生物化工发展前景_发展前景好的行业

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生物化工产业拥有广阔的发展前景

发布时间：2010-8-11 15:18:00 浏览数：

当前，由于煤炭、石油和天然气属于不可再生资源，使得能源紧张和环保保护的问题日益突出，我国经济的可持续发展受到限制。因此，迫切需要选择补充替代能源。而生物能源由于具有可再生、对环境污染小、分布范围较广和储量丰富的特点，备受人们关注。目前，生物能源居于世界能源消费总量的第四位，仅次于煤炭、石油和天然气，在整个能源系统中占有重要地位。

中投顾问化工行业研究员常轶智指出，随着人们对发展生物能源的重视，世界各国对生物化工产业的发展都十分重视，使得生物化工产业具有广阔的发展前景。目前，一些国家不仅成立了专门的研究组织，还制订了生物化工产业发展的中长期规划，在相关政策以及资金等方面都给予了支持。而且，世界上的许多大型的化工巨头生产企业，也都投入大量的人力物力进行生物化工技术的研究。例如，杜邦、陶氏化学、孟山都、拜耳等企业。

常轶智指出，由于人们对生物化工产业的发展的重视，目前生物技术以及生物化工产业的发展十分迅猛。例如，微生物法生产丙烯酰胺、已二酸、透明质酸、天门冬氨酸等产品的生产已具有一定的工业生产规模；纤维素制乙醇技术已开始应用；生物法生产高性能高分子、高性能膜、高性能液晶、生物可降解塑料等技术也在不断完善等。

而在我国，生物化工产业也得到了大力发展。据中投顾问发布的《2010-2015年中国生物技术产业投资分析及前景预测报告》显示，目前，我国柠檬酸的产量已居世界前列，工艺技术基本达到世界先进水平；赖氨酸和谷氨酸在生产工艺和产量方面也具有一定的优势；微生物法生产丙烯酰胺也实现了工业化生产，已形成生产规模；此外，在生物农药、食品工业等方面也都取得了一定的进展。

常轶智指出，由于生物化工产业的发展与传统化工相优势明显，目前国家对生物化工产业的发展十分重视，尤其是在生物化工技术方面，如生物技术下游国家重点实验室和国家生物化工研究开发中心的建设等，为我国生物化工产业提供了较好的技术支持。因此，常轶智认为，今后，随着国内生物技术水平的提高以及相关技术产业化进程的加快，我国生物化工产业的发展前景将十分广阔。

21世纪生物化工产业发展趋势及热点

摘 要 重点阐述了 21 世纪生物技术在化工领域中的应用现状、趋势及展望。生物技术产业将成为 21 世纪的主导

产业之一, 其中生物化工产业将成为重中之重, 其在解决资源与环境等重大问题中将发挥重要作用, 许多

这方面的问题有待依赖于生物化工技术得到解决。通过分析生物化工技术的应用状况、发展方向、发展趋

势和存在问题等, 特别是通过介绍目前有市场前景及技术基础的一些热点项目, 展望了今后我国生物化工

技术发展的美好未来。

关键词 21 世纪 生物化工产业 现状 趋势 热点项目 5.3 生物化工产品开发周期长、速度慢

生物化工技术蕴藏着巨大的潜力, 但从基础研

究、应用开发到成为商品的周期很长, 开发难度大, 短期内很难获得利润。因此, 生物技术在化工中的应 用开发要有一个充分认识、研究推广的过程。5.4 生物化工技术水平及装备水平还有待于进一 步提高

我国生物化工产业无论在产品品种、数量和技 术经济指标、装备水平上与国外相比存在很大的差 距, 特别是与美国、日本等发达国家相比。因此还需 不断跟踪国际先进技术, 努力发展我国自己的生物 化工产业。

5.5 缺少一支强大的生物化工技术企业队伍 经过几十年的努力, 我国目前已有一支相当规 模和较高水平的科研队伍, 但还没有形成一支像发 达国家那样强大的生物化工企业队伍。国外生物化 工产业发展主要依靠大的企业和公司, 以研究为基 础, 以生产为目的, 实现了科研生产的一条龙局面。5.6 研究力量分布不均衡, 企业参与研究开发的力 度不够

