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工业生物产品是指利用生物技术工业规模化生产的产品。产品涵盖的领域主要包括轻工业、化工和石油化工等领域，其重要产品有氨基酸、有机酸和酶制剂等。 （一）发展回顾 工业生物技术产业的进步取决于生物技术和工程技术两个方面的进步，根据国外对青霉素近50年的技术进步统计，认为其发酵水平的提高是由工业微生物的技术进步（菌种的改造，优良菌种的获得）和工程技术进步（包括反应器技术，如通气技术、反应器的混合技术等，培养基的优化技术，补料批式操作技术，发酵过程的优化控制技术等）各贡献了50%的成果。对于整个生产过程来说分离提取技术的提高对于产品的收获、生产成本的降低、废物排放的减少具有决定性的作用。 轻工业是工业生物技术应用最早和最多的领域。这个领域的特点是大量利用农副产品（主要是淀粉类产品）进行深加工。我国每年粮食产量的5%左右用于工业发酵原料，大大提高了农产品的附加值。生产的产品主要是满足吃、穿、用，具有重大的经济和社会效益，同时对于促进我国农业的发展，提高农民种粮的积极性具有重大的意义。 我国在传统发酵技术方面具有悠久的历史，但是发酵技术长期处于落后水平，上个世纪80年代我国的发酵水平，即使是应用了较先进的发酵装置和技术的抗生素生产水平也仅达到国际先进水平的一半左右，轻工业的不少发酵过程还处于作坊式的操作。生产效率很低，工人的劳动强度大，污染严重。 近20年来，在国家科技攻关和国家863计划等支持和引导下，在科研人员和企业的努力工作下，在这个领域取得了重大的技术突破，主要有： 1、应用先进的菌种选育技术，得到高产菌种； 2、发酵过程的代谢研究，培养基的优化技术； 3、发酵过程的补料批式操作技术和计算机控制技术； 4、先进的提取技术，结晶技术，膜分离技术，层析技术的应用； 5、新型发酵装置和提取介质和设备的应用。 技术的突破带来了生产水平的大大提高，我国一些主要发酵产品的生产从产量方面已经在几个主要的产品方面达到了世界的前列，如谷氨酸、柠檬酸、啤酒等，从技术水平方面达到了世界90年代初的水平。 轻工业利用发酵技术生产的产品有成千上万种。就大类来分包括： 酒和溶剂类，如啤酒、白酒、果酒、酒精、丙酮、丁醇等产品； 有机酸类，如柠檬酸、乳酸、抗坏血酸、苹果酸、衣康酸等； 氨基酸类，如谷氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、谷氨酰胺等； 酶制剂类，包括食品工业用酶、纺织工业用酶、造纸工业用酶等； 食品和饲料添加剂，包括各种营养素的发酵生产、功能性蛋白质、功能性脂类、功能性糖类等各种产品。 其中有的产品批量很大，总体效益很高，小批量的产品主要是满足一些特定的需求，附加值一般较高，还有一些新产品附加值很高，是技术发展的前沿。 我国氨基酸发酵工业已能生产我国需要的大部分氨基酸产品，谷氨酸的生产量居世界首位。世界氨基酸产业发展较好国家有美国、日本和中国。日本是世界氨基酸产品主要生产国，但近年来生产向海外转移。美国则凭借基因重组技术在氨基酸生产方面处于世界前列。我国的氨基酸发展也非常迅猛，到2000年，用于输液的十八种药用氨基酸原料，除L－丝氨酸和L－色氨酸尚不能工业化生产，其他均已投产，国产化率达到80％以上。谷氨酸的产量已达世界最高，饲料用的氨基酸需求也逐年增长。 我国发酵法生产有机酸的产业已形成以柠檬酸为支柱，具有一定规模的产业体系。