生物化工的发展前沿周文昌
生物化工是生物技术与化学工程技术相互融合与交叉发展的领域，是生物技术的一个分支学科，也是化学工程的主要前沿领域之
一、其任务就是把生物技术转化为生产力。现代生物技术的发展离不开化学工程，如生物反应器以及目的产物的分离、提纯技术和设备都要靠化学工程来解决；而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。随着基因重组、细胞融合、酶的固定化等技术的发展，生物技术不仅可提供大量廉价的化工原料和产品，而且还将改变某些化工产品的传统工艺，甚至一些不为人所知的性能优异的化合物也将被生物催化所合成。生物化工的发展将有力地推动生物技术和化工生产技术的变革和进步，产生巨大的经济效益和社会效益。
生物化工是生物技术与化学工程技术相互融合与交叉发展的领域，是生物技术的一个分支学科，是化学工程的主要前沿领域之
一、其任务就是把生物技术转化为生产力。现代生物技术的发展离不开化学工程，如生物反应器以及目的产物的分离、提纯技术和设备都要靠化学工程来解决；而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。随着基因重组、细胞融合、酶的固定化等技术的发展，生物技术不仅可提供大量廉价的化工原料和产品，而且还将改变某些化工产品的传统工艺，甚至一些不为人所知的性能优异的化合物也将被生物催化所合成。生物化工的发展将有力地推动生物技术和化工生产技术的变革和进步，产生巨大的经济效益和社会效益。
一、生物技术及产业已经为中国经济和社会发展做出了重要贡献
中国政府一直十分重视生物技术及产业的发展。近20年来，在有关部门、地方政府的共同推动下，在广大科技工作者的努力下，中国生物技术及产业获得长足发展，取得了举世瞩目的成就。包括：
生命科学和生物技术基础研究不断取得重大突破，生物技术创新能力迅速提高。中国参与了国际人类基因组计划，完成了1％测序工作和人类基因组单体型图计划10％的任务。
农业生物技术及产业为保障粮食安全、增加农民收入做出了重要贡献。杂交水稻、超级稻的成功培育和推广应用，大幅度提高了粮食产量。组织培养技术、胚胎生物技术加速了动植物品种的更新换代。仅转基因抗虫棉的种植每年就为农民增收50亿多元。
医药生物技术及产品在提高人民健康水平方面发挥了重要作用。中国是世界上疫苗生产量、使用量最大的国家，生物技术产品在消灭和控制天花、鼠疫、脊髓灰质炎等重大传染病中发挥了不可替代的作用。世界上第一个基因治疗药物在中国诞生，170多个生物技术药物和疫苗等进入临床研究，这将为进一步提高人民健康水平做出新的贡献。
工业生物技术及产业不断壮大，为传统产业升级改造，提高生产效率作出了巨大贡献。中国是最早使用传统生物发酵技术的国家之一，中国食用醋、酱油、啤酒、酒精、味精等传统发酵产品产量均列世界第一位，这些产品已经成为人民日常生活中不可缺少的产品。生物能源、生物材料、生物催化将在未来工业发展中发挥更大的作用。
生物技术及产业创新体系逐步形成，创新能力正在迅速提高。据初步统计，中国拥有政府资助的生物技术重点实验室约200个；拥有研发人员3万多人。全国有现代生物技术企业约500家，从业人员超过5万人。北京、上海、广州、深圳等地已建立了20多个生物技术园区。过去5年，仅中央政府在生物技术领域的研发投入就超过120亿元。生物技术与产业不仅为经济发展、粮食安全、人民健康、环境改善作出了重大贡献，而且展示出更加广阔的发展前景。
二、生物制药的发展