由于商业机密的原因, 发达国家生物化工的研 究主要是在生物技术公司中进行的, 这些公司有自 己的研究与发展力量。我国的情况不同, 研究力量大 多集中在研究所和高校, 再将成果推广到企业。5.7 产品为龙头的研发意识不够 应选择有重要应用价值的目标产品, 围绕产品

进行相关的研究。我国在生物技术上的投资很大, 但 目标产品分散。而生物化工研究也仅限于研究一些 通用的反应和分离过程, 而没有进入有重大应用价 值的产品研究中。

5.8 研发目的要以优化为主, 规模第二

和大规模的化工生产不同, 现代生物化工产品

生产规模一般都不大, 一根直径 0.6 m、高 0.3 m 的 离子交换层析柱往往就是大规模生产装置, 而一根 总体积不过 0.5 L的亲和层析柱所生产的某种蛋白 质就可以满足全世界的需要。

5.9 对生物化工产品的开发投资不够

我国政府十分重视生物化工产业的开发, 并投

入了一定的物力和财力支持发展。但是, 我国近年来 在生物化工领域的投入还很不够, 并且这些投入多 为科研投入, 主要依靠政府拨款, 渠道单一, 资金十 分有限。

5.10 税收优惠和金融措施方面有待改善

目前, 我国对生物技术企业在税收方面执行较

好的在高新区内企业可减为按 15%的税率征收所得 税, 新办的企业自投产年度起免征所得税两年, 但由 于生物技术企业在投产初期利润甚微, 故此条款给 企业带来的实际利益并不很大。我国生物化工产业发展应采取的对策

6.1 重视下游开发和上下游的结合, 优先发展支撑 技术体系

上游是指菌种、细胞培养和发酵工艺, 下游是指 生物反应器、工艺条件、产物分离提纯设备和技术 等。上游是基础, 下游是支撑, 关于上下游的研究开

发比例, 国外的比例是 1∶ 4, 而我国是 4∶ 1, 这是极不 协调的。

6.2 发展生物化工产品要以市场为导向

在选择发展方向时, 要切合实际地选择基础条

件好、技术条件成熟、有市场及产业化前景的项目。生物化工有时并不像人们所期望的那样能在短期内 带来巨大的经济效益, 具有一定的风险性。要紧紧抓 住市场这条主线, 了解市场容量, 积极开发市场。6.3 重视技术资金投入及企业在生物化工产业发 展中所起的作用

从我国目前的国力看, 仅靠国家投入是远远不

够的, 要号召企业也要增加对科研和生产的投入, 从 国外技术发展与进步来看, 科技投入的主体在企业, 而不在政府, 要充分发挥大企业在人才、管理、投入 等方面的优势。6.4 加强对生物化工产业宏观管理和行业指导 应从整个生物化工行业角度考虑问题, 在充分

调查研究的基础上, 充实现有的行业组织, 不失时机 地组建相应的组织, 并以此加强行业管理。

6.5 加强生物化工企业队伍建设, 加速人才培养, 建立高效生物化工开发体系

我国目前生物化工产业力量较薄弱, 原因在于

缺少一支强大的专门从事生物化工技术开发生产的 科技企业队伍, 成果或产品开发仍分散在各研究机 构。因此, 必须对科技人员实行合理分流, 实现社会 化的研究、开发、生产、销售一体化。

6.6 制定促进生物化工产业顺利发展的政策和发 展战略

生物化工产业的发展, 必须有完整的政策作保

证, 创造良好的环境与机制, 制定有利于提高竞争力 的规划。要充分考虑生化工程的高风险性、高投资率 和高技术性, 制定高起点的中长期发展战略。6.7 开展与国外的科技合作与交流

