生化生产工艺学(第二版)

第1章 绪论 生命科学的发展和生物技术的进步使人类能够识别、理解、操作、改进和控制生命体，将为人类社会发展提供新的手段。从20世纪80年代起，生物技术开始从实验室研究逐步走向产业化，一个新兴的高技术产业由此诞生。生物技术被认为是带动21世纪经济发展的关键技术之一，在化工、医药卫生、农林牧渔、轻工食品、生物安全、能源和环境等领域都将发挥重要作用，促进了传统产业的改造和新兴产业的形成，在保障粮食安全、促进经济结构调整、提高健康水平、改善生态环境、缓解能源短缺压力、保障国家安全中显现出巨大潜力，对人类社会产生深远的影响。生命科学和生物技术持续性发展正在加速新的科技革命形成，由其引领的生物经济驱动着全球经济社会结构的加速调整和重组，一批新兴产业群正在孕育之中，生物技术及其产业发展引起了越来越多的政治家、科学家和企业家的广泛关注，在可以预见的未来，生物技术及其产业将发展成为21世纪的主导产业之一。 生物技术的产生和发展涉及许多学科，包括生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、微生物学、动物学、植物学、化学和化学工程学、应用物理学和电子学及数学和计算机科学等基础和应用基础学科。可以说生物技术是在分子生物学和细胞生物学基础上结合现代工程学的方法和原理而发展起来的一门综合性科学技术。新一代的生物技术虽脱胎于原始的、传统的生物类生产技术，但它们之间在内容和手段上均有质的区别。生物技术能够带来的好处是十分巨大的，正在或即将使人们的某些梦想和希望变为现实。当前，生物技术已在医药和化工等领域中崭露头角，一批生物工程药物，如人生长激素、胰岛素、干扰素和各类细胞生长因子与调节因子等已陆续投放市场，为人类生活提供了多方面的便利，渗透到了生活的各个方面，可解决当前人类面临的人口、资源和环境等一系列可持续发展问题。 1.1 国内外生物技术及其产业的发展现状 随着分子生物学的突破而诞生的基因操作技术、细胞融合技术等赋予了生物技术新的生命力，引起了科技界和企业界的高度重视和巨额投入。近十年来，全球现代生物产业的销售额年增长率一直保持在30%左右，是世界经济年增长率的10倍。从世界范围的发展情况来看，生物技术已成为发达国家科技竞争的热点，美国、日本、欧洲等主要的发达国家和地区竞相开展生物技术的研究和开发工作，各国纷纷建立了独立的政府机构，成立了一系列的生物技术研究组织，并制定了2010年或2020年的中长期发展规划，在政策、资金上给予大量的支持。同时这些国家的企业界也纷纷投入巨资进行生物技术的开发研究，并取得了一系列重大成果，从而促使生物技术产业化得到迅速发展，开发成功了诸如促红细胞生成素（EPO）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）等一批基因工程药物，占领了世界市场，取得了巨大的经济效益，使得这些国家在世界生物技术产业化方面占有绝对的优势，生物产业已经成为这些国家的新的经济增长点。美国商业部2003年公布的调查报告表明，2001年美国生物技术相关产业总产值到5670亿美元，获得利润1005亿美元。据国际农业生物技术应用服务机构的统计，2003年全球18个国家种植转基因植物，种植面积已经达到6.77X107hm2，2004年为8.10X107hm2。美国生物技术产业协会的报告称，人类已经能生产针对200多种疾病的500多种生物药物，全球有3.25亿人受益于生物技术。基于这些成就，美国、加拿大、日本和欧洲等发达国家和地区高度重视生物技术的发展，纷纷提出加速发展生物技术，抢占生物技术及产业发展制高点。美国布什政府将生物与医药产业作为新的经济增长点予以重点支持，2000年至2004年美国对生物医药研究和开发的投入高达1000多亿美元，其中2003年生物技术研究开发经费高达380多亿美元，数额仅次于军事科学的投资额。欧盟国家已经开始整合科研资源，以期在生物技术领域与美国抗衡。