傳統(tǒng)工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
在19～20世紀(jì)以不可再生的化石資源為經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的近代工業(yè)文明取得了輝煌的成就,。例如,，以催化為核心的化學(xué)工業(yè)是世界上最大的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一,，2001年全世界化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)值大約為1.6萬億美元左右,，涉及食品,、醫(yī)藥,、輕工,、材料和冶金等諸多領(lǐng)域,。中國的化學(xué)工業(yè)2002年產(chǎn)值大約為0.96萬億元左右。近代物質(zhì)加工業(yè)的特點(diǎn)是以不可再生的化石資源（石油,、煤炭,、天然氣等）為原料，以化學(xué)催化劑為手段,，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)代生產(chǎn)方式（以西方科技為基礎(chǔ)）使用高度“濃縮”的化石資源，集中的生產(chǎn)方式,，帶來生產(chǎn)效率的大大提高,，人類財(cái)富的大大增加，但亦存在著嚴(yán)重的危機(jī)：
（1）對石油,、礦產(chǎn)等不可再生的化石資源,，展開瘋狂的掠奪性開發(fā)，將形成資源（能源）短缺和資源（能源）危機(jī),。進(jìn)入21世紀(jì),，人類面臨著化石資源不斷枯竭的嚴(yán)重局面?；Y源的儲(chǔ)量現(xiàn)已逐步走向衰竭,，可供人類使用的時(shí)間,石油大約50年，天然氣75年,，煤炭200～300年。
（2）目前地球所面臨的環(huán)境危機(jī)直接或間接與化石燃料的加工和使用有關(guān),。如化石燃料燃燒后放出大量CO2,、SOx和NOx等，被認(rèn)為是形成局部環(huán)境污染,，產(chǎn)生酸雨以及溫室氣體等環(huán)境問題的根源,，使生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞，大量的生物物種瀕臨滅絕,；土壤沙化導(dǎo)致嚴(yán)重的荒漠化和沙塵暴,；溫室氣體排放,，導(dǎo)致災(zāi)害性氣候發(fā)生頻率激增；空氣及水體污染,，嚴(yán)重影響人類健康,。
目前，我國已成為世界第一資源加工消費(fèi)大國,，世界第二能源耗用大國,，加入WTO后, 國外初級(jí)資源加工產(chǎn)業(yè)向我國轉(zhuǎn)移的趨勢將進(jìn)一步加劇，加之國內(nèi)需求持續(xù)上升,，我國將會(huì)逐步發(fā)展成為世界制造工廠,。中國有13億人口，其面臨的資源和環(huán)境危機(jī)將更加嚴(yán)重,，將使我國資源匱乏,、能源短缺和環(huán)境污染日趨惡化，成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙,。這些問題已引起國家領(lǐng)導(dǎo),、學(xué)者和企業(yè)界的高度重視。
中國是一個(gè)化石能源嚴(yán)重短缺的國家,，煤炭,、油氣資源十分有限。我國已探明的石油可開采儲(chǔ)量約為62億噸,，現(xiàn)已累計(jì)開采34.6億噸,，僅剩余27.4億噸，可供開采17年,。煤炭可采儲(chǔ)量約為1 000億噸,，可供開采約50年?！度虻V產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究2001年報(bào)告》指出：“中國的許多資源不足,，并將在二三十年內(nèi)面臨包括石油和天然氣在內(nèi)的各種資源的短缺，同時(shí)還將增加礦產(chǎn)資源對進(jìn)口的依賴程度”,。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快,，我國對石油的需求量不斷增加。受資源狀況限制,，中國原油產(chǎn)量增幅將十分有限,。因此，我國不得不進(jìn)口大量的原油以滿足國內(nèi)需求,。2002年我國進(jìn)口原油6 941萬噸,，2004年我國原油進(jìn)口將首次突破1億噸大關(guān)，達(dá)到創(chuàng)記錄的1.1億噸,，比2003年增長21%,。從國家經(jīng)貿(mào)委獲悉,，中國國內(nèi)市場原油供應(yīng)依賴進(jìn)口的比重正逐年上升，2004年的進(jìn)口依賴程度將達(dá)到30％左右,。隨著美國加緊對海灣地區(qū)和中亞地區(qū)的滲透與控制,，日本在國際能源市場的競爭，以及俄羅斯石油管道的不確定性,，中國的資源和能源的戰(zhàn)略安全空間將進(jìn)一步被壓縮,。
