可持续发展的支柱——工业生物技术

　　传统工业面临的挑战

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。例如，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，涉及食品、医药、轻工、材料和冶金等诸多领域。中国的化学工业2002年产值大约为0.96万亿元左右。近代物质加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。现代生产方式（以西方科技为基础）使用高度“浓缩”的化石资源，集中的生产方式，带来生产效率的大大提高，人类财富的大大增加，但亦存在着严重的危机：

（1）对石油、矿产等不可再生的化石资源，展开疯狂的掠夺性开发，将形成资源（能源）短缺和资源（能源）危机。进入21世纪，人类面临着化石资源不断枯竭的严重局面。化石资源的储量现已逐步走向衰竭，可供人类使用的时间,石油大约50年，天然气75年，煤炭200～300年。

（2）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、SOx和NOx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，使生态系统和生物多样性遭到严重破坏，大量的生物物种濒临灭绝；土壤沙化导致严重的荒漠化和沙尘暴；温室气体排放，导致灾害性气候发生频率激增；空气及水体污染，严重影响人类健康。

目前，我国已成为世界第一资源加工消费大国，世界第二能源耗用大国，加入WTO后,  国外初级资源加工产业向我国转移的趋势将进一步加剧，加之国内需求持续上升，我国将会逐步发展成为世界制造工厂。中国有13亿人口，其面临的资源和环境危机将更加严重，将使我国资源匮乏、能源短缺和环境污染日趋恶化，成为社会可持续发展的巨大障碍。这些问题已引起国家领导、学者和企业界的高度重视。  

中国是一个化石能源严重短缺的国家，煤炭、油气资源十分有限。我国已探明的石油可开采储量约为62亿吨，现已累计开采34.6亿吨，仅剩余27.4亿吨，可供开采17年。煤炭可采储量约为1  000亿吨，可供开采约50年。《全球矿产资源战略研究2001年报告》指出：“中国的许多资源不足，并将在二三十年内面临包括石油和天然气在内的各种资源的短缺，同时还将增加矿产资源对进口的依赖程度”。随着我国经济快速发展和工业化进程的加快，我国对石油的需求量不断增加。受资源状况限制，中国原油产量增幅将十分有限。因此，我国不得不进口大量的原油以满足国内需求。2002年我国进口原油6  941万吨，2004年我国原油进口将首次突破1亿吨大关，达到创记录的1.1亿吨，比2003年增长21%。从国家经贸委获悉，中国国内市场原油供应依赖进口的比重正逐年上升，2004年的进口依赖程度将达到30％左右。随着美国加紧对海湾地区和中亚地区的渗透与控制，日本在国际能源市场的竞争，以及俄罗斯石油管道的不确定性，中国的资源和能源的战略安全空间将进一步被压缩。

面对这一严峻形势，人们呼唤一种人与自然、社会协调发展的生产方式，呼唤一种可循环、可持续发展的超现代化生产模式。1992年，联合国在巴西里约热内卢召开了环境与发展大会，正式提出了“可持续发展”的概念，并将之确认为全人类未来发展的道路和模式。德国舍尔提出了所谓现代阳光生物经济的生产模式，其核心思想就是人类社会与地球上各种生物、各种物质在太阳能的驱动下形成巨大的新的自然生态循环系统。为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前与化学相关的制造加工工业的生产模式，以解决人类所面临的资源、能源和环境的问题。这是唯一的解决途径。

可持续发展的原理

根据热力学原理，对于一个封闭系统，熵总是自发增加的，即系统的有序结构遭到破坏，变成无序状态，最终结果是系统的崩溃（不可持续）。如果要维持一个封闭系统的可持续性（结构的有序性），则必须满足两个基本条件：一是必需输入外部能量，二是系统内部物质要进行循环（见图1）。

人类是地球生态系统的一部分，要实现人类的可持续发展，则必需首先实现地球生态系统的可持续性。地球生态系统可持续性的两个基本条件：一是有太阳能的输入，二是生态系统内部的物质循环。即在太阳能的驱动下，水和二氧化碳通过植物的光合作用生成有机物，有机物通过食物链转化为水和二氧化碳，进行不断物质循环，如碳循环和氮循环等。因此，人类社会可持续发展的基本原理就是，建立在太阳能驱动下的物质循环，并与生态系统兼容（见图2）。