加强国际合作, 引进适当的先进技术, 吸收国外 先进的经验, 注重人才及必要仪器设备的引进, 组织 国内消化吸收, 以便早日达到或超过世界先进水 平。

6.8 建立合理的资金投入和融资方式

完善科技投资体系, 形成 “政府投入为引导、企

业投入为主体、金融借贷为支撑、社会集资作补充” 的多元化投入。

6.9 扩大经济规模, 提高竞争力

要鼓励建设大型的生物化工企业集团公司, 使

之集科研、开发、生产、销售于一体。尤其要培育一批 科技创新型企业。从整体上优化我国生物化工的产 业结构。

6.10 加强知识产权保护

长期以来, 我国对生化领域的知识产权保护不

够, 挫伤了科研开发人员的积极性, 造成大量人才外 流。加强知识产权保护, 不仅能够激励国内科研开发 人员, 而且能够吸收一大批科研人员回国发展, 从而 加快我国生物化工产业的发展。7 目前一些生物化工热点项目介绍

生物化工产业是一个新兴的领域, 目前受到广

泛的关注。想上这方面项目的单位很多, 直接面临的 问题是如何选择一个最适合的项目。最关键的是把 握技术的成熟性和市场的可行性, 市场是主导。这一 切都是在变化的, 没有绝对的可行与不可行, 要根据 各自的情况来选择。下面介绍一些近期较受关注的 热点项目供大家参考, 其中有些是成熟技术, 有些项 目是研发方向。

7.1 发酵法生产 L-乳酸及聚乳酸技术

乳酸是一个有巨大潜力的产品, 未来的发展机 会在于其作为原料大规模地应用于如下四个方面: 可生物降解塑料、氧化化学品、绿色化学品和溶剂以 及植物生长调节剂等, 预计作为这些应用的乳酸需 求量将超过 200 万 t/a。我国发酵法 L-乳酸的主要 科研单位: 江苏省工业微生物研究所、天津市工业微 生物研究所、江南大学、上海工业微生物研究所等。美国 Cargill 公司已对聚乳酸的物理化学性质及 加工性能进行了大量研究, 还与国际上许多大公司 签约共同进行应用研究及市场开发。我国浙江海正 集团、天津大学等多家单位对此展开研究, 但由于乳 酸在转化成乳酸聚合物方面存在着许多技术上的困 难, 从而限制了乳酸的聚合应用。建议今后应从应用 代谢工程技术定向选育高产菌、合理控制乳酸产品 的构型、降低乳酸生产原料的成本、研究乳酸聚合方 法等方面加速开发。7.2 聚天门冬氨酸技术

聚天门冬氨酸(PASP)是一种聚羧酸, 具有很好 的生物相容性及生物降解性, 这些特点可使 PASP 日用化学品在水处理、医药和农业等领域获得十分 广泛的应用。

(1)高吸水性树脂:国内外吸水树脂主要有聚丙

烯酸树脂、变性淀粉等,存在价格高、不可生物降解 等问题。日本三井、三菱化学及德国的 BASF 公司开 发可生物降解的聚天门冬氨酸吸水树脂。聚天门冬 氨酸和传统的聚丙烯酸酯相比, 具有以下优点:①吸 水倍数高, 最高可达 2 000 倍;②可生物降解;③聚 天门冬氨酸本身可以作为植物生长添加剂, 而且降 解产物天门冬氨酸可以作为营养成分, 因此可全部 得到利用。