目前我国柠檬酸产量居世界第二，数年来出口量居世界第一，保持在20万吨以上。乳酸作为一种重要的有机酸，应用十分广泛，以发酵法生产为主。近年来国际乳酸需求持续增长，主要消费集中在美国、西欧和日本。随着聚乳酸（PLA）的迅速发展，未来乳酸年产量将会有更大的提高。我国的乳酸主要以大米为原料发酵法生产DL乳酸，其中90％用于食品工业。除了以上几个大品种的有机酸外，近二十年，我国还发展了衣康酸和苹果酸等有机酸。国际衣康酸生产以美、日为主，我国衣康酸产业自90年代投入工业化生产，目前已经形成一定的工业规模，产品在国际市场占有一席之地， 90％产品用于出口。苹果酸已广泛应用于轻化工的各个领域，近年来世界市场苹果酸需求量大大增加，日本是主要的苹果酸生产和消费国。我国苹果酸的生产一直未真正形成一定规模，今后预期通过研究和开发，采用微生物发酵法生产L-苹果酸将在我国进入较大规模的工业化生产，从而巩固我国有机酸工业的优势地位。 我国酶制剂的生产实现了现代化技术改造，在糖化和洗涤剂用酶的生产方面具有相当的水平。在“九五”期间，酶制剂的研制又得到了很大的发展，其中新型甘露聚糖酶的研制和纤维废物液体深层发酵生产纤维素酶分别获得了国家技术发明二等奖和四等奖。我国酶制剂生产企业已经逐步向规模化和现代化发展，2000年有10家企业通过ISO9002质量管理认证或ISO9000质量检验认证。 生物技术在工业领域的应用越来越广，除了轻工业外，还有化工、医药和石油化工等领域，并对这些产业产生重大的影响。随着国民经济的发展，对于环境的保护要求越来越高，绿色生产过程已经是迫切的需求。伴随着化石能源的日渐枯竭，利用生物可再生原料生产清洁燃料的需求也非常迫切，生物技术在材料和能源方面的工作正在紧锣密鼓的开展。同时，随着基因工程，细胞工程，酶工程，发酵工程等比较成熟的技术手段的应用，生物技术将进一步拓宽到大宗化工产品和手性物质的生产，这必将带来工业生产面貌的巨大变化。我国科学家研究开发了“反应分离耦合技术及其在酶法合成手征性化合物中的应用”，开发了具有自主知识产权的L-苹果酸和L-丙氨酸的生产工艺流程，实现了工业化生产，明显降低了生产成本和污染，技术经济指标达到了国际先进水平，产生了显著的经济效益和社会效益。该成果于2000年获得了国家科技进步一等奖。在“九五”攻关期间，高密度细胞催化法生产丙烯酰胺技术产业化得到了巨大的成功，满足了石油工业三次采油和一些其它方面的需要，1998年该项目研究成果获国家科技进步二等奖。 在生物催化研究方面，通过攻关选育了高产、高比重的生产菌种，开发了离心分离和膜分离浓缩装置，实现了水合车间的全面管道化，节省了投资，使酶的利用率提高了5.64倍。降低了产品的电导率，使催化反应工段的成本降低50%以上。研究开发了气升式发酵罐生产酶的新技术，缩短了细胞培养时间，增加了生物量，提高了产酶量。解决了酶催化产物的高聚合性能而引起的自聚问题，解决了原料及生产过程中带入的影响聚合质量的杂质的分离纯化技术。研究采用了近红外在线检测装置，实现了底物浓度、产物浓度的自动控制，建立了一整套产品质量检测的分析方法。2000年5月建成了年产25000吨丙烯酰胺的示范性工业生产装置，并建立了相应的成套技术和各工段操作规程，投产试车取得成功，丙烯腈转化率≥99.99% ，收率≥98%，在菌种产酶活性、产酶工艺、水合工艺等方面都有大幅度的提高和改进，使我国丙烯酰胺的生产技术，无论在规模还是在水平上均达到了国际领先水平。