面對這一嚴(yán)峻形勢，人們呼喚一種人與自然,、社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生產(chǎn)方式,，呼喚一種可循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的超現(xiàn)代化生產(chǎn)模式,。1992年,，聯(lián)合國在巴西里約熱內(nèi)盧召開了環(huán)境與發(fā)展大會(huì)，正式提出了“可持續(xù)發(fā)展”的概念,，并將之確認(rèn)為全人類未來發(fā)展的道路和模式,。德國舍爾提出了所謂現(xiàn)代陽光生物經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)模式，其核心思想就是人類社會(huì)與地球上各種生物,、各種物質(zhì)在太陽能的驅(qū)動(dòng)下形成巨大的新的自然生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),。為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,，進(jìn)一步建立人與自然的和諧關(guān)系,，從根本上改變目前與化學(xué)相關(guān)的制造加工工業(yè)的生產(chǎn)模式，以解決人類所面臨的資源,、能源和環(huán)境的問題,。這是唯一的解決途徑。
可持續(xù)發(fā)展的原理
根據(jù)熱力學(xué)原理,，對于一個(gè)封閉系統(tǒng),，熵總是自發(fā)增加的，即系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)遭到破壞,，變成無序狀態(tài),，最終結(jié)果是系統(tǒng)的崩潰（不可持續(xù)）。如果要維持一個(gè)封閉系統(tǒng)的可持續(xù)性（結(jié)構(gòu)的有序性）,，則必須滿足兩個(gè)基本條件：一是必需輸入外部能量,，二是系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)要進(jìn)行循環(huán)（見圖1）。
人類是地球生態(tài)系統(tǒng)的一部分,，要實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展,，則必需首先實(shí)現(xiàn)地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性,。地球生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的兩個(gè)基本條件：一是有太陽能的輸入,，二是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán),。即在太陽能的驅(qū)動(dòng)下，水和二氧化碳通過植物的光合作用生成有機(jī)物,，有機(jī)物通過食物鏈轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳,，進(jìn)行不斷物質(zhì)循環(huán)，如碳循環(huán)和氮循環(huán)等,。因此,，人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本原理就是，建立在太陽能驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)循環(huán),，并與生態(tài)系統(tǒng)兼容（見圖2）,。
資源、能源是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),。到本世紀(jì)末由于化石資源的耗盡,，人們將不得不考慮新的資源和新的能源問題，思索資源和能源的再生問題,。人類不得不把目光轉(zhuǎn)向太陽,，我們這個(gè)星球每年從太陽所獲得的能量相當(dāng)于今天人類社會(huì)消耗的能源與資源的一萬倍（按照熱量計(jì)算）。如果把生物體視為生物機(jī)器,，由生物機(jī)器所完成的陽光生物轉(zhuǎn)化（光合作用）,，作為一種有效的太陽能儲(chǔ)存平臺(tái)，每年可把CO2和水加工成大量的氧氣和幾千億噸碳水化合物,。作為一種太陽能利用機(jī)器,，生物機(jī)器“成本”低廉、效率高,、運(yùn)行成本低,、清潔環(huán)境。陽光生物轉(zhuǎn)化的資源（包括化石資源）一直是人類物質(zhì)文明與社會(huì)賴以存在與發(fā)展的基礎(chǔ),。無論是原始社會(huì)和農(nóng)業(yè)社會(huì)的衣食住行,，還是近代工業(yè)革命所依賴的化石資源與能源，都來自于太陽能推動(dòng)下的生物轉(zhuǎn)化,?？稍偕镔Y源在地球上儲(chǔ)量豐富，而且可通過自然生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)再生,，與環(huán)境相容性好,，是人類未來理想的資源和能源。因?yàn)樽鳛橹参锷锏淖钪饕煞?木質(zhì)纖維素和纖維素每年以約1.640×1 011噸的速度不斷再生,，以能量換算,，相當(dāng)于目前石油年產(chǎn)量的15～20倍。如果這部分資源能得到利用，人類相當(dāng)于擁有了一個(gè)取之不盡,、用之不竭的資源寶庫,。我們只要充分、合理地利用生物加工技術(shù)就可能解決人類面臨的資源與環(huán)境,、食品與營養(yǎng),、環(huán)境與健康等重大問題，并實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,。
