环境等领域，成为人类解决粮食、能源、环境、制药的主要手段。1976年世界上第一家基因工程技术开发药物的公司（Genentech公司）建立，开始了现代生物技术产业发展的新纪元。1982年世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素获得FDA批准，由EliLilly公司正式生产，推向市场。基因工程技术首先在医药领域实现产业化，到现在仍有60％～80％集中在医药领域，占主要地位的是基因工程药物的研究和商品化。研究开发的治疗药物是癌症、心脑血管疾病、艾滋病、遗传病等重大病而用常规方法又难以获得的药物。年代技术贡献者53DNA双螺旋模型Watson和Crick58DNA半保留复制和中心法则Crick61遗传密码的碱基三联体Crick和Nirenberg67破译遗传密码Khorana和Nirenberg71首家生物技术制药公司成立Cetus公司72体外重组DNAJackson和Berg73重组质粒在大肠杆菌中表达Boyer和Cohen75细胞融合，单克隆抗体技术Kohler和Milstein76首家基因工程技术制药公司成立Genentech公司78大肠杆菌中表达出胰岛素Genentech公司80转基因小鼠Gordon等82基因工程人胰岛素在美国上市EliLilly公司82转基因超级小鼠Palmiter等83基因扩增的PCR技术Mullis85植物转基因技术Horsch等86基因工程重组乙肝疫苗上市Merck公司87转基因鼠乳腺表达药物tPAGordon等90人类基因组计划开始美国97克隆动物绵羊多利，转凝血因子IX基因绵羊波利Wilmut等99中国加入人类基因组计划2000绘制出人类基因组“工作框架图”中、美、英、日、法、德等6国2001完成人类基因组“中国卷”中国2003绘制出人类基因组“序列图”中、美、英、日、法、德等6国基因工程主要包括三大类：基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。这些药品在诊断、预防、控制及消灭传染病，保护人类健康，延长寿命中发挥着越来越重要的作用。国外生物制药※全世界生物技术公司3600多家，主要集中在欧美，美国1450家，欧洲700家，加拿大330家，日本也有几百家。年产值超过10亿美元的生物技术公司有20余家。※美国是现代生物技术的发源地，又是应用现代生物技术研制新型药物的第一个国家，多数基因工程药物都首创于美国。年研究经费70亿美元以上。※1980年美国的生物技术产品的销额还是零增长，1991:59亿USD，1996:101亿USD，基因工程药物为80亿USD，1997:130亿USD，2001:270亿USD。生物药物批准情况国内生物制药※20世纪80年代是我国生物制药的起步阶段，1983年成立生物工程开发中心，“七五”期间投资成立了基因工程药物、生物制品、疫苗三个研究开发中心。项目主要集中在肝炎、疫苗、血液制品等产品，企业数目极少。※1986年我国生物技术尚处于研发初期，仅有单克隆抗体诊断试剂盒、微生物农药等少数、少量产品，医药产品产值约为0.2亿元，占生物技术产品销售额的8％。※20世纪90年代，企事业单位齐头并进，大发展。国外主要的基因工程药物及疫苗，都能生产.※我国生产的生物药品主要是基因乙肝疫苗、干扰素、白细胞介素-2、增白细胞、重组链激酶、重组表皮生长因子等15种基因工程药物，已进入市场。重组凝乳酶等40多种基因工程新药正在进行研究。单克隆抗体的研制已由实验进入临床，B型血友病基因治疗初步获得临床疗效，组织溶纤原激活剂、白介素-3、重组人工胰岛素、尿激酶等十几种多肽药品在临床实验中。※我国正在研制的创新性基因工程药物肿瘤坏死因子(TNF)神经营养因子激素酶其他基因重组蛋白质、多肽重组毒素及蛇毒成分单克隆抗体及受体重组基因融合蛋白生物制药发展的几大重点领域：诊断与检测试剂、新型基因工程疫苗、基因工程活性肽和蛋白质、治疗功能基因药物、转基因动植物反应器。生物制药发展方向生物技术在农作物中已有广泛的应用。最初通过遗传工程获得而进入市场的作物是：玉米、大豆和棉花。