英国政府的目标是确保在生命科学领域继续保持世界领先地位，保持生物技术位于世界第二的水平。法国政府2001年对生物技术的研究和开发投入2.15亿法郎，同时正式公布02002年生物技术发展计划，决定由国家直接拨款1亿欧元进行研究、开发和创办新的现代化生物企业，使生物工程技术部门成为法国新的经济和就业增长点。德国政府为了推动生物技术基础研究、产品研发和产业经济的发展，出台了一系列资助计划，将基础创新、平台技术、可持续生物制品生产技术和现代食品制造方法作为重点发展领域。日本政府提出“生物产业立国”的策略，成立了“生物技术战略会议”，于2002年底颁布了“生物技术战略大纲”，力争继汽车、信息产业之后，把生物技术产业培育成国家骨干产业，2006年生物技术的研究经费已经达到2万亿日元，占政府全部科研经费预算的50左右。韩国、新加坡、印度、泰国等也纷纷图谋在亚洲乃至世界生物技术和产业发展中的主导地位。韩国政府意志强大、选择重点明确，已经在干细胞研究领域取得领头羊的地位。新加坡政府制定了“五年跻身生物技术**行列”计划，成立了跨部门的“生物科学部长委员会”。印度立志成为生物技术大国，并于1993年成立了世界上**个“生物技术部”，以推动国家生物产业的发展。泰国政府也于2003年相继成立“国家生物技术委员会”和“国家高级生命科学研究中”。全球生物技术已经形成以下的基本格局：美国占据绝对优势，拥有世界上约一半的生物技术公司和一半的生物技术专利，约占全球研究和开发投入的70和盈利的70%；欧洲和日本属于第二层次，各国都在调动资源积极建立强大的生物技术基础研究基地，欧洲约占全球研究和开发投入的25%和盈利的20%；第三层次是古巴、韩国、印度和中国等。 我国是*早利用生物技术的国家之一。*近十年来传统生物技术得到了迅速发展，在继续保持传统生物技术产业优势的同时，现代生物技术产业也正在迅速崛起，已经成为世界发酵产品市场的重要竞争者，多种发酵产品的生产和出口剧增，柠檬酸的生产工艺和技术已进入世界先进行列，产量居世界首位；我国谷氨酸和赖氨酸的生产工艺水平和技术、产量也已有一定的优势，疫苗、青霉素、维生素C、味精、啤酒、氨基酸等传统生物技术产品的产量和消费量均居世界首位。与此同时，现代生物技术的研究和开发也取得了丰硕的成果：我国首创的两系杂交水稻已推广1.33X105hm2，平均单产提高10%以上；植物转基因技术获得成功，到2004年我国转基因抗虫棉的种植面积达到3.70X106hm2，转基因植物种植面积居世界第四位；重组联合共生固氮菌、防病工程菌开始大面积田间实验；试管牛羊、转基因鱼已进入中试，动物生物反应器取得了可喜进展；已有4种基因工程药物获准投放市场；抗体工程已取得多项成果并开始在临床上应用；基因治疗达到了国际水平；人胰岛素、人尿激酶素、葡萄糖异构酶、凝乳酶的蛋白质工程已达世界水平，全球销售量前10位的生物技术药物有8种已经在国内生产。据统计，我国发展生物技术和生物产业已经有很好的基础，整体发展水平已经进入发展中国家的领先行列，其发展已经由技术积累阶段进入边研究边产业化的新阶段，2004年生物技术产业的年产值已经达到3600亿元。截止到2003年，全国生物企业有7300多家。但从总体上看，无论是对传统生物技术产业的改造或是对现代生物技术产业的研究开发及产业化，均处于起步阶段，与发达国家相比还存在很大的差距，这些差距主要表现在创新能力偏弱、仿多创少；产业化程度低、企业缺少国际竞争力；投入不足、缺少有效的资本融通渠道；宏观统筹和协调力度不够、资源利用率低等方面。 为了参与世界范围内的生物技术产业化竞争并占有一席之地，我国也多次制定了相关的生物技术和产业化政策，目的是提升我国生物技术产业自主创新能力，加速生物技术及产业化发展，大力加强研究开发，积极推进产业化，促进经济持续发展，力争通过10!15年的努力，实现生物技术的跨越发展，推进新的科技革命，使生物产业成为国民经济支柱产业之一，大幅度加速经济发展，大幅度提高人民健康水平并改善生态环境。