(2)作为缓蚀剂、阻垢剂, 用于水处理, 处理锅 炉、水冷系统及炼油化工循环用水。

(3)作为农药、肥料, 既可促进植物生长, 又可 减少由于滥施肥料导致的地表水污染。

(4)作为分散剂, 可在颜料、涂料、无机化工和 油田化学等领域获得应用。

7.3 微生物合成聚羟基脂肪酸酯(P H A)高分子材 料

(1)PHA(生物可降解塑料): PHA 首先是作为 一种由微生物合成的性能类似于聚丙烯的可降解

“塑料” 而引起人们关注, 所以它的应用范围包括与 塑料有关的领域, 即可抛弃型的塑料用具, 如包装 膜、手袋、容器等。

(2)PHA在组织工程中的应用: 原则上 PHA 的各种物理化学和生物性能能够满足多种人体组织

器官的需求, 如: 心血管系统、胃肠系统、肾脏、泌尿 生殖系统、牙齿与口腔、皮肤等。

(3)HA(良好的手性化合): PHA作为微生物合 成的胞内生物聚合物, 其组成的单体都是具有手性 的, 在制药、化妆品等行业得以应用。

通过代谢工程策略, 人们将可以对 PHA的生产 菌株及非生产菌株在以下几个方面进行调控:① 加 强 PHA的合成能力;② 扩大可利用的底物的范围;③ 生产新型的 PHA。在不久的将来, 人们将可以按 照自己的意愿大量生产满足各种需要的、具有环境 相容性的聚酯-PHA。

7.4 微生物发酵生产长链二元酸

长链二元酸是制造高级香料、高性能尼龙工程

塑料、高档尼龙热熔胶、高温电解质、高级润滑油、高 级油漆和涂料、耐寒性增塑剂、树脂、医药和农药的 重要原料。

生产方法为植物油裂解制取、化工方法合成制 取、生物工程技术生产等。

据报道, 全世界每年以二元酸为基础原料生产

出来的各类产品, 总价值为 420 亿美元。用生物工程 技术生产长链二元酸将是未来长链二元酸的主要来

源, 它具有原料来源丰富(石油中的副产物—— —正构

烷烃)、条件温和、工艺简单、规模大、成本低、环境污 染少等优势, 具有极强的市场竞争力。

中科院微生物研究所 1998 年完成 20 t 罐装规

模的工业生产试验, 产量达到 200 g/L以上。1996 年 转让给山东淄博龙泉煤矿, 建成年产 300 t 二元酸生 产工厂。1999 年年底扩大到年产 1 000 t, 其产品远 销美国、欧洲和日本。2001 年上海凯赛生物技术公 司转让中科院微生物所发酵二元酸技术, 已建成一 个年产 5 000 t 的生产工厂。2001 年 10 月获杜邦科 技创新奖。

微生物发酵生产长链二元酸的成功研究和工业

化生产的实现, 开辟了长链二元酸的新来源, 将逐渐 形成产业链和产品树。国内权威专家提出创建中华 牌工程塑料, 并评价说: 用生物工程技术生产 DC 12, 经化工合成生产高性能的尼龙 1212, 这是我国 对国际工程塑料发展作出的重大贡献。7.5 两步发酵法生产 1, 3-丙二醇

用 1,3-丙二醇(PDO)可以替代 1,4-丁二醇和新 戊二醇等中间体用于生产聚酯。以 PDO与对苯二甲 酸(酯)合成的聚酯 PTT, 显示了比以 1,2-丙二醇、丁 二醇、乙二醇为单体合成的聚合物更优良的性能。

PTT具有良好的生物可降解性、耐污染性、尼龙的韧 性等。它还可用于制造性能优良的无纺布、膜工程塑 料、服装、织物等。PDO还可作为有机溶剂应用于油 墨、印染、涂料、润滑剂、抗冻剂等行业。国际上 Shell 和杜邦正在就 PTT的合成及下游

产品开发进行激烈的竞争, 只对客户销售 PTT, 严格 禁止任何客户购买它们的 PDO后用于 PTT合成。德 国国家生物技术研究中心(GBF)、美国 Dupont 等投 入大量人力物力研究 PDO的发酵生产技术。我国清 华大学、抚顺石化研究院等单位开展生物发酵法生 产 PDO的研究, 研究水平特别是中试水平已赶上甚 至超过国际先进水平。

据预测, 我国近年的 PDO的需求在每年 2.5 万~ 3 万吨, 长远需求将超过 10 万 t/a, 而国际市场需求 量更加巨大。PTT主要制约因素在于 PDO价格偏高 及 Shell 和 Dupont 公司对我国实施 PDO 技术和产 品封锁。显然, 该项目开发成功, 形成自主知识产权, 将产生巨大的经济和社会效益。7.6 微生物催化法生产丙烯酸