它们经转基因后具有抗除草剂和棉铃虫的能力。利用Bt细菌获得经遗传改良的作物的商业潜力是相当大的。例如：美国有200万m2的Bt棉花，澳大利亚有40万m2，两者各相当于2.5亿美元价值。如果将Bt玉米引种在美国1000万m2的土地上，只要增产5%，就意味着能增加3.5亿美元收入。农业生物技术与生物农药8.2生物化工的应用领域农业生物技术应用国际服务组织(ISAAA)生物技术在畜牧业上应用所获得的益处与在农作物上相似。一方面，生物技术有助于提高畜禽的生命力以及消灭竞争者。如利用鼠类基因（该基因能促进角蛋白的形成）获得了经遗传改良的绵羊，这种绵羊比普通棉羊产毛量能提高6%左右。另一方面，生物技术在提高农作物产量、质量的同时，有助于提高畜牧业的生产力发展水平。例如，通过控制饲料作物体内碳水化合物含量可提高畜牧业生产力；利用基因调控技术可以提高包括豆科作物在内一些作物的蛋白质含量，减少饲料作物中难消化的木质素含量等。农业生物技术与生物农药农业生物技术与生物农药我国的两系法杂交水稻育种研究已深入到基因层的研究，跃居世界领先水平。在水稻无融合生殖育种新技术研究上取得了重大突破，成功地培育出无融合杂交水稻。经过数千亩大田的试验示范，表现出丰产、米质量佳、抗性强、适应性广等优点，克服了杂交水稻需要年年制种和杂种只能用一次的缺点，为水稻育种开辟了新途径。我国进行了动物胚胎的工程研究，掌握了实用化的胚胎分割和移植技术，获得了一批胚胎移植良种牛，并已建立了良种奶牛的胚胎移植和繁殖中心。在动物细胞工程研究上，也已成功地选育出“四倍体复合银鲫鱼”和“人工复合三倍体鲤鱼”，经大面积饲养试验，显示了快速生长的特性。农业生物技术与生物农药我国在抗病抗虫方面的转基因植物的研究取得了实质性进展。目前已经获得了抗病毒的转基因烟草、番茄、马铃薯、小麦、玉米等植物，并成功地竟苏云金芽抱杆菌杀虫基因导入棉花和水稻种，获得了抗虫棉和抗虫水稻。抗烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒的转基因烟草，在大田试验表现了较强的抗病性。农业生物技术与生物农药生物农药是利用微生物本身或代谢物防治虫、草等的制剂。包括农用抗生素、细菌农药、真菌农药和病毒农药，具有选择性高、易于降解、用量少、污染小、对人畜毒性小、保护环境、病虫害不易产生抗性等优点。因而发展生物农药，减少化学合成农药的使用，已成为全球农药产业发展的新趋势。农业生物技术与生物农药生物农药Biopesticides生物体农药Organismpesticides生物化学农药Biochemicalpesticides动物体农药：天敌昆虫、捕食螨、转基因昆虫等Zoicpesticides：Naturalenemyinsectsandmites,transgenicinsects,etc植物体农药：转基因作物Botanicalpesticides：Trangenicplants微生物体农药：真菌、细菌、病毒、线虫、微孢子虫等Microbialpesticides：Fungi,bacteria,virus,nematode,microsporidian,etc植物源生物化学农药：毒素、激素、防卫素、植物源昆虫激素、异株克生物质等Botanicbiochemicalpesticides：Phytotoxin,planthormone,phytoalexin,phytogenousinsecthormone,allelochemical,etc动物源生物化学农药：昆虫信息素、昆虫激素、毒素等Zoicbiochemicalpesticides：Pheromone,Insecthormone,animaltoxin,etc.微生物源生物化学农药：抗生素、毒素类等Microbialbiochemicalpesticides：Antibiotic,toxin,etc生物技术可能引发的问题人们利用生物技术生产出抗旱、耐盐、抗病虫害作物同时，也导致生物多样性遭受严重破坏，甚至导致一些物种灭绝。转基因植物、动物、微生物脱离当地农业生态