应用微生物法生产丙烯酰胺的研究成果已在江苏、江西、山东、河北、大庆、北京、广东等地建成了七套生产装置，年生产能力可达到75000吨。 工业生物技术正在向着能源、材料、化工加工过程的方面发展。我国在生物材料和生物能源方面开展了大量研发和产业化工作，为解决我国能源短缺和粮食阶段性供过于求的问题，我国正在开展燃料酒精的研发，目前已经取得了一定的进步。各种生物加工（制造）过程的核心是生物催化。随着原料路线的改变、新产品加工和环境保护等要求的提高，需要各种新型工业生物催化剂，寻找新的催化剂。对催化剂进行改造，对催化加工过程和装置的研制是很迫切的任务，也是进一步发展工业生物技术的基础。 近十年，我国在工业生物技术及其产品的研究中取得了巨大的成绩，目前具有国际上生物工程相关产业中的所有主要产品，就其规模而言，某些在世界上占有举足轻重的位置。但是，技术水平特别是发酵水平与发达国家尚有较大差距。例如，我国酶制剂中的支柱产品糖化酶、高温α-淀粉酶、碱性蛋白酶，自1988年引进后，十余年来，发酵水平一直没有提高，而国外却提高很快。以糖化酶为例，目前我国产酶活力仍停留在32,000u/ml左右，而国外已达到50,000u/ml以上。由于成本偏高及质量不稳定，我国酶制剂产品难以进入国际市场。我国L－乳酸的产酸水平9－10%，国外已达18%。氨基酸的整体水平，国外比我国高30－50%。我国谷氨酸的产酸水平为9－10%，国外为13－14%；我国赖氨酸产酸水平9－10%，国外达15－16%。在抗生素工业中，制约我国医药工业战略品种之一β-内酰胺抗生素发展的关键问题是头孢菌素C的发酵单位，及7-ACA、7-ADCA、6-APA的生产水平较低。总之，由于总体技术水平与国外的差距较大，我国的工业生物技术产品生产成本明显高于国外，市场竞争力弱，也难以抵挡国外产品进入国内市场。因此，发展工业生物技术，提升我国生物技术产品在国际市场上的竞争力迫在眉睫。 （二）主要进展 我国的氨基酸生产近年来有较大进步，品种大大扩展。目前国内几大品种氨基酸和药用氨基酸中，谷氨酸钠（味精）产量已高居世界首位，2001年全国总产量已达91.28万吨。味精生产企业向大型化、集约化发展，生产水平不断提高，接近国际先进水平，生产成本也明显下降。而赖氨酸消费主要用于饲料工业，随着国内饲料行业的迅速发展，其产量逐年提高并逐步缩小与国外先进水平的差距，我国赖氨酸年消费量约3.5～4.5万吨，国内自给仅为35～40％，大部分仍需进口。其他氨基酸如L－苯丙氨酸通过海因酶法路线，酶活性达到3000单位/毫升以上，对苯丙酮酸转化率提高到98％以上，成本明显下降。到2001年，全国药用氨基酸总产量达4500吨。除了作为食品添加剂、饲料添加剂及药用材料外，氨基酸产品的工业新用途也在不断的开发之中，已有工业化产品聚合氨基酸和氨基酸型螯合剂等，市场前景看好。 2001年，我国有机酸的产量有了很大的提高，市场占有份额有所提高。柠檬酸及其盐类产量达35万吨，总产值为22.09亿元，出口创汇2.02亿美元，居我国化工产品单项出口额第一，柠檬酸生产的发酵技术居国际领先水平。乳酸作为一种重要的有机酸，应用十分广泛，随着聚乳酸（PLA）的迅速发展，乳酸的年产量也有了很大的提高，2001年产量约为1万吨。国际衣康酸生产以美、日为主，2001年我国衣康酸产业已经形成一定的工业规模，产品在国际市场占有一席之地，国内总生产能力已达1.6—1.7万吨，90％以上产品用于出口。