工業(yè)生物技術(shù)是解決目前人類
所面臨的資源,、能源與環(huán)境
問題的有效途徑，是工業(yè)可持續(xù)
發(fā)展的最有希望的技術(shù)
進(jìn)入21世紀(jì),，隨著化石資源與能源危機(jī),、環(huán)境危機(jī)的日益加劇，為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì),、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,，進(jìn)一步建立人與自然的和諧關(guān)系，從根本上改變目前制造加工工業(yè)的生產(chǎn)模式,，解決人類所面臨的資源,、能源和環(huán)境的問題。人類必須對傳統(tǒng)的基于化學(xué)過程的物質(zhì)加工模式（化學(xué)加工或化學(xué)制造）進(jìn)行革命性轉(zhuǎn)變,，轉(zhuǎn)向以生物可再生資源為原料,，基于生物過程的環(huán)境友好的高效的物質(zhì)加工模式。以生物經(jīng)濟(jì)取代化石經(jīng)濟(jì)是一種必然趨勢,，而生物經(jīng)濟(jì)的核心技術(shù)是工業(yè)生物技術(shù),。
工業(yè)生物技術(shù)是以微生物或酶為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需的化學(xué)品,、醫(yī)藥,、能源、材料等,，是解決人類目前面臨的資源,、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。它為醫(yī)藥生物技術(shù)提供下游支撐,，為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)提供后加工手段,。以生物催化與生物轉(zhuǎn)化為核心的工業(yè)生物技術(shù)是生物技術(shù)革命的第三個(gè)浪潮，是“21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的基本工具”,。20世紀(jì)后葉由于分子生物學(xué)的突破性成就,，生物技術(shù)為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域帶來了革命性的飛躍,。1982年重組人胰島素上市,，標(biāo)志著醫(yī)藥生物技術(shù)（red biotechnology）的巨大成就,；1996年轉(zhuǎn)基因大豆、玉米,、油菜相繼上市,，標(biāo)志著農(nóng)業(yè)生物技術(shù)（green biotechnology）的巨大成就；2000年聚乳酸上市,，標(biāo)志著工業(yè)生物技術(shù)（white biotechnology）的巨大成就。人類基因組學(xué)及相關(guān)研究有力推動(dòng)了醫(yī)藥生物技術(shù)的發(fā)展,，動(dòng)植物基因組學(xué)及相關(guān)研究有力推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展,，微生物基因組及相關(guān)研究有力地推動(dòng)了工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展。需要特別指出的是,，微生物物種巨大的多樣性及其基因改造的巨大潛力,，將其與精細(xì)現(xiàn)代工程技術(shù)結(jié)合，為人類提供了新的巨大機(jī)遇,，工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展前景十分誘人,。工業(yè)生物技術(shù)在支撐新世紀(jì)社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)體系中的地位已經(jīng)被提到空前的戰(zhàn)略高度。世界經(jīng)合組織指出：“工業(yè)生物技術(shù)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”,。歐美日已不同程度的制訂出在今后幾十年內(nèi)用生物過程取代化學(xué)過程的戰(zhàn)略計(jì)劃,。到2020年，將有50%的有機(jī)化學(xué)品和材料將產(chǎn)自生物原料,，而工業(yè)生物技術(shù)將起核心作用,。工業(yè)生物技術(shù)作為一種戰(zhàn)略先導(dǎo)技術(shù)，是可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢,，對我國社會(huì),、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。
