【生物化学工程】
拼译：biochemical engineering
生物工程已经取得飞速的发展。不论是对微观世界的认识，还是造福于人类都取得了巨大进步。生物工程是生物学、化学及工程学的有机结合，其中生物化学工程(简称生化工程)已发展成生物工程的重要组成部分。
生化工程的发展可以追溯到数千年前。发酵工业是与现代化学工业同步发展起来的。有机染料及化学工业对非水溶剂的需求日增，酿造技术及蒸馏技术的提高打开了用发酵法生产酒精的道路。第一次世界大战期间，发酵法生产丙酮是继酒精生产后取得的另一重大进步。工业设备的消毒灭菌作为生化工程重要作业也日渐成熟。如何把实验室的细胞培养转变成发酵生产，最典型的例子是青霉素。青霉素是1928年发现的，由于战争的需要到1940年就实现了工业化生产；早期产品质量极不稳定，主要是染菌造成的，以后消毒作业起了很大作用。发酵行业仍普遍采用的透平桨搅拌发酵罐就是在这一期间形成的。50年代已有人认识到生物与化工相结合的必要性。1959年，英国唐纳(Donald)、克鲁格(Crook)和美国盖顿(Gaden)创办了第1个生化工程杂志，即现今在美国出版的Biotechnology & Bioengineering。60年代初，分子生物学打开了人们的视野，重组基因已显示出诱人的前景，生物工程的概念逐渐形成。1963年，日本合叶修一联合美国汉弗莱(Humphrey)和澳大利亚麦利斯(Millis)在东京开设了第1个生化工程讲座，强调多学科的互相渗透及共同努力，并出版了第1本专著《生化工程学》。现已确认，生物生长及代谢过程同样遵循化学反应的有关规律及能量转换关系。微生物的生长既取决于内在的遗传性质，也依赖于外部环境条件。生化工程的任务，应保证微生物在最佳的环境条件下生长。生化工程包括生化反应工程学及产品后处理技术。生化反应工程学包括宏观反应动力学及生物系统的动量、质量及热量传递的研究以及生物反应器的设计与放大，环境条件的监测及最优控制策略等。多数情况下，细胞系在液体中悬浮培养，营养成分特别是氧的摄取则需经一连串质量传递过程。例如在液相悬浮培养中向细胞供氧要经过气相、气相边界膜、液相边界膜、液相主体及胞外液膜等一系列步骤，然后才进入胞内参与反应。研究结果表明，在这些步骤中，主要阻力在气液交界处的液膜一侧。因此，好氧发酵反应器的设计均应创造更大的气液界面积以减少氧传递过程的阻力。动物细胞及植物细胞因对剪应力极为敏感，而植物细胞又易成絮团，培养反应器中既要保证物料的混合、氧及营养物质的供应，又应避免使细胞受到伤害，因此需要特殊设计的反应器。产品后处理技术之所以重要，是因为生物产品在原始溶液中含量都很低，例如氨基酸只有1%～1．6%，工业酶为0．01%～1%，胰岛素为0．003%，而尿激酶只有1．3×10－5%；此外，还因为原始溶液成分复杂以及稳定性差，从而使后处理工艺在产品的成本构成中可达40%～80%。20世纪60年代以前生物制品的分离纯化基本上是套用化工单元操作。到70年代各国均大力开发新技术。目前，絮凝技术已用于强化菌体的分离，微滤膜也用于分离微小细胞(一般0．5～2μm)。在粗分离技术中细胞破碎包括球
、压力释放、冷冻加压释放等已发展成分离胞内产物的手段。而盐析、溶剂萃取、离子交换色谱及超滤膜已用于分离目的产物或进行浓缩富集。60年代合成了弱酸弱碱型离子交换树脂，从而使利用离子交换色谱对蛋白质及活性物质的纯化分离取得了较大进展。此外，针对生物制品的干燥技术如喷雾干燥、气流或流化床干燥及冷冻干燥也取得了长足的进步。生化工程的另一贡献是在生物医学方面。60年代初，人工肾的基础性研究在美国取得突破。这是由医学、材料科学及化学工程多学科研究人员共同努力的结果。化学工程师把流体力学、膜传递理论及界面物理化学应用于该系统的设计，并配制出适宜的具有流变性质的高分子溶液，研究出用于血液净化的透析器，经不断改进，到60年代已开始进入实用化阶段。今天半透析半过滤方法已成为肾病患者的标准治疗手段。人工肾的成功提供了制造肝、胰等其他较复杂人造器官的可能性。在医药方面，分子生物学家已发现多种酶和抗体可用于抵抗多种疾病，代谢紊乱及遗传缺陷，生化工程师可帮助使这些物质高效而经济地实现生产。例如用中空纤维反应器已能有效地生产杂交瘤细胞及单克隆抗体。在农业方面，由于生物学研究的深入，专一性对环境无污染的生物杀虫剂、除草剂的生产日益扩大，生化工程师正在做出努力通过过程设计、控制及分离工艺以确保其不含污染物，不会损坏环境。植物细胞培养正致力于农业新品系的开发或实现天然生长的工厂化。已培育出抗性好、生长快、有机成分高的新品系如抗病树、无病毒土豆等。生化工程师正在帮助园艺师从手工作业转向用基因工程进行自动化生产。展望未来生化工程的任务：(1)应努力提高生物反应器中目的产物的浓度；(2)应利用各种技术以提高碳源的转化率；(3)对复杂的生长过程要进行模拟，以便更有效地控制发酵和培养作业；(4)完善和开发新的后处理技术。在英国用动物细胞培养生产药物及免疫试剂的反应器已达m3级的规模，不久将达到数10m3级。植物细胞培养有些落后，目前部分高级药物仍从天然植物提取，性能不稳定。预期植物细胞克隆所取得的进展可以生产性能优越的植物细胞。为此需借助生化工程包括机器人以处理对机械剪切敏感的组织。美国正在研究复杂的生物系统如培养皮肤移植组织、外科手术中更换受创伤的躯干等。下一代用于治疗和免疫的药物将取决于三维分子结构的设计，即通过重组DNA合成药物，像干扰素、激素、血清蛋白、抗血友病因子等。此外，生化工程还将对食品、酿造、冶金、化工、环保、三次采油及农副产品加工产生重要影响。生物工程领域存在着强烈的国际竞争，美、日及欧洲各国均处于领先地位。生物分子膜分离技术虽系美国首先发明，但日本生产的肾透析器在美国医院里却日益增多。英国建成2600m3大型连续化气升式发酵罐，在设备放大及控制方面取得巨大进步。酒精生产是古老的技术，但日本建起全新的固定化细胞连续生产示范厂。生物制品的世界市场据估计2000年将达到5600～6900亿美元，谁将首先占领世界市场已成为普遍关注的焦点。其中将为生化工程提供创造性活动的机遇。【参考文献】：1 Committee on chemical engineering frontiers (USA), Frontiers in chemical engineering, Washington D C, National academy press, 1988:17～352 Peter Dunnill. Biochemical engineering,its origins and exciting future,chem engng,1988,455:40～443 Suichi Aiba. Horizons sof biochem. engng. Oxford univ.press, 1988:3～214 合叶修一，永井史郎著．生物化学工程．胡章助，方常福，吴维江，等译．北京：化学工业出版社，1984．1～3285 孙万儒．生物技术产品后处理技术的发展．化工进展，1990，4∶16～206 杨守志，生物化学反应工程讲座．化工进展，1990，No6∶44～51；1991，1∶41～49；1991，2∶44～50；1991，3∶33～39(中国科学院化工冶金研究所杨守志研究员撰；陈家镛审)