生化分析论文(生物化学工程研究前沿及生物技术产业化).doc

生化分析技术论文生物化学工程研究前沿及生物技术产业化 学 院： 专 业： 年 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： 生物化学工程研究前沿及生物技术产业化摘要：生物技术是解决全球性经济问题的关键, 生化工程是一个多学科交叉领域, 其任务就是把生物技术转化为生产力。今后10 20 年, 生化工程研究与开发主要涉及如下3 方面: (l ) 生物高技术医药产品; (2 ) 生产小分子及专门生物产品; (3 ) 环境，生化工程研究主要前沿领域包括: ( l) 生物大分子结构模拟及蛋白质药物工程设计; (2 ) 基因工程菌发酵战略及过程动力学模拟; (3 ) 生物反应器中分子、遗传、代谢、细胞功能与调节的研究; ( 4) 生物产品最优分离和纯化方法研究; (5 ) 生物反应、分离过程检测、控制、系统分析及上下游集成的研究。本文还对美国、欧洲、日本及中国生物技术产业化情况进行了分析比较, 就加快我国生物技术产业化及有关生化工程教育及培训基地建设提出了建议。关键词：生化工程, 生物加工工程, 研究前沿, 产业化1 生物技术的影响生物技术( B i o t e e h n o l o g y ) 是利用生物体或生命系统生产对人类有用产品的高级应用技术体系, 利用其可能动地对生物进行人工创造设计、定向改造生物、加工生物材料和利用生命过程。生物术是解决全球性经济间题的关键技术, 可广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品、化工和能源等领域,可促进传统产业的改造及新兴产业的形成, 对人类社会产生深远的革命性影响。预计到2 0 00 年,世界生物高技术产业产品年销售额将达到1 0 0 0 亿美元, 仅欧洲生物高技术产业就可提供2 0 万个就业机会。由此可见生物技术的经济潜力极大, 它的发展水平已成为一个国家科技实力的象征, 因此生物技术已成为当今世界高科技竞争的一个重要焦点, 每个国家都在采取战略措施力图使自己在21 世纪处于强有力的竞争地位。以美国为例, 在认识到生物技术对社会的深远影响以及在这种全球性经济迅速增长过程中美国经济脆弱的地位后, 美国联邦科学、工程和技术协会( F c c s E T ) 特别选择了生物技术研究作为1 9 94 年总统行政办公室向国会呈交的财政预算增补报告。该报告实际上是美国生物技术研究的10 年规划( 1 9 9 5 2 0 0 5 ) , 称之为“ 联邦生物技术纲要” 。林锦湖等把该纲要所体现的战略思想高度概括为: ( 1) 发展新阶段: 现代生物技术; (2 ) 战略意义: 人类生存牧关的生物技术, 21世纪全球性新兴生物工业; ( 3) 战略目标: 21世纪生物技术的领导地位, 迎接21 世纪的挑战, (4) 发展战略: 基础研究广泛深入, 应甲领域重点突破, 协调各政府机构、学术界及企业界之间的关系, 加速实现产业化; (5 ) 战略联盟: 与大企业联合发展是生物技术产业化的趋势。2 .生物化学工程的作用生物化学工程( B io e h e m ie a l E n g i n e e r in g )或生物加工工程( Bi o p r o e e s s E n g i n e e r i n g ) 是一个多学科交叉的领域,它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。生物加工工程的任务是把生命科学的发现转为实际的产品、过程或系统, 以满足社会需要。生物加工工程在生物技术产业化中起着决定性作用。在过去20 年生物技术发展初期, 由于仅以小规模生产第一代生物技术产品而把生产成本放在次要位置, 所以生物加工工程的重要作用并没有被充分认识, 这一点在中国的生物技术产业发展中表现尤为突出。目前随着生命科学的迅速发展, 越来越多的生物高技术产品需要用经济高效的生物加工技术进行工业规模生产, 从而才能在产品质量高、成本低的激烈竞争中立于不败之地。美欧等发达国家预测今后1 0 年生物高技术产业将增长10 20 倍, 而生物加工工程的研究开发仅以75 % 的速度增长,显然不能满足生物技术产业发展的需要,因此必须从战略高度加快生物加工工程的研究与开发。美国为了保持其在世界生物工业中的竞争地位, 于1 9 9 2 年由麻省理工学院、普渡大学、宾州大学、加州大学、哈佛大学及生物产业界的13 位著名生物化学工程专家组成“生物加工工程” 专家委员会, 在调研的基础上召开5 次讨论会, 向美国政府提出战略研究报告“ P u t t i n g B io t e e h n o l o g y t o Wo r k B io p r o -c e s s E n g in e e r i n g , 并由美国国家科学院正式出版, 该报告明确提出生物加工工程是生物技术产业化的关键。欧盟也于1 9 9 2 年进行了生物技术产业化的战略研究, 并在1 9 9 5 年开始执行的欧盟第4 个框架研究项目中得到落实, 大力进行生物化学工程的研究开发川。沈忠耀圈曾详细论述了生物化学工程是生物技术产业化的保证。3 .美、日、欧与中国的生物加工工程及生物技术产业的比较美国生物加工委员会的战略报告认为,美国在参与日益扩大的生物产品市场竞争中必须有世界一流的生物加工工程。