由于石油短缺形勢加劇,，世界石油市場供需矛盾嚴(yán)重失衡,，造成石油價(jià)格飛漲，目前已達(dá)到55美元/桶的新紀(jì)錄,。石油價(jià)格翻番,，燃料油價(jià)格上漲約50％，苯,、甲苯,、乙烯、乙二醇等大宗化學(xué)品（基本化工原料）的價(jià)格大幅上漲,，有的達(dá)2～3倍,，使得下游制造業(yè)的成本負(fù)擔(dān)大幅度增加，我國大批下游企業(yè)面臨嚴(yán)重的運(yùn)行危機(jī),，并且影響到人民生活,。根據(jù)石油價(jià)格走勢判斷，在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)石油價(jià)格仍將維持在高價(jià)位，并有進(jìn)一步上漲的可能性,。石油價(jià)格上漲所帶來的經(jīng)濟(jì)壓力不得不轉(zhuǎn)嫁到能源化學(xué)品和大宗化學(xué)品（基本化工原料）的生產(chǎn)成本中,，使得能源化學(xué)品和大宗化學(xué)品的價(jià)格飛漲，并使得能源化學(xué)品和大宗化學(xué)品的經(jīng)濟(jì)競爭力下降,。另一方面,，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，生物資源量不斷增加,，且年年再生,。目前工業(yè)生物技術(shù)進(jìn)步迅速，特別是基因工程技術(shù),、生物催化劑的快速改造技術(shù),、生物轉(zhuǎn)化的過程耦合技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等,。利用工業(yè)生物技術(shù)生產(chǎn)化學(xué)品的成本正在逐步下降,。隨著石油價(jià)格的上漲和工業(yè)生物技術(shù)的進(jìn)步，石油加工化學(xué)品的生產(chǎn)路線將被生物質(zhì)加工生產(chǎn)化學(xué)品路線所取代,。目前,，在某些化學(xué)品的生產(chǎn)領(lǐng)域，工業(yè)生物技術(shù)與石油化工技術(shù)相比,，已經(jīng)具備了現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)競爭力,。因此，大力發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)具有重大現(xiàn)實(shí)意義,。
工業(yè)生物技術(shù)將給我國工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境健康全面協(xié)調(diào)的科學(xué)發(fā)展提供新的機(jī)遇,。工業(yè)生物技術(shù)具有高效,、高選擇性和低污染的特點(diǎn)，是整個(gè)國際社會(huì)由化石經(jīng)濟(jì)向生物經(jīng)濟(jì)過渡的必要手段,。大力發(fā)展工業(yè)生物技術(shù),，推行過程工業(yè)的生物制造，可以有效提升和改造現(xiàn)有傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù),，大大減少原材料和能源消耗,，使產(chǎn)品精細(xì)化，提高經(jīng)濟(jì)效益,，進(jìn)而形成新的產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn),。生物技術(shù)與現(xiàn)代化工技術(shù)聯(lián)手，改造傳統(tǒng)化學(xué)加工方式,，變更工藝,，用高效,、低耗、低污染的工業(yè)生物技術(shù)取而代之,，變更原料路線,，并逐步由可再生的生物質(zhì)資源來代替石油和化石原料。