从生物技术药物的制备和使用特点中可以看到，生物技术药物具有对环境友好、受资源限制少、在临床使用中毒副作用轻等优点，使生物技术药物显示出强大的生命力。近年来基因科学技术突飞猛进，生物技术已使医药工业产生了巨大的变化。生物技术不仅提供着丰富的生物工程药物，并直接形成了初具规模的生物技术制药产业，而且在新药筛选、改进现有药物的生产工艺、改良微生物药的生产菌种、药物手性合成技术等方面发挥日益重要的作用。
1．已取得的进展
基因工程是生物药物发展的重要技术，尤其是遗传工程方面，近年来有新的贡献。美国联邦政府赞助的“人类基因组计划”正试图破解人类基因组组成中十万个基因的密码。
微生物基因组的研究吸引了一些著名制药公司(如葛兰案咸康等)的介入，目前已完成了幽门螺杆菌(HP)的全基因组序列分析，这为研究它的致病机理、研制专一性新药或疫苗奠定了有力的基础。目前，已开展的微生物基因组工作计划超过40项，预计在不远的将来，这些研究成果不仅会为微生物开发开辟一个新天地，亦必将对新药研究和医药工业的发展起着有力的促进作用。
手性化合物的生物合成是手性药物生产取得突破的关键技术之一，手性药物及其中间体市场和相应技术的迅速发展促进了手性技术产业化的发展。近年来，国际上一大批手性技术公司的出现，以及一些大的跨国公司对手性技术研究开发的加大投入促使手性技术得到进一步的发展。应用酶拆分、酶消旋等生物技术手段使不少药物稍旋后经二次开发成为疗效更为确切、独特、毒副作用更小的新型手性药物。
生物制药在抗生素的研究和生产中也取得了令人瞩目的成就。目前已知的聚酮类化合物超过l0000个、其中作为治疗药用途的这类化合物全球年销售额超过100亿美元。它们包括临床应用的红霉素、四环素、利福霉素、两性霉素、阿霉素、洛伐他丁、FK50
6、雷铂霉素等重要抗生素，其中大多数的聚酮合成酶基因已被克隆。
在抗生素发酵过程中供氧往往是一个限制因素，且消耗大量能源。美国科学家把与氧传递有关的透明颧茵(Vitreosoilla)血红蛋白基因克隆进天蓝色链霉素(streptonyoescoeliodor)中后，使通气不足时放线紫红素的产量提高4倍，表明工程茵发酵对抗生素的合成对氧的敏感性大大降低。将血红蛋白基因克隆进行头孢菌素C产生茵顶头抱霉茵后，使该茵种在发酵中的氧耗明显降低，且有效地增加了头孢茵素C的产量。血红蛋白基因工程的研究和应用必将对抗生素工业和其他发酵工业的增产节能带来美好的前景。DNA芯片技术目前在美国已应用于生物医学、分子生物学的基础研究以及人类基因组研究和医学临床诊断等领域。Affymetrix、syntenl的、lncyte等公司在该技术上已取得明显的进展。
经过几十年的探索与发展，中国目前利用基因技术治疗恶性肿瘤的研究已跨入世界先进行列，一些基础研究项目率先在国际上获得重大突破，基因疗法、转基因技术研究和—些基因工程治癌药物开始进入临床试验或应用阶段。另外，中国还研制成功了酶法产生
D—苯甘氨酸和D—对羧苯甘氨酸技术，这对中国β—内酰胺抗生素工业生产起到了有力的促进作用。
2．应用领域和未来的发展
生物药物广泛用于治疗癌症、艾滋病、冠心病、多发性硬化症、贫血、发育不良、糖尿病、心力衰竭、血友病、囊性纤维变性和一些罕见的遗传疾病。重点是应用DNA重组技术生产蛋白、多肽、酶、激素、疫苗、细胞生长因子及单克窿抗体等，主要产品类型为疾病治疗剂、诊断试剂、预防药物等。再过10年，生物技术将使许多老年性疾病得到治疗，是新药“黄金时代”的开端。今后10年生物技术将为当代重大疾病治疗创造更多的有效药物，并在所有前沿医学形成新领域。未来生物药的发展主要涉及下列领域：
肿瘤肿瘤是世界上死亡率最高的疾病，目前仍用放疗、化疗等综合手段治疗。今后治疗肿瘤的生物药物会急剧增加，例如有一种肿瘤疫苗已进人I期临床，其工艺是从患者中取出肿瘤细胞，导人GM——CSF的基因．在患者化疗后，用此疫苗进行连续治疗。
