可持续发展的支柱——工业生物技术(3)

（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。 (责任编辑：泉水)

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