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生物制造和生物炼制

内容摘要：生物制造的定义比较宽泛，侧重点各有不同，清华大学颜永年把生物制造的侧重点定为制造，使其与传统典型制造业区分开来，包括仿生制造、生物质和生物体制造等涉及生物学和医学的制造科学和技术。也有学者侧重于生物，泛指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业，是以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料的新模式。生物炼制则可以归入后者定义的范围内，生物炼制区别于传统石油炼制，是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料，生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。
1 生物制造的不同定义
1998年，“21世纪制造业挑战展望委员会”主席J.Bollinger博士在生物成形技术的基础上提出了生物制造的概念[1]，清华大学颜永年明确了生物制造工程的定义[2]。宽泛定义为:包括仿生制造、生物质和生物体制造，涉及生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造，用BM-Biomanufacturing表示。狭义定义为:主要指生物体制造，是运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，完成用以修复或替代人体病损组织和器官。从某种角度上讲，生物体制造也可视为是上世纪80年代出现的组织工（TissueEngineering）的拓展和延伸。
由于这批学者大多出身于传统制造业，先入为主如此定义生物制造或许是为了与传统的制造业区分而来。制造这个词本身含义比较宽泛，近乎等同于生产，若只把生物制造定义为生物体制造未免太过狭隘。笔者认为生物制造是一个计较宽泛的概念，等同于生物生产，指以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业，是以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式，主要表现为先进发酵工程、现代酶工程、生物炼制、生物过程工程等新技术的发明与应用，具有低碳循环、绿色清洁等典型特征。
1.1制造业定义的生物制造
制造业定义的生物制造与医学联系紧密，其哲学理念是任何复杂的生命现象都可以用物理、化学的理论和方法在人工条件下再现，组织和器官是可以人工制造的；生物体制造不是制造生命，它并不涉及生命起源的问题，而是用有活性的单元和有生命的单元去“组装”成具有实用功能的组织、器官和仿生产品。
生物制造工程生产的“零件”具有以下特性：（1）物理特性：材料组分和微结构在“零件”内部的三维几何空间上按照设计要求形成梯度分布，从而形成物理性能的梯度分布；（2）化学特性：由多种材料复合组成，不同的材料组分具有不同的表面特性和化学特性；（3）生物学特性：具有一定的生物学功能，并为细胞和组织的进一步生长提供条件；（4）时间特性：“零件”成形完成后的细胞/组织培养过程中，随时间推移，不同的细胞表达不同的基因，“零件”的组成和功能随之改变；（5）个体化制造：针对单个不同用户生产，不仅是外形尺寸的个体化，其细胞组成也实现个体化，植入生物体内不引起免疫排斥反应。
1.2生物行业定义的生物制造
生物行业定义的生物制造，可根据使用对象和方式的不同分为使用生物（主要为微生物）本身或者酶蛋白催化合成化学品，如发酵工程和现代酶工程；使用生物质原料转化合成能源化学品与材料，如生物炼制。
2 生物炼制
生物炼制的概念主要是为了和石油炼制区别开来。首先是世界范围内石油资源的日益枯竭，其次是世界主要产油地中东地区的不稳定，对世界原油价格造成巨大的冲击，国际原油价格一路上涨。这对以石油为原料的石油化工行业造成了巨大的压力，同时以石油为原料的燃料对环境也造成了巨大污染，如温室气体排放等。

图1石油炼制化学品工艺[3]
在石油日益短缺的情况下，世界各国都开始寻求新的不以石油作为原料制备平台化合物的工艺路线，国际上开始出现了工业生物技术，即生物炼制的思路，生物炼制就是以可再生的生物质资源包括糖（如淀粉、纤维素和半纤维素等）、油脂和蛋白质等为原料，经过物理、化学、生物方法或这几种方法集成的方法加工成我们需要的化学品、功能材料和能源物质（如液体燃料）。生物炼制和石油炼制相比，具有以下特点：①原料可再生，不受石油资源枯竭的影响；②环境友好，没有净CO2增加，燃烧后产生的CO2可被植物光合作用所利用，生物炼制过程即传统的碳氢化合物（石油）经济模式向碳水化合物（糖）。由于生物资源的生物特别是微生物和酶的可处理性，生物炼制的核心技术是生物转化。
2.1 生物炼制的主要框架
和石油炼制类似，生物炼制以生物质（如淀粉、半纤维素、纤维素等）为原料，通过热化学、化学或生物方法等降解成为一些中间平台化合物，如生物基合成气、糖类（如葡萄糖、木糖等），然后经过生物或化学方法加工成为平台化合物，如乙醇、甘油、乳酸等。图2是生物质转化的主要途径[4]。