自身免疫性疾病许多炎症由自身免疫缺陷引起．如哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮等．一些生物制药公司正在积极攻克这类疾病。如Genentech公司正研究一种用于治疗哮喘的人源化单克
隆抗体免疫球蛋白E，已进入Ⅱ期临床。
冠心病全球冠心病的发病率也相当高，今后几年，防治冠心病的药物将是制药工业的重要增长点，生物制药也正努力在该领域取得重大突破o Cento—cor’s Reopro公司应用单克窿抗体治疗冠心病的心绞痛以及恢复功能取得成功，这标志着一种新型冠心病治疗药物的诞生。Michigan医学中心应用基因疗法去阻止冠脉栓塞也很有特色。
3．我国的生物制药发展方向
生物技术药物的创新性正在进一步提高，今后对生物技术的创新与发展具有重大影响的十大关键技术如下：
组合化学、药学基因组科学、蛋白质工程、基因治疗、糖类治疗剂、前导物综合鉴定技术、核糖酶、抗体酶、药物设计与人工智能技术、功能抗原。
近年来，中国的生物化工产品生产得到了大力发展，今后我国的发展重点为：
(1)开发靶向药物，并以开发肿瘤药物作为重点。
(2)改造抗生素工艺。各类药物中，抗生素用量最大，应研究采用基因工程与细胞工程技术和传统生产技术相结合的方法，选育优良茵种，加快应用现代化生产技术生产高效低毒的抗生素。
(3)中草药及其有效活性成份的发酵生产。应用医药生物技术大规模工业化生产中草药及有效活性成份，发展具有中国特色的生物技术医药工业。
(4)大力开展疫苗与酶诊断试剂，重点是乙肝基因疫苗与单克隆抗体诊断试剂。
(5)发展氨基酸工业和开发甾体激素。应用微生物转化法发展氨基酸工业和开发甾体激素，并对传统生产工艺进行改造。
(6)开发活性蛋白质与多肽类药物。开发重点是干扰素、生长激素等。
三、国外生物化工发展趋势
目前全球已拥有年销售额超过10亿美元的生物技术产品数十种，到2001年底，全球生物化工工业产品销售额超过1500亿美元。目前国外生物化工发展趋势有以下特点：
一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。
二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。手性化合物是国外目前生物技术的主要生产产品。应用手性技术的最多的是制药领域，包括手性药物制剂，手性原料和手性中间体。
三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.
四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。
四、我国的生物化工
近年来，我国生物化工产业也得到了大力发展。在有机酸中，柠檬酸的产量居世界前列，工艺和技术都属世界先进水平，乳酸、苹果酸新工艺也已开发成功；在氨基酸中，赖氨酸和谷氨酸生产工艺和产量在世界上都有一定的优势；微生物法生产丙烯酰胺已实现了工业化生产，已形成几万吨级的工业化生产规模；农用抗生素已有赤霉素、井冈霉素、金核霉素以及农畜两用的7051杀虫素等；甘油发酵水平不断提高，后提取工艺也有很大进展；黄原胶生产在发酵设备、分离及产业化方面也已取得了突破性的进展；酶制剂、
果葡糖浆、单细胞蛋白、纤维素酶、胡萝卜素等产品的生产开发也日益成熟。