资源、能源是人类社会可持续发展的基础。到本世纪末由于化石资源的耗尽，人们将不得不考虑新的资源和新的能源问题，思索资源和能源的再生问题。人类不得不把目光转向太阳，我们这个星球每年从太阳所获得的能量相当于今天人类社会消耗的能源与资源的一万倍（按照热量计算）。如果把生物体视为生物机器，由生物机器所完成的阳光生物转化（光合作用），作为一种有效的太阳能储存平台，每年可把CO2和水加工成大量的氧气和几千亿吨碳水化合物。作为一种太阳能利用机器，生物机器“成本”低廉、效率高、运行成本低、清洁环境。阳光生物转化的资源（包括化石资源）一直是人类物质文明与社会赖以存在与发展的基础。无论是原始社会和农业社会的衣食住行，还是近代工业革命所依赖的化石资源与能源，都来自于太阳能推动下的生物转化。可再生生物资源在地球上储量丰富，而且可通过自然生态系统循环再生，与环境相容性好，是人类未来理想的资源和能源。因为作为植物生物的最主要成分-木质纤维素和纤维素每年以约1.640×1  011吨的速度不断再生，以能量换算，相当于目前石油年产量的15～20倍。如果这部分资源能得到利用，人类相当于拥有了一个取之不尽、用之不竭的资源宝库。我们只要充分、合理地利用生物加工技术就可能解决人类面临的资源与环境、食品与营养、环境与健康等重大问题，并实现人类社会的可持续发展。

工业生物技术是解决目前人类

所面临的资源、能源与环境

问题的有效途径，是工业可持续

发展的最有希望的技术

进入21世纪，随着化石资源与能源危机、环境危机的日益加剧，为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前制造加工工业的生产模式，解决人类所面临的资源、能源和环境的问题。人类必须对传统的基于化学过程的物质加工模式（化学加工或化学制造）进行革命性转变，转向以生物可再生资源为原料，基于生物过程的环境友好的高效的物质加工模式。以生物经济取代化石经济是一种必然趋势，而生物经济的核心技术是工业生物技术。

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（red  biotechnology）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（green  biotechnology）的巨大成就；2000年聚乳酸上市，标志着工业生物技术（white  biotechnology）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，将其与精细现代工程技术结合，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。工业生物技术在支撑新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。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”。欧美日已不同程度的制订出在今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划。到2020年，将有50%的有机化学品和材料将产自生物原料，而工业生物技术将起核心作用。工业生物技术作为一种战略先导技术，是可持续发展的一个重要趋势，对我国社会、经济的发展具有重大战略意义。

由于石油短缺形势加剧，世界石油市场供需矛盾严重失衡，造成石油价格飞涨，目前已达到55美元/桶的新纪录。石油价格翻番，燃料油价格上涨约50％，苯、甲苯、乙烯、乙二醇等大宗化学品（基本化工原料）的价格大幅上涨，有的达2～3倍，使得下游制造业的成本负担大幅度增加，我国大批下游企业面临严重的运行危机，并且影响到人民生活。根据石油价格走势判断，在未来相当长时期内石油价格仍将维持在高价位，并有进一步上涨的可能性。石油价格上涨所带来的经济压力不得不转嫁到能源化学品和大宗化学品（基本化工原料）的生产成本中，使得能源化学品和大宗化学品的价格飞涨，并使得能源化学品和大宗化学品的经济竞争力下降。另一方面，随着生物技术的进步，生物资源量不断增加，且年年再生。目前工业生物技术进步迅速，特别是基因工程技术、生物催化剂的快速改造技术、生物转化的过程耦合技术、产业化技术等。利用工业生物技术生产化学品的成本正在逐步下降。随着石油价格的上涨和工业生物技术的进步，石油加工化学品的生产路线将被生物质加工生产化学品路线所取代。目前，在某些化学品的生产领域，工业生物技术与石油化工技术相比，已经具备了现实的经济竞争力。因此，大力发展工业生物技术具有重大现实意义。