在未來20年內(nèi),，立足于我國人力資源在數(shù)量和質(zhì)量上的優(yōu)勢,，立足于我國特有的生物資源優(yōu)勢和已有的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，在生命科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破的基礎(chǔ)上發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)的創(chuàng)新技術(shù),，完全有可能在發(fā)展基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)和提升傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的過程中,，為我國在20年左右的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)從生物加工大國向生物加工強(qiáng)國的跨越。以工業(yè)生物技術(shù)為核心的生物能源,、生物材料以及生物質(zhì)資源化技術(shù)將會(huì)得到突破，并得到廣泛應(yīng)用,。此外,，通過工業(yè)生物技術(shù)的研究為最終解決生物能源和材料的生物制造及生物質(zhì)資源化提供技術(shù)支持。這對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,，對解決我國資源和能源短缺問題,，對加強(qiáng)我國的國際競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義。
工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1.化學(xué)品
工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)?；瘜W(xué)品生產(chǎn)已初見端倪,，如農(nóng)用化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品,、大宗化學(xué)品,、藥物和高分子材料等領(lǐng)域。目前已見報(bào)道的工業(yè)化過程約有130個(gè),。美國該行業(yè)的產(chǎn)值已達(dá)200億美元,，超過了生物醫(yī)藥行業(yè)。全球許多公司正投入大量資金用于生物催化的研發(fā),，試圖對化學(xué)品進(jìn)行廉價(jià)生產(chǎn),，并開發(fā)一些新的化學(xué)品生產(chǎn)路線。日本的三菱化纖,、協(xié)和發(fā)酵和味之素等公司已開發(fā)了許多新篩選的菌種和酶用于工業(yè)生物技術(shù),，使得工業(yè)生物技術(shù)成為一個(gè)獨(dú)特的研究熱點(diǎn)。歐洲的BASF,、DSM,、Lonza、Degussa和Roche等大型跨國公司已紛紛轉(zhuǎn)向工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域,，并均已有產(chǎn)品投放市場,。美國國家委員會(huì)預(yù)測,，到2020年，將有50％的有機(jī)化學(xué)品和材料產(chǎn)自生物質(zhì)原料,，而工業(yè)生物技術(shù)將起著核心作用,。
2.生物能源
（1）燃料酒精
目前，燃料酒精是應(yīng)用最廣泛的生物燃料,，也是較為理想的汽油替代品,，具有辛烷值高、抗爆性好等優(yōu)點(diǎn),。巴西每年以甘蔗渣作為原料,，生產(chǎn)30億加侖酒精，以滿足大部分的汽車燃料需求,。美國每年大約有超過15億加侖的燃料酒精加到汽油中,。我國也非常重視燃料酒精的開發(fā)。目前我國酒精年產(chǎn)量為300多萬噸,，僅次于巴西,、美國，列世界第三,。其中發(fā)酵法酒精占絕對優(yōu)勢,，80％左右的酒精用淀粉質(zhì)原料，10％的酒精用廢糖蜜生產(chǎn),，以纖維素原料生產(chǎn)的酒精約占2％左右,。中國將全面推廣使用車用酒精汽油。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測,，到2005年,，我國車用汽油需求量為4 300萬噸。如果用酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％的汽油醇(酒精汽油混合物)來替代,，則需要1 000萬噸無水酒精,。
（2）生物柴油
目前，世界上生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,，美國,、加拿大、巴西,、日本,、澳大利亞、印度等國都在積極發(fā)展這項(xiàng)產(chǎn)業(yè),。歐盟國家主要以油菜為原料,，2001年生物柴油產(chǎn)量已超過100萬噸。歐盟推廣生物柴油的目標(biāo)是：到2003年達(dá)230萬噸,，2010年達(dá)830萬噸,。我國政府多年來支持開展了一些生物柴油的研究開發(fā)工作,，生物柴油產(chǎn)業(yè)得到了我國政府部門的大力支持，并已列入有關(guān)國家計(jì)劃,。
（3）沼氣