图2 生物炼制工艺
2.2 生物炼制的发展现状
工业生物技术，有时又称为白色生物技术（White Biotechnology）。生物技术是生物炼制的核心技术，目前已用于大宗化学品、生物材料和生物能源的生产。
（1）大宗化学品
丙烯酰胺生物合成工艺是日本三菱丽阳（Mit-subishi Rayon）公司首先开发成功的大宗化学品生物技术生产工艺，我国上海农药厂也开发了拥有自主知识产权的工艺。目前日本公司采用丙烯腈水解酶水解丙烯腈制备丙烯酰胺，产量可达10万t以上，我国先后有多个厂家采用上海农药厂的技术，目前产量也达到15万t左右。
（2）生物材料
美国Cargill公司采用发酵技术生产L-乳酸，然后生产聚乳酸（PLA），2004年产量已达到14万t，该产品可以用于普通的包装材料。美国DuPont公司和Tate&Lyle公司合作开发了采用基因工程菌生产1，3-丙二醇技术，于2006年将建成一个年产量为9万t的1，3-丙二醇生产装置。
（3）生物能源
燃料乙醇是目前最大的生物燃料，2002年全世界产量已达2 600万t，其中巴西产量最大，达870万t，美国其次，产量为570万t。2004年全世界生物柴油产量300万t，其中欧洲产量200万t。预计2010年全世界5.75%的石油液体燃料将由生物燃料代替，到2020年20%的燃料将由生物能源代替。
（4）药品和食品添加剂的生产
BASF公司的维生素B2生产工艺，用传统的化学法包括8步工艺，但通过采用生物发酵法后，只有一步工艺，总成本降低了40%，污染物排放量也降低了40%。荷兰DSM公司采用生物法生产头孢，传统的化学法需要10步合成，而采用生物方法仅需一步工艺，其中原材料消耗降低65%，总成本降低50%。
3 生物炼制的展望
生物炼制的核心技术是生物技术，除生物技术外还包括化学合成和化学工程技术。生物炼制的发展方向包括以下几个方面:
（1）代谢工程
如何构建新的代谢途径，使微生物能够适用粗放的原料如纤维素等，同时可以使代谢向产物方向移动。基因工程和代谢组学、蛋白质组学的发展对提高生物炼制的效率无疑具有重要推动作用。
（2）酶催化
高效的酶催化反应及新功能的生物催化剂是降低生物炼制成本的关键技术之一。目前高效低成本的纤维素酶是生物炼制过程中中间化合物糖类制备的关键酶之一。如果获得突破，对生物炼制中利用秸秆为原料将有重要意义。
（3）高效多联产
石油炼制的一个重要概念是将石油不同的组分吃干榨尽，因此在生物炼制的过程中必须采用类似的思路。
（4）高效分离纯化
化学工程单元操作对石油化工炼制产生了巨大的推动作用，同样对生物炼制也有重要意义。如何高效、低能耗地将生物基化学品从低浓度的发酵体系中分离纯化也是摆在我们面前的一个新难题。
参考文献
[1]颜永年, 熊卓, 张人佶, 等. 生物制造工程的原理与方法[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2005, 45(2): 145-150.
[2]颜永年, 刘海霞, 李生杰, 等. 生物制造工程的发展和趋势[J]. 中国科学基金, 2007, 2: 65-68.
[3]杨光启. 中国大百科全书:化工[M].北京:中国大百科全书出版社,1987:582.
[4]谭天伟, 王芳. 生物炼制发展现状及前景展望[J]. 现代化工, 2006, 26(4): 6-9.