工业生物技术：趋向过程集成优化

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和其他工业产品将来自工业生物技术。那颇具前景的工业生物技术发展方向和研发重点究竟何在？中国工程院院士、北京化工大学副校长谭天伟教授指出，过程强化和集成以及系统优化将是降低工业生物技术成本和减少排污的重要途径，基于多产物联产目标的全局调控将是未来的一个重要目标。


　　谭天伟介绍，我国在细胞工程、基因工程等工业生物技术上游领域与世界先进水平差距较小，但在工业生物技术的过程科学基础研究方面与国外有较大的差距，尤其是过程放大原理和方法。


　　“工业生物过程强化和集成以及系统优化已经成为降低成本和减少排污的重要发展方向。”谭天伟说，工业生物技术的成本与分离过程有关。将传统化工分离技术与生物产品分离技术有机结合已经得到了广泛应用。新分离工艺可以大幅度降低生产成本。例如在氨基酸生产中，采用离子交换层析方法取代传统的沉淀方法，可使产品收率由原来的不足70%提高到90%以上，而且产品质量也得到提高。


　　谭天伟认为，工业生物过程的结果不但取决于各个单元的效率,还取决于系统内各单元的相互作用，因此过程集成和优化是非常关键的技术。采用过程集成将多步过程集成在一步中进行可大大降低能耗，提高收率。如美国杰能科（Genencor）公司用玉米淀粉生产乙醇的工艺，将传统的两步法淀粉糖化工艺集成在一步中，能耗降低30%以上，大大提高了发酵效率。


　　谭天伟表示，相同的工业生物过程，操作条件不同，基本相同的投料量会得到完全不同的产量，有时会相差几十个百分点甚至数十倍，即工业生物过程存在系统优化问题。如美国ADM公司对玉米的综合利用进行了系统优化，除生产玉米淀粉外，还生产玉米油、胚芽蛋白和饲料，基本做到了将原料吃干榨尽。又如，国际著名的生物化学品公司DSM对原料的生物转化和分离及废物排放进行了系统优化，发现采用清液发酵生产大宗化学品最为合适。由于清液原料糖转化率高，而且后处理工艺简单，能耗可降低30%以上，废物产生量降低50%以上。


　　另外，基于多产物联产目标的全局调控也是未来工业生物技术发展的一大方向。谭天伟认为，传统的工业生物过程一方面能耗和物耗较高，各单元之间的物质和能量利用往往不能高效匹配；另一方面，微生物细胞自身的代谢和生理需求又决定了生物转化体系副产物多、原料利用率低及环境污染相对严重。随着微生物基因组学、细胞生理学、现代仪器分析技术和过程工程科学的快速发展及多学科交叉与融合，对整个工业生物过程进行全局设计与调控将成为可能。


　　因此，谭天伟认为，工业生物技术未来的研究重点之一将是对菌株的生产能力和环境耐受性进行调控，对高附加值的副产物进行多目标强化联产，实现生物炼制工艺，对各个反应/分离以及分离/分离单元进行单元内和单元间的设计、集成与全局优化，从细胞群、操作单元乃至生产过程上对工业生物技术进行全面突破与创新，最终实现工业生物过程的环境污染最小化、资源利用最大化和生产效益最大化的总体目标。