沼氣的開發(fā)成為許多國家的能源戰(zhàn)略,。印度對沼氣開發(fā)非常重視。我國是世界上沼氣利用開展得最好的國家,，生物沼氣技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,。客觀上它具有極易利用分布相對分散的秸稈,、樹葉,、草木等資源的優(yōu)勢。主要有農(nóng)村家用沼氣池,、大中型沼氣工程和生活污水凈化沼氣池等,。
（4）生物制氫
氫是一種理想的清潔能源。氫氣在燃燒時(shí)只生成水,，水又可以參與自然循環(huán),，而且氫氣的熱值高，熱轉(zhuǎn)化率也很高,。中國,、德國,、英國,、美國、日本,、以色列,、葡萄牙、俄羅斯,、瑞典等許多國家的政府部門,，對生物制氫技術(shù)的研究都給予了空前的重視和大力支持。
3.生物材料
高分子材料已成為人類生活不可缺少的部分,。目前世界合成高分子材料的年產(chǎn)量已經(jīng)超過1.4億噸,，主要為石油化工材料。生物材料以可再生生物質(zhì)為原料,，綠色環(huán)保,，其發(fā)展前景良好。目前,，前景最好的生物材料為聚乳酸,、PTT纖維、聚丙烯酰胺,、多糖,、聚氨基酸等,。
（1）聚乳酸
聚乳酸為性能優(yōu)異的功能纖維和熱塑性材料，具有優(yōu)異的成膜和成纖維的能力,，可以用來做包裝材料和紡織材料,。聚乳酸的生產(chǎn)主要是通過生物法將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，然后再通過化學(xué)法進(jìn)行高分子聚合反應(yīng),，生成聚乳酸,。2001年Cargill Dow公司年產(chǎn)聚乳酸14萬噸的工廠投產(chǎn)。2020年全世界聚乳酸的需求量將達(dá)到1 150～2 300萬噸,。
（2）PTT纖維材料
采用1,，3－丙二醇與對苯二甲酸進(jìn)行縮聚，制造的聚酯PTT纖維材料具有良好的抗腐蝕性,，又具有尼龍66的彈性,，且更容易印染。Du Pont公司和Genecer公司經(jīng)過多年合作,，以葡萄糖為原料,，通過生物法合成1，3－丙二醇,，并開發(fā)了聚合工藝,。生物法的生產(chǎn)成本可低于石油化工路線。Du pont公司新產(chǎn)品Sorona切片（PTT）4.5萬噸的工廠已于2003年投產(chǎn),。估計(jì)到2020年全世界PTT的需求量為100萬噸,。
工業(yè)生物技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題
社會(huì)發(fā)展的巨大需求和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是微生物學(xué),、生物技術(shù)和工程學(xué)的快速發(fā)展,，為工業(yè)生物技術(shù)新崛起提供了不竭的動(dòng)力。但是,，工業(yè)生物技術(shù)也存在著一些共性的技術(shù)問題需要解決,。
（1）極端/未培養(yǎng)微生物資源庫和極端微生物功能基因組學(xué)技術(shù)
工業(yè)生物催化面臨產(chǎn)品低耗、高價(jià)值化和產(chǎn)品形式多樣化的挑戰(zhàn),，要應(yīng)對這一挑戰(zhàn),，必需首先獲得合適的生物催化劑。生物催化劑的來源主要有兩種,，一是從已有的菌種或酶種資源庫中直接獲得,，二是從大自然中篩選獲得。
目前至少有58個(gè)國家建立了484個(gè)菌種保藏中心,，保藏菌種80多萬株?，F(xiàn)已經(jīng)開發(fā)的商品酶有200種左右?？墒沁@些現(xiàn)有的資源庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生物催化的需求,。
從自然界中篩選所需要的菌種是目前工業(yè)生物催化劑技術(shù)的主要特點(diǎn),，大部分成功的高產(chǎn)工業(yè)化菌株是從自然界篩選得到的野生型菌株。但是,，目前人類篩選生物催化劑的范圍十分有限,，僅占微生物總數(shù)的0.1％～1％，需要拓展篩選的范圍,。
美國,、日本、歐洲等國對新來源的菌種（包括極端微生物與未培養(yǎng)微生物）的研究非常重視,，特別是耐熱,、耐酸堿、耐鹽和耐有機(jī)溶劑等的極端微生物在工業(yè)生物催化應(yīng)用上引起了人們極大的興趣,。如能提高生物催化反應(yīng)溫度,，將會(huì)大大提高反應(yīng)效率，縮短反應(yīng)時(shí)間,，降低成本,。目前酶催化的最適溫度為室溫，如能提高到120℃以上,，將會(huì)使目前的生物催化工藝反應(yīng)效率提高20～50倍,，大大降低成本。美國政府一份研究規(guī)劃中指出,，到2020年可實(shí)現(xiàn)酶在130℃下的催化反應(yīng),。歐盟1997年啟動(dòng)了一項(xiàng)“極端細(xì)胞工廠”的研究計(jì)劃。