工业生物技术将给我国工业实现跨越式发展，实现资源、环境健康全面协调的科学发展提供新的机遇。工业生物技术具有高效、高选择性和低污染的特点，是整个国际社会由化石经济向生物经济过渡的必要手段。大力发展工业生物技术，推行过程工业的生物制造，可以有效提升和改造现有传统生产技术，大大减少原材料和能源消耗，使产品精细化，提高经济效益，进而形成新的产业和新的经济增长点。生物技术与现代化工技术联手，改造传统化学加工方式，变更工艺，用高效、低耗、低污染的工业生物技术取而代之，变更原料路线，并逐步由可再生的生物质资源来代替石油和化石原料。在未来20年内，立足于我国人力资源在数量和质量上的优势，立足于我国特有的生物资源优势和已有的生物技术产业优势，在生命科学领域取得重大突破的基础上发展工业生物技术的创新技术，完全有可能在发展基础支柱产业和提升传统工业技术的过程中，为我国在20年左右的时间里实现从生物加工大国向生物加工强国的跨越。以工业生物技术为核心的生物能源、生物材料以及生物质资源化技术将会得到突破，并得到广泛应用。此外，通过工业生物技术的研究为最终解决生物能源和材料的生物制造及生物质资源化提供技术支持。这对我国的经济发展，对解决我国资源和能源短缺问题，对加强我国的国际竞争力具有重要的战略意义。

工业生物技术发展现状与发展趋势

1.化学品

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、药物和高分子材料等领域。目前已见报道的工业化过程约有130个。美国该行业的产值已达200亿美元，超过了生物医药行业。全球许多公司正投入大量资金用于生物催化的研发，试图对化学品进行廉价生产，并开发一些新的化学品生产路线。日本的三菱化纤、协和发酵和味之素等公司已开发了许多新筛选的菌种和酶用于工业生物技术，使得工业生物技术成为一个独特的研究热点。欧洲的BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche等大型跨国公司已纷纷转向工业生物技术领域，并均已有产品投放市场。美国国家委员会预测，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着核心作用。

2.生物能源

（1）燃料酒精

目前，燃料酒精是应用最广泛的生物燃料，也是较为理想的汽油替代品，具有辛烷值高、抗爆性好等优点。巴西每年以甘蔗渣作为原料，生产30亿加仑酒精，以满足大部分的汽车燃料需求。美国每年大约有超过15亿加仑的燃料酒精加到汽油中。我国也非常重视燃料酒精的开发。目前我国酒精年产量为300多万吨，仅次于巴西、美国，列世界第三。其中发酵法酒精占绝对优势，80％左右的酒精用淀粉质原料，10％的酒精用废糖蜜生产，以纤维素原料生产的酒精约占2％左右。中国将全面推广使用车用酒精汽油。据有关方面预测，到2005年，我国车用汽油需求量为4  300万吨。如果用酒精质量分数为25％的汽油醇(酒精汽油混合物)来替代，则需要1  000万吨无水酒精。

（2）生物柴油

目前，世界上生物柴油产业发展迅速，美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极发展这项产业。欧盟国家主要以油菜为原料，2001年生物柴油产量已超过100万吨。欧盟推广生物柴油的目标是：到2003年达230万吨，2010年达830万吨。我国政府多年来支持开展了一些生物柴油的研究开发工作，生物柴油产业得到了我国政府部门的大力支持，并已列入有关国家计划。

（3）沼气

沼气的开发成为许多国家的能源战略。印度对沼气开发非常重视。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，生物沼气技术已经相当成熟。客观上它具有极易利用分布相对分散的秸秆、树叶、草木等资源的优势。主要有农村家用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化沼气池等。

（4）生物制氢

氢是一种理想的清洁能源。氢气在燃烧时只生成水，水又可以参与自然循环，而且氢气的热值高，热转化率也很高。中国、德国、英国、美国、日本、以色列、葡萄牙、俄罗斯、瑞典等许多国家的政府部门，对生物制氢技术的研究都给予了空前的重视和大力支持。

3.生物材料

高分子材料已成为人类生活不可缺少的部分。目前世界合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨，主要为石油化工材料。生物材料以可再生生物质为原料，绿色环保，其发展前景良好。目前，前景最好的生物材料为聚乳酸、PTT纤维、聚丙烯酰胺、多糖、聚氨基酸等。