丙烯酸主要用于高吸水性树脂和丙烯酸丁酯两

大品种。特种丙烯酸酯类处于高速发展期, 近年来年 均需求增速高达 8%～ 10%。上海生物化学工程研究 中心在继成功开发了微生物催化法生产丙烯酰胺的 基础上, 开发了微生物催化法生产丙烯酸的产业技 术。利用生物催化剂来催化水解丙烯腈生成丙烯酸, 具有生产工艺简单, 产品质量高和环境污染少等优 点。

技术经济指标: 发酵单位为 10 000μ g/mL · h;AN 转化率≥92%;AA收率≥90%;AN单耗≤0.84 t/t。此 技术关键取决于丙烯酸的成本与售价。7.7 发酵法生产透明质酸

透明质酸(HA)是一种高分子粘多糖, 其分子量 在几十万到几百万之间。透明质酸亲和吸附的水分 约为其本身重量的 1 000 倍, 因而透明质酸是理想的保水剂, 有时又将其称为 “天然保湿因子” , 用于化 妆品。目前国际上添加 HA的化妆品已从最初的膏

霜、乳液、化妆品扩展到面乳、浴液、洗发护发用品 中。用于现代眼科手术: 如用于眼球晶体移植手术、隐形眼镜的保湿剂、视网膜剥离手术及抗青光眼手 术等。用于抗癌药物: HA可有效刺激免疫系统, 阻 止癌细胞扩散。北京化工大学在 1998 年实现了发酵法生产

HA工业化, 并将HA成功地应用于其生产的各种化 妆品和医药中。采用诱变得到了透明质酸高产菌, 发 酵水平达 4~6.5 g/L, 提取收率高于 70%。采用发酵 罐串联发酵使 HA产量大大增加, 其原料为易得淀 粉等糖类, 在山东已建立发酵法 HA生产装置。7.8 发酵法生产天然 β-胡萝卜素

天然 β胡萝卜素广泛存在于动植物中, 但动物和人 体不能合成 β-胡萝卜素, 必须从外界摄入。全世界 β-胡萝卜素的年需求量在 1 000 t 左右, 生产方法分 为植物提取法和发酵法两种。其中发酵法生产不受 环境条件等限制, 是发展方向。在纽约市场上合成 β聚赖氨酸是一种天然的微生物代谢产物, 具 有特殊广谱抗菌作用, 在中性和偏酸性条件下对革

兰氏阳性和阴性菌、酵母、真菌、病毒等有抑制作用。ε-聚赖氨酸主要用于面点类、调味品、饮料、海 产品等食品的防腐保鲜。此外, 还广泛应用于医学和 医药制造领域, 如用于药物缓释胶囊的包被膜、基因 治疗的载体等。

抗菌性强、安全无毒、水溶性好、热稳定性高的 天然食品防腐剂必将成为食品防腐的主角。ε-聚赖 氨酸的微生物发酵在日本已实现工业化, 年销售量

为 1 000 t。但在国内还处于实验室研究阶段。目前日 本市场上的售价为 2 万日元/公斤(折合人民币约 1 500 元/公斤)。

7.11 发酵法生产谷胱甘肽

谷胱甘肽(GSH)在医学、食品及化妆品方面有 着广泛用途。

医学方面:(1)抗自由基;(2)解除外源有毒物 质;(3)促进细胞合成蛋白质等。

食品方面: 作为功能性食品添加剂、保鲜剂、抗 氧化剂等。

化妆品: 可以增白, 同时清除氧自由基。

全世界产量在 150 t 左右。国内需求 10 t/a。3 5 年内需求量 100 t/a。国内目前主要依靠进口, 试剂 级 46 000 元/公斤;药用 9 000 元/公斤。2001 年 已 进口食品级 GSH 5 t、药用 300 公斤。

北京化工大学自 1999 年开始研究发酵法生产

谷胱甘肽, 目前承担国家 863 项目 “发酵法生产谷 胱甘肽”。已选育得到了谷胱甘肽高产菌株。特别是 采用先进的酵母发酵技术, 谷胱甘肽发酵水平达到000 mg/L。开发了谷胱甘肽分离纯化工艺, 提取率达 76%, GSH 含量在 98%以上。7.12 发酵法生产丙酮酸