未來極端微生物的主要研究方向?yàn)闃O端微生物的功能基因組學(xué),、蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué),，揭示微生物或酶在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ),，對已知基因組序列極端微生物進(jìn)行功能基因組學(xué)研究,，有可能發(fā)現(xiàn)更多在極端物化條件下具有活性的新型生物催化劑，為開發(fā)新的工業(yè)生物催化工藝打下基礎(chǔ),。
（2）生物催化劑的快速定向改造
天然酶要適應(yīng)實(shí)際工業(yè)過程,，需要進(jìn)行改造以改善其耐溫、耐高底物和高產(chǎn)物濃度,、耐酸堿及耐有機(jī)溶劑的性能,。大力發(fā)展酶的理性分子設(shè)計(jì)和分子定向進(jìn)化技術(shù)，改善酶在工業(yè)環(huán)境下的活性和穩(wěn)定性,，得到良好的工業(yè)生產(chǎn)性能的生物催化劑,。
尤其是近年來發(fā)展起來的體外定向進(jìn)化技術(shù)，大大加速了人類改造酶原有功能和開發(fā)新功能的步伐,。目前定向進(jìn)化主要研究方向是提高熱穩(wěn)定性,、提高有機(jī)溶劑中酶的活性和穩(wěn)定性,，擴(kuò)大底物的選擇性，改變光學(xué)異構(gòu)體的選擇性等,。定向計(jì)劃的核心技術(shù)為易錯(cuò)PCR技術(shù),、DNA shuffling技術(shù)及高通量篩選技術(shù)。
隨著人們對蛋白質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深,，加上基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)提供的大量結(jié)構(gòu)與功能的信息,，傳統(tǒng)的理性分子設(shè)計(jì)方法在實(shí)踐中的潛力也開始展露。這些技術(shù)在增加酶的反應(yīng)多樣性,，改變酶的各種性能等方面已有應(yīng)用,。
（3）重要工業(yè)微生物的代謝工程
工業(yè)微生物是工業(yè)生物技術(shù)的重要組成。許多工業(yè)產(chǎn)品都是通過微生物的發(fā)酵而獲取,，由于微生物菌種遺傳特性的限制,，通過優(yōu)化發(fā)酵條件難以大幅度提高產(chǎn)物的產(chǎn)率。過去10年興起了以對主要工業(yè)微生物為對象的基因組學(xué),、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)研究,，對細(xì)胞內(nèi)生化代謝途徑的了解有了突破性進(jìn)展。在較為全面了解細(xì)胞內(nèi)代謝途徑的基礎(chǔ)上,，興起以細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的分析和改造為目的的代謝工程,。隨著對微生物代謝網(wǎng)絡(luò)研究的深入和DNA重組技術(shù)的日臻完善，人們通過基因克隆技術(shù)改變微生物代謝途徑的某些關(guān)鍵步驟,，從而提高產(chǎn)物的產(chǎn)率,；或通過基因重組技術(shù)改變微生物的代謝途徑以生產(chǎn)傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)無法獲得的新產(chǎn)品。
微生物基因組學(xué)和代謝組學(xué)的快速發(fā)展,，對代謝工程有極大的推動(dòng)作用,。大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，為生產(chǎn)化學(xué)品創(chuàng)造了前所未有的特殊機(jī)會(huì),。利用基因工程手段,，重構(gòu)代謝途徑，抑制代謝支路,，增強(qiáng)主代謝（產(chǎn)物方向）的代謝流量,，從而超量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)物。
（4）生物催化劑和環(huán)境因素相互作用關(guān)系
探索催化劑生物特性與工業(yè)轉(zhuǎn)化條件相互作用關(guān)系以及相互適應(yīng)的規(guī)律,，這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生物催化的適應(yīng)性和高效性的基礎(chǔ),。研究在人工環(huán)境下生物催化劑分子結(jié)構(gòu)的變化、失活的機(jī)理,，探討提高生物穩(wěn)定性（活性,、耐鹽、耐有機(jī)溶劑、溫度適應(yīng)性等）的一般性方法,。研究與生物催化劑相適應(yīng)的人工微環(huán)境因素,、介質(zhì)工程及生物轉(zhuǎn)化過程強(qiáng)化的方法。
（5）生物催化過程耦合強(qiáng)化及集成