我国实现生物技术强国、生物产业大国的目标将实行0三步走0战略：**步为技术积累阶段，力争在2010年发表论文数量和专利数量进入世界前6位，生物产业总产值达到8000亿元；第二步为产业崛起阶段，力争2015年论文和专利总数均进入世界前3或前4位，农业生物产业进入世界前3或前4位，医药生物产业进入世界前6-8位，生物产业总产值力争达到15000亿元左右，生物技术研究和开发整体水平跻身世界先进行列；第三步为持续发展阶段，从2020年开始，生物技术研究开发和产业化整体达到世界先进国家水平，拥有自主知识产权的核心产业在产业发展中占据主导地位，成为世界生命科学和生物技术的**人才聚集中；和主要创新中心之一，生物产业总产值达到25000亿？30000亿元，成为国民经济的支柱产业之一。为达到这一目标，未来十五年，我国生物技术要重点发展基础研究、农业、医药、工业、环境、能源、海洋、资源开发、中医药及生物安全与反恐等十个重点领域，35类关键技术，主要任务有力争生命科学与生物技术基础研究取得重大突破；发展农业生物技术，推动第二次绿色革命；发展医药生物技术，进一步提高人均寿命；发展工业生物技术，推进0绿色制造业0发展能源生物技术，缓解能源短缺压力；发展环境生物技术，促进0循环经济0的发展；开发生物资源培育一批新的生物产业；发展海洋生物技术促进海洋经济发展；建立健全的生物安全保障体系；进一步发展中医药产业等。 1.2 生物技术的简要历史 生物技术的源流可以追溯到很久以前的酿造技术，我们可以沿着*初的城市文化发展轨迹，从文字或绘画艺术中找到早期历史上将含糖的果汁发酵成各种酒精饮料、通过乳酸和酵母发酵生产酸奶和发酵面团、使用动物粪便等将兽皮制成皮革等的记载。例如，公元前40世纪古埃及人就能用经过发酵的面团制作面包；公元前25世纪古巴尔干人就开始制作酸奶；公元前20世纪古埃及人已掌握用裸麦制作0啤酒0的技巧；公元前20世纪古亚述人已经会用葡萄酿酒；公元前17世纪古西班牙人曾用类似于目前细菌浸取铜矿的方法获取铜。在中国，我们的祖先在距今约4000年前的**个奴隶制的夏代初期就用黏高粱造酒；约4000年前已有用大豆制酱的记载；在距今3000年前的商代后期，人们发现了发霉的豆腐可以治疗外伤；约1000年前，人们已经开始用轻症天花患者的疸对健康人进行接种以防传染。这些原始的生物技术一直持续了4000多年。 显微镜的诞生为人类进一步了解和研究微生物创造了条件，但从列文 虎克用显微镜观察到微生物的存在到微生物学的确立却经历了近200年时间，直到1857年，微生物学之父巴斯德（Pasteur）明确提出酒精是酵母细胞生命活动的产物，并进一步在1863年指出所有的发酵都是微生物作用的结果，不同的微生物引起不同的发酵，从此揭示了微生物的发酵原理，为发酵技术的发展提供了理论基础，使得近代生物技术进入了一个初建时期。此间，1866年，巴斯德提出了一种防止葡萄酒变酸的巴斯德消毒法；1880年起，巴斯德对蚕病、鸡霍乱、牛羊炭疽病的病原菌进行了研究，并用减毒的病原菌制成了疫苗；1876年，Kuhne创造了0enzyme一词，目的是为了避免与0ferment一词混淆，意指在酵母中；1881年，已能采用微生物生产乳酸；1887年，Buechner兄弟用细砂研磨酵母细胞，压取出汁液，证明了不含酵母细胞的酵母提取液也能使糖发酵生成酒精，表明了酶的存在，促进了对各种与生命活动过程有关的酶系统的深入研究，因此于1907年获得了诺贝尔化学奖；1917年，匈牙利工程师KarlEreky提出了Biotechnology一词，用以表示利用生物将原材料转变为产品的过程；1926年，Sumner**个获得了脲酶的蛋白质结晶，并提出了酶是蛋白质的观点。此后，经过近200年的孕育，酶、抗生素的发现等领域取得突破，多人获得诺贝尔化学奖、生理学或医学奖，近代生物技术终于在19世纪40年代建立起来。在这一时期所生产的生化产品主要有乙醇、丙酮、丁醇、乳酸、葡萄糖酸、柠檬酸、甘油、酶制剂、疫苗、