丙酮酸在医药方面, 可以合成治疗高血压新药

镇静剂、消炎镇痛药等;在日化方面可美白皮肤, 可 作为空气清新剂;作为饲料和食品添加剂, 具有很好 的防腐保鲜功能;在农用化学品方面是乙烯聚合物 的起始剂、制备谷物保护剂的原料;也可用作生物技 术诊断试剂、检测试剂等。

丙酮酸近年来国内外市场需求增长极其迅速

国际市场一直比较紧俏, 价格居高不下。我国目前丙 酮酸系列产品主要以出口为主, 尤其是作为减肥药 原料发展很有前途。随着其工艺技术的不断完善, 生 产成本下降空间较大, 因此丙酮酸发展前景十分广 阔。

江南大学生物工程学院系统地研究了葡萄糖发 酵生产丙酮酸的技术工艺, 使丙酮酸的产酸率达到

7.7%, 糖转化率 0.7 g/g, 发酵液中丙酮酸含量 72.8 g/L, 提取收率 95%, 产品纯度 99.8%, 已经达到国外先进 水平并已完成了 300 L的中试研究。7.13 发酵法生产衣康酸

衣康酸是一种不饱和二元酸, 它的化学性质十

分活泼, 可以自聚, 也可以和同数目的单体共聚, 是 聚合物生产中一种重要的中间体。广泛用于合成树

脂、合成纤维、橡胶、离子交换树脂、表面活性剂、锅 炉除垢剂、润滑油添加剂、无毒包装材料、除草剂、胶 粘剂等领域。

2000 年全球衣康酸的产量约为 3 万 t, 而需求

量约为 4 万 t。2000 年中国衣康酸正常运营的企业 有 10 家, 装置生产能力达 1.99 万 t, 产量 5 000 万 t, 成为世界上继美国、日本、俄罗斯之后的第四大衣康 酸生产国。

当今国际上衣康酸生产均采用微生物发酵法。

在 70 年代, 上海溶剂厂就以自己研究的菌种和工艺 技术独家生产过衣康酸, 90 年代, 山东省食品发酵 工业研究设计院、无锡轻工大学(现名江南大学)等 单位相继研究开发了衣康酸生产技术。7.14 抗癌新秀—— —番茄红素的发酵生产 番茄红素是一种日益受到重视的植物化学品, 作为一种无毒、具有很强的抗氧化、防癌、抗癌、清除 体内有毒物质和活化免疫细胞的天然营养色素, 广

泛用于医药、食品、饮料、保健和高级化妆品等行业。被誉为 21 世纪营养保健品的新宠。

利用微生物是生产天然番茄红素的最重要的途 径。江苏省微生物研究所开发了发酵法生产天然番 茄红素项目, 该技术为国内首创, 处于国际领先水 平, 具备了工业化生产的条件。技术指标: 发酵水平 为每升发酵液产番茄红素 1.2 g, 提取收率达到 60%。

7.15 发酵法生产结冷胶

结冷胶是美国 Kelco公司 80 年代继黄原胶之后 开发的食品微生物多糖之一, 某些特性优于黄原胶, 美国 FDA 和欧洲等国家都批准了结冷胶在食品中 的应用。中国 1996 年也批准了结冷胶作为食品添加 剂在食品中的应用。

由于结冷胶可以在极低的用量下产生凝胶, 在0.25%的使用量上就可以达到琼脂 1.5%的使用量和 卡拉胶 1%的使用量的凝胶强度, 现已逐步代替琼 脂和卡拉胶在工业上的应用。结冷胶生产成本仅比 黄原胶略高一些, 而销售价是黄原胶的两倍以上, 有 极高的商业利润和市场前景。

预测中国近年需求量能达到 2 000 t 以上。而目 前仅有美国 Kelco公司有年产 5 000 t 的工厂。对于

中国这样一个大国, 就其在冷冻制品、果冻、布丁、凉 粉等各类食品中的应用足以支持年产 500~1 000 t 的结冷胶工厂。