現(xiàn)代過程工程原理和手段,，包括單元操作的集成和優(yōu)化,、過程耦合和強(qiáng)化，已逐步應(yīng)用于生物催化和轉(zhuǎn)化過程,。如反應(yīng)分離耦合技術(shù)已成功地應(yīng)用于L－氨基酸的工業(yè)化生產(chǎn),。利用反應(yīng)和分離耦合的原理，大幅度地提高反應(yīng)體系濃度,，縮短生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)手性氨基酸和手性羧酸的工藝流程,，降低成本。如采用分離耦合技術(shù),，將國外的7步L－丙氨酸的生產(chǎn)過程縮短為3步,，轉(zhuǎn)化產(chǎn)率提高了8倍，大大降低了分離成本,。發(fā)展產(chǎn)物分離,、純化技術(shù)和裝備，包括與生物反應(yīng)相耦合的過程工程研究,，促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的升級(jí),。人們開始對多細(xì)胞耦合的復(fù)合微生物體系進(jìn)行研究，目的在于通過不同功能的生物催化劑的協(xié)同作用進(jìn)行更高效的生物轉(zhuǎn)化,。如日本研究者通過異種細(xì)菌間能源物質(zhì)ATP的耦合再生,，成功地提高了消耗ATP生物反應(yīng)的效率。過去的20世紀(jì)是過程工程學(xué)科誕生與迅速發(fā)展并對人類文明進(jìn)程產(chǎn)生重大影響的一百年,。過程工程學(xué)科在生物制造體系的應(yīng)用,，將為實(shí)現(xiàn)高效的生物催化和轉(zhuǎn)化提供工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
作者簡介：
歐陽平凱,，男,，1945年8月生，湖南湘潭人,，南京工業(yè)大學(xué)黨委常委,、校長,、教授,，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)為中國工程院院士,，973項(xiàng)目首席科學(xué)家,。1963年～1968年在清華大學(xué)化工系讀本科，1978年～1981年在清華大學(xué)化工系讀研究生。1981年分配到南京化工學(xué)院任教,。1985～1987年曾作為高級(jí)訪問學(xué)者赴加拿大滑鐵盧大學(xué)和美國普度大學(xué)進(jìn)修生物化工,。先后任教研室主任、應(yīng)用化學(xué)系主任,、生物工程系主任,、南京化工大學(xué)副校長、校長,。2001年8月任現(xiàn)職,。
作為我國生物化工工程研究和工程教育領(lǐng)域的先行者，在南京工業(yè)大學(xué)先后創(chuàng)建制藥工程,、生物化工等專業(yè),，創(chuàng)建生物化工、發(fā)酵工程等碩士點(diǎn),，生物化工博士點(diǎn),，國家生化工程技術(shù)研究中心。先后為本科生,、研究生開設(shè)的課程為：生物分離工程,、生物反應(yīng)工程、分子設(shè)計(jì)等,。90年代以來共計(jì)發(fā)表論文180余篇,，出版專著兩部，培養(yǎng)博士,、碩士70余名,。獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、美國杜邦科技進(jìn)步獎(jiǎng)各一項(xiàng),，省部級(jí)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng),，省部級(jí)二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。2001年獲“全國模范教師”稱號(hào),，2002年獲“全國杰出專業(yè)技術(shù)人員”稱號(hào),，2003年獲何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)。
歐陽平凱院士現(xiàn)為江蘇省生物技術(shù)協(xié)會(huì)理事長,，江蘇省化學(xué)化工學(xué)會(huì)理事長,，中國化工學(xué)會(huì)生物化工專業(yè)委員會(huì)主任，中國化工學(xué)會(huì)副理事長,，世界化工聯(lián)合會(huì)中方理事,，國家生化工程技術(shù)研究中心主任。擔(dān)任國務(wù)院學(xué)科評議組成員,，國家工程技術(shù)研究中心評審委員,，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)學(xué)科評審組成員,，國家科技獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)評審組委員，國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)收專家組成員,，國家中長期科技規(guī)劃專家組成員,。1991年起享受政府特殊津貼，1992年獲國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號(hào),。