（1）聚乳酸

聚乳酸为性能优异的功能纤维和热塑性材料，具有优异的成膜和成纤维的能力，可以用来做包装材料和纺织材料。聚乳酸的生产主要是通过生物法将葡萄糖转化为乳酸，然后再通过化学法进行高分子聚合反应，生成聚乳酸。2001年Cargill  Dow公司年产聚乳酸14万吨的工厂投产。2020年全世界聚乳酸的需求量将达到1  150～2  300万吨。

（2）PTT纤维材料

采用1，3－丙二醇与对苯二甲酸进行缩聚，制造的聚酯PTT纤维材料具有良好的抗腐蚀性，又具有尼龙66的弹性，且更容易印染。Du  Pont公司和Genecer公司经过多年合作，以葡萄糖为原料，通过生物法合成1，3－丙二醇，并开发了聚合工艺。生物法的生产成本可低于石油化工路线。Du  pont公司新产品Sorona切片（PTT）4.5万吨的工厂已于2003年投产。估计到2020年全世界PTT的需求量为100万吨。

工业生物技术的关键技术问题

社会发展的巨大需求和科学技术的进步，特别是微生物学、生物技术和工程学的快速发展，为工业生物技术新崛起提供了不竭的动力。但是，工业生物技术也存在着一些共性的技术问题需要解决。

（1）极端/未培养微生物资源库和极端微生物功能基因组学技术

工业生物催化面临产品低耗、高价值化和产品形式多样化的挑战，要应对这一挑战，必需首先获得合适的生物催化剂。生物催化剂的来源主要有两种，一是从已有的菌种或酶种资源库中直接获得，二是从大自然中筛选获得。

目前至少有58个国家建立了484个菌种保藏中心，保藏菌种80多万株。现已经开发的商品酶有200种左右。可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物催化的需求。

从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物催化剂技术的主要特点，大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。但是，目前人类筛选生物催化剂的范围十分有限，仅占微生物总数的0.1％～1％，需要拓展筛选的范围。

美国、日本、欧洲等国对新来源的菌种（包括极端微生物与未培养微生物）的研究非常重视，特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等的极端微生物在工业生物催化应用上引起了人们极大的兴趣。如能提高生物催化反应温度，将会大大提高反应效率，缩短反应时间，降低成本。目前酶催化的最适温度为室温，如能提高到120℃以上，将会使目前的生物催化工艺反应效率提高20～50倍，大大降低成本。美国政府一份研究规划中指出，到2020年可实现酶在130℃下的催化反应。欧盟1997年启动了一项“极端细胞工厂”的研究计划。

未来极端微生物的主要研究方向为极端微生物的功能基因组学、蛋白质组学和转录组学，揭示微生物或酶在极端环境下保持稳定性的分子基础，对已知基因组序列极端微生物进行功能基因组学研究，有可能发现更多在极端物化条件下具有活性的新型生物催化剂，为开发新的工业生物催化工艺打下基础。

（2）生物催化剂的快速定向改造

天然酶要适应实际工业过程，需要进行改造以改善其耐温、耐高底物和高产物浓度、耐酸碱及耐有机溶剂的性能。大力发展酶的理性分子设计和分子定向进化技术，改善酶在工业环境下的活性和稳定性，得到良好的工业生产性能的生物催化剂。

尤其是近年来发展起来的体外定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。目前定向进化主要研究方向是提高热稳定性、提高有机溶剂中酶的活性和稳定性，扩大底物的选择性，改变光学异构体的选择性等。定向计划的核心技术为易错PCR技术、DNA  shuffling技术及高通量筛选技术。

随着人们对蛋白质认识的加深，加上基因组学和蛋白质组学提供的大量结构与功能的信息，传统的理性分子设计方法在实践中的潜力也开始展露。这些技术在增加酶的反应多样性，改变酶的各种性能等方面已有应用。