美国在全球竞争中的地位与日本、欧洲相比表明,美国在其基础医学及生物技术的生命科学基础方面将继续处于世界先进水平; 日本在应用微生物及生物催化剂方面领先于世界水平, 而且与政府、企业及学术界之间在生物技术及生物加工工程方面有着很有成效的合作关系; 欧洲在应用生物催化剂方面与日本展开全面竞赛, 而且正在工业界与学术界之间建立一个强有力的、政府支持的生物加工技术转移机制。据此, 该委员会建议美国政府立即采取行动并提供特别鼓励措施建立国家生物加工工程研究、开发和技术转移项目, 迅速把科学发现转化为可市场化的产品和过程; 促进交叉学科研究和教育, 由此促进重要生物加工问题的创新性的多学科解决;提供不断增加的生物加工工程师队伍以满足日益增长的生物技术工业需要。基于上述建议, 从1 9 9 2 年以来, 美国的生物加工工程及生物技术产业得到迅速发展。5 . M . E d g i n g t o n称1 9 9 5 年是执行上述战略以来最鼓舞人心的一年。徐庆毅仁在其长篇文章中对我国生物技术的发展进行了回顾与展望。J . E . Fl im 等详细分析了中国传统发酵工业及现代生物技术产业的成绩、问题及前景, 尚属首次。他们认为仅仅几年内,中国在全球生物工业产品市场上已成为一个显著的因素。但我们应清醒看到,我国的生物技术产业还相当薄弱, 而且我国的生物加工工程正面临着改造传统生物产业与新建生物高新技术产业的双重任务,生物加工工程的研究开发必须加强。但从文献列出的我国已建成的30 个生物技术国家重点实验室中, 仅有2 个( 生化工程重点实验室、生物反应器重点实验室) 主要涉及生物加工工程, 这显然是不够的。这集中表现在我国生物技术产业化能力低、周期长, 应采取切实措施予以解决。4 .生物技术产品及生物加工工程研究前沿今后10 年内,生物加工工程研究与开发主要涉及以下3 方面。( l) 生物高技术医药产品研究开发创新性的生物加工技术以提高药物的质量、纯度、收率、过程安全性并可降低成本。第二代生物技术医药产品需要大规模生产, 因而放大技术至关重要。( 2) 生产小分子及专门生物产品用生物加工技术通过大规模过程集成, 使农业、林业及其他可再生资源得以充分利用。该领域涉及食品、饲料、农药、保健品、食品添加剂、液体及气体燃料、空间生命支持系统等。( 3) 环境用洁净的生物加工工艺可取代传统的有污染的生产工艺, 通过环境生物技术可以消除污染, 用生物修复技术使被污染的土地复原。4 . 1 生物医药(l ) 研究前沿由重组微生物生产蛋白质; 包涵体; 哺乳动物宿主系统乡异源基因表达的其他宿主; 分离一与纯化; 蛋白质工程; 聚合酶链反应; 糖生物学; 代谢工程; 单抗与抗体工程; 转基因动物; 产品制剂。(2 ) 需研究开发的关键技术( a) 生物及生化工具开发原核及真核细胞异源蛋白的表达修饰及分泌工具; 在活体内通过蛋白质工程进行蛋白质1多饰。(b ) 上游加工技术开发改进了的装置及程序以筛选新蛋白质或其他有生物活性的化合物; 开发能够改进蛋白质和细胞在动态气一液界面上稳定性的技术; 开发在线分析技术以便能定性定量分析重组蛋白; 设计无菌、低剪切、大规模循环反应器; 开发搅拌釜和气提反应器的放大模型,应考虑到从动力学到传递限制等对放大的影响。(c ) 下游加工技术开发高效低成本蛋白质纯化技术; 改进基于分子大小的蛋白质分离技术; 开发迅速的在线或离线分析技术以能在百万分之一级水平上评价污染的宿主蛋白和D N A 、产品蛋白质的变化及相对生物活性; 迅速监控、在线生物专一性产品的检测及多步纯化程序的集成以开发自动纯化系统。(d) 其他技术蛋白质药物稳定的液体制剂等。4 . 2 专用生物产品和工业化学产品( 1) 研究前沿酶技术和专用生物产品;生物农药; 微海藻及新化学产品; 植物细胞培养。(2 ) 需研究开发的关键技术这类产品的销售价格一般小于生产成本的3 倍,而高附加值产品销售价为其生产成本的10 一12 倍。所以开发规模大、成本低、产业化快的生物加工技术是很重要的。5.促进产学研结合,加快生物技术产业化步伐生物技术产业化一般须解决如下问题:(l) 科学、技术和工程中的“ 瓶颈” 问题;(2) 限制性因素,如研究与开发、生产、市场开拓; (3) 管理调控, 如风险评价、调控政策、人力、物力及财力资源、公众接收程度;(4) 知识产权; (5) 竞争能力。要正确处理学科建设、科研选题与产业导向的关系。其中很重要的是产学研相结合, 完善科技投资体系,形成“ 政府投入为引导、企业投人为主体、金融借贷为支撑、社会集资作补充”的多元化投入。在产学研结合中, 从生物产业方面来看,应当大力提倡生产企业与科研单位及大学之间建立战略联盟。企业应加大科技投资力度, 诚心诚意靠科学技术推动生物技术产业化。而从学校方面, 必须充分认识到生物化学工程学科发展的动力来自两方面: 生产实践的需求驱动和学科前沿的学术带动。当代科技发展的趋势以及国家经济建设的战略任务要求我们更加重视学科建设的应用任务导向。此外, 科技人员还必须认识到, 生物技术产业化是个很复杂的过程, 除了前期实验研究外,进一步的开发研究、中试放大研究、工业规模生产、市场开拓及产品销售等都需要投入很多的人力、物力与财力, 并时刻承受着商业风险。科技人员要正确处理与企业的关系, 大胆走向社会, 广泛的开展产学研合作, 真正为科教兴国办实事, 才能加快生物技术产业化步伐。