我国苹果酸的生产一直未真正形成一定规模，2001年仅生产200吨，尚需从国外进口部分DL－苹果酸。 酶制剂和酶制剂工业也已成为工业生物技术领域最有希望的新兴产业之一。2001年我国各种工业酶制剂总产量超过32万吨，产值6亿多元。应用覆盖食品、洗涤剂、纺织、酒精、制药等诸多工业领域。已实现工业化生产的酶种有20多种，大部分为自行开发生产，产品为以糖化酶、α－淀粉酶、蛋白酶等三大类为主，占据了酶制剂市场的97％，此外还有果胶酶、纤维素酶等，部分酶制剂品种和质量已达到或者接近国际先进水平，其中糖化酶、淀粉酶等主要产品已批量出口，2001年出口量达4812吨，出口额2867万美元，呈逐年上升的趋势。 工业生物技术除了生产传统的工业产品外，以工业生物催化为核心的精细化学品和生物材料的生产也有了很大的发展。丙烯酰胺、1,3-丙二醇、长链二元酸以及多种手性药物的拆分和药物中间体的合成都已经或正在工业化。丙烯酰胺生物合成中生物催化剂的研究和改造也逐渐深入，单位酶活已达到世界领先水平，使我国丙烯酰胺的生产技术，无论在规模还是在水平上均达到了国际领先的水平。2001年我国的生物法生产丙烯酰胺的能力已超过10万吨，销售额超过20亿元人民币。生物技术的发展也带动工业酶催化的进步，分子定向进化、理性设计等技术应用到催化剂的改造、人工酶的设计也已充分发挥了作用，尤其是在热稳定性、耐酸碱性能等方面。工业生物催化在传统化学反应过程中的普及和推广将是化学工业的一次彻底的绿色革命。 总体而言，随着我国经济的发展，工业生物技术的开发和应用也在不断深入，今后工业生物技术产品将具有更加广泛的应用和市场前景。但是我们也要清醒地认识到我国生物技术行业还不同程度地存在规模小而分散，产品重数量轻质量，相关提取和纯化技术与国外先进水平存在较大差距，产品技术含量和附加值不高，生产成本偏高，地区间和产品间发展不平衡，质量、外观指标与国外同类产品存在差距，国际市场竞争能力不强等等问题，今后必须在加快科技创新力度，提高产品质量和生产水平方面着手，研究生物技术产品的新用途，扩大产品应用领域，改变生物技术产品结构的不合理状况。同时进一步深化企业结构调整，通过企业重组，扩大规模，走集约化道路，打造国际品牌。 （三）重要事件 1. 2001年对“九五”国家科技攻关项目“轻化工生物技术新工艺新产品项目”进行了全面验收，共有包括功能食品及添加剂、酶工程与新型酶制剂、生物化工新材料与新原料和生物技术产业化关键技术及装备等4个课题，31个专题，五年中共有来自全国14个省市93个单位的935人参加攻关。在有关部门的领导和支持下，通过产学研联合攻关，全部完成并部分超额完成了所有专题的攻关任务和指标，取得了66项认定成果，共申请专利61项（其中已批准专利16项、公开专利21项），共转让成果59项（次），获得国家级奖励成果4项、省部级奖励成果9项，取得直接经济效益52亿元。通过攻关共建立了试验基地14个、中试线44条、生产线21条，开发出新产品59种（其中7种获得证书），开发出新工艺64项、新设备14种。通过攻关，本项目中大部分专题达到了90年代国际先进水平，部分专题达到国际领先水平。 2. 2001年全面启动并实施了“十五”国家科技攻关项目“生物工程关键技术与重大产品”，其中包括7个课题：1、生物化工原料和新材料；2、新型酶制剂与重大酶制剂产品；3、氨基酸新产品、新工艺；4、寡糖新产品的开发与应用；5、新型食品及饲料添加剂的开发与应用；6、重大抗生素生产新技术、新工艺；7、农用抗生素新技术、新工艺。 |