但是，我国生物化工产业发展也存在着诸多问题，如生产上发酵周期长、分离提纯技术落后、产品收率低、产品成本和单耗高，生产厂经济效益不佳等，更重要的是对生物技术产业优缺乏足够的认识，尤其是对生物化学工程重视不够。突出问题是：产业化程度低，许多科研成果尚未转化为生产力；生物化工产品开发周期长、速度慢；生物化工技术及装备水平还有待于进一步提高；缺少一支强大的生物化工技术企业队伍；对生物化工产品的开发投资不够，且投资渠道单一，缺乏应有的经济支撑。为了推动我国生物化工产业的发展，近年来，国家在投入了大量的人力和物力重点发展的同时，也日益重视加强培养和建设生物化工技术力量。国家计委支持筹建了三个生物技术下游国家重点实验室，国家科委组建了三个国家生物化工研究开发中心。这些均为我国生物化工产业的发展提供了良好的条件。
当前，我国生物化工技术发展要加大对生物高技术医药产品、农业及天然生物工程产品、能源、燃料及溶剂产品、环境生物技术及可再生资源生物加工工艺、动植物细胞培养的工艺与工程的开发力度。而在产业化上，要利有现代生物化工技术改造现有及传统生化产品的生产工艺及设备，使其加速走向现代化；大力发展氨基酸工程、蛋白质工程等技术，为改变我国现有食品结构，解决未来粮食缺乏的局面做出应有的贡献；用微生物法代替化学法开发基础化工新产品的工业化生产技术，力争早日工业化、商品化；利用现代生物化工技术，大力开发众多的精细生物化工产品，如生物色素、甜味剂、酶制剂；深入开展生物催化剂和生物转化的酶工程研究，其反应过程比起传统的化工过程具有不可比拟的优越性；利用化学工程优势，大规模开发生物化学工程及装备等产业化支撑技术，大力开发生物反应器；开展新型生化分离方法和工程研究，包括新型高效分离设备、分离介质以及新的分离工艺和流程的研制开发。
为了有效促进我国生物化工技术及产业发展，应重视下游开发和上下游的结合，优先发展支撑技术体系；发展生物化工产品时要以市场为导向；重视技术资金投入及企业在生物化工产业发展中的作用；加强行业间的合作和技术经济信息交流；加强生物化工企业队伍建设，加速人才培养，建立高效生物化工开发体系；政府要制定促进生物化工产业顺利发展的政策和发展战略；建立合理的资金投入和融资方式及中国生物化工网络系统；企业和科研机构要积极与国外开展科技合作与交流，引进适当的先进技术，注重人才及必要仪器设备的引进，以便早日使我国生物化工产业化水平达到或超过世界先进水
五、未来15年中国生物技术及产业化的战略方向与重点
未来15年中国生物技术及产业发展将紧紧瞄准全面建设小康社会和科技自身发展的需求，切实解决制约经济和社会发展的瓶颈问题。发展的基本方向是：瞄准经济发展、粮食安全、人口健康、能源安全、环境改善、生物安全等方面的重大技术需求，解决制约经济和社会发展的瓶颈问题。未来生物技术及产业化发展的重点是：
针对自主创新能力偏弱的问题，瞄准生命科学和生物技术前沿领域，重点加强基因组、蛋白组等前沿技术的创新和突破。
针对保障粮食安全、农业增效和农民增收的目标，重点加强超级水稻、转基因动植物、生物农药、生物肥料、可降解地膜等的研发与产业化。
针对保障人民健康和医药产业升级的需求，大力发展艾滋病、肝炎、结核病等重大传染病新型诊断技术及试剂、疫苗和药物，加强肿瘤、心脑血管病、糖尿病等疾病的新型生物诊疗技术与药物开发，加速中医药的现代化。
针对我国传统工业生物技术产业升级换代的迫切需求，加强生物催化、生物材料、生物化工等方面的研发与产业化。
针对化石能源紧缺的问题，发展燃料乙醇、生物柴油、生物质气化发电等生物质能，实现对化石能源的部分替代。针对环境污染问题，大力发展水污染和固体污染治理的新型生物技术，针对生态环境脆弱的问题，大力发展生态环境生物修复技术。
建立和完善我国生物资源多样性保护体系，充分利用我国丰富的生物资源，培育新兴产业。