（3）重要工业微生物的代谢工程

工业微生物是工业生物技术的重要组成。许多工业产品都是通过微生物的发酵而获取，由于微生物菌种遗传特性的限制，通过优化发酵条件难以大幅度提高产物的产率。过去10年兴起了以对主要工业微生物为对象的基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究，对细胞内生化代谢途径的了解有了突破性进展。在较为全面了解细胞内代谢途径的基础上，兴起以细胞代谢网络的分析和改造为目的的代谢工程。随着对微生物代谢网络研究的深入和DNA重组技术的日臻完善，人们通过基因克隆技术改变微生物代谢途径的某些关键步骤，从而提高产物的产率；或通过基因重组技术改变微生物的代谢途径以生产传统发酵工业无法获得的新产品。

微生物基因组学和代谢组学的快速发展，对代谢工程有极大的推动作用。大量新生物化学合成途径的解析，为生产化学品创造了前所未有的特殊机会。利用基因工程手段，重构代谢途径，抑制代谢支路，增强主代谢（产物方向）的代谢流量，从而超量生产所需要的产物。  

（4）生物催化剂和环境因素相互作用关系

探索催化剂生物特性与工业转化条件相互作用关系以及相互适应的规律，这是实现工业生物催化的适应性和高效性的基础。研究在人工环境下生物催化剂分子结构的变化、失活的机理，探讨提高生物稳定性（活性、耐盐、耐有机溶剂、温度适应性等）的一般性方法。研究与生物催化剂相适应的人工微环境因素、介质工程及生物转化过程强化的方法。

（5）生物催化过程耦合强化及集成

现代过程工程原理和手段，包括单元操作的集成和优化、过程耦合和强化，已逐步应用于生物催化和转化过程。如反应分离耦合技术已成功地应用于L－氨基酸的工业化生产。利用反应和分离耦合的原理，大幅度地提高反应体系浓度，缩短生物转化法生产手性氨基酸和手性羧酸的工艺流程，降低成本。如采用分离耦合技术，将国外的7步L－丙氨酸的生产过程缩短为3步，转化产率提高了8倍，大大降低了分离成本。发展产物分离、纯化技术和装备，包括与生物反应相耦合的过程工程研究，促进生物技术产业的升级。人们开始对多细胞耦合的复合微生物体系进行研究，目的在于通过不同功能的生物催化剂的协同作用进行更高效的生物转化。如日本研究者通过异种细菌间能源物质ATP的耦合再生，成功地提高了消耗ATP生物反应的效率。过去的20世纪是过程工程学科诞生与迅速发展并对人类文明进程产生重大影响的一百年。过程工程学科在生物制造体系的应用，将为实现高效的生物催化和转化提供工程实现的基础。

作者简介：

欧阳平凯，男，1945年8月生，湖南湘潭人，南京工业大学党委常委、校长、教授，博士生导师。现为中国工程院院士，973项目首席科学家。1963年～1968年在清华大学化工系读本科，1978年～1981年在清华大学化工系读研究生。1981年分配到南京化工学院任教。1985～1987年曾作为高级访问学者赴加拿大滑铁卢大学和美国普度大学进修生物化工。先后任教研室主任、应用化学系主任、生物工程系主任、南京化工大学副校长、校长。2001年8月任现职。  

作为我国生物化工工程研究和工程教育领域的先行者，在南京工业大学先后创建制药工程、生物化工等专业，创建生物化工、发酵工程等硕士点，生物化工博士点，国家生化工程技术研究中心。先后为本科生、研究生开设的课程为：生物分离工程、生物反应工程、分子设计等。90年代以来共计发表论文180余篇，出版专著两部，培养博士、硕士70余名。获国家科技进步一等奖、美国杜邦科技进步奖各一项，省部级一等奖两项，省部级二等奖两项。2001年获“全国模范教师”称号，2002年获“全国杰出专业技术人员”称号，2003年获何梁何利科技进步奖。  

欧阳平凯院士现为江苏省生物技术协会理事长，江苏省化学化工学会理事长，中国化工学会生物化工专业委员会主任，中国化工学会副理事长，世界化工联合会中方理事，国家生化工程技术研究中心主任。担任国务院学科评议组成员，国家工程技术研究中心评审委员，国家自然科学基金委员会学科评审组成员，国家科技奖励委员会评审组委员，国家重点实验室验收专家组成员，国家中长期科技规划专家组成员。1991年起享受政府特殊津贴，1992年获国家有突出贡献的中青年专家称号。