1、 化工工程论文-关于生物工程与石油化工发展的关系生物工程与石油化工发展的关系摘要：简述了国内外生物工程发展的主要趋势，着重论述了生物工程与石油化工发展的关系。结合国情提出了我国生物工程的开发方向关键词:生物工程，石油化工，关系近十年来，美、日、英、德等发达国家都大力投资于生物工程，一些著名的大型石油化工公司，如美国的EXXON，Monsanto，Dupont 公司、英国的 ICI 公司、西德的 Bay-er、BASF、Hoeehst 公司，日本的味之素公司等都制订了科研和技术开发计划。随着 DNA 重组技术、细胞融合技术、生物酶固定技术、生化反应工程放大技术、纯化分离技术的进展，采用常温常压的
2、生物合成来取代传统的高温高压化学合成已显示出巨大的潜力和美好的前景。1 生物工程的现状及其发展趋势70 年代初，随着基因工程和克隆抗体的产生，开始了现代生物技术的新篇章。基因工程和细胞工程在生物过程中处于中心地位，酶工程和微生物发酵工程随着生物催化剂酶和细胞固定化技术、生化反应器及其工程放大技术、新型纯化分离技术的基础理论和工业应用的突破而成为整个生物工程发展的基础。生化工程是生物工程实现由各种基本原料转变为各种生化产品的工业过程必不可少的重要手段，借助于化学工程单元设备去解决生物工程的工业化问题。1.1 基因工程和细胞工程目前在基因工程技术中，大肠杆菌宿主及其载体系统的研究，酵母和枯干草杆菌
3、系统的研究已取得了较大的进展。利用基因工程技术研制具有高速高效消除水面油污的超级菌 ，已成为美国一个基因工程改造微生物的专利;美国的格雷斯公司将基因改性的 DM 一 220 微生物氧化石油中二苯并唾吩，使石油的微生物脱硫获得成功;英国 ICI 公司用基因工程改造菌株，提高了微生物固定氮的效率;由此可见，基因工程和细胞工程在石油化工的新技术开发中展示了良好的前景。其主要发展趋势如下:a 扩大基因工程技术在微生物发酵工业上的应用，进一步研究工业微生物的宿主载体系统，以便在各种生物间进行基因操作，有目的地实现改造工业发酵所用的菌株，以进行高效率，高选择性的生物转化作用;从而使微生物固定酶在石油化工中
4、获得更广泛的应用。b 利用基因工程和细胞工程技术，进行可再生能源的研究，已成为当今研究的重大课题。具体说就是将世界上取之不尽、用之不竭的纤维素通过酶解成葡萄糖，再发酵生成酒精进而脱水成乙烯。一旦获得成功，将取代石油热裂解制乙烯的传统的石油化工工艺。大量利用纤维素的关键在于纤维素酶的克隆，以生产大量高效的纤维素酶。c 如何有效地解决目的基因在寄主内高水平的表达和产物的经济有效的纯化分离，是基因工程必须解决的两大难题。1.2 酶工程和微生物发醉工程酶是活性细胞所产生的一种生物催化剂，几乎所有的生物化学反应都是在酶的催化下进行的。一般具有反应条件温和、节省能量、选择性好、效率高，减少环境污染等优点。
5、然而由于大多数酶很不稳定，且溶于水，这在一定程度上限制了反应强度的提高，同时给反应物和产物分离带来了困难。为了克服上述缺点，出现了将酶或细胞固定在不溶于水的载体上的酶或细胞的固定化技术，因而在工业上获得了普遍的应用。如酞胺酶合成青霉素，蛋白酶合成胰岛素，焦磷酸化酶合成糖核甘酸，色氨酸酶合成色氨酸类氨基酸、睛水合酶催化丙烯睛生成丙烯酞胺、双加氧酶将苯甲酸氧化为邻苯二酚、进一步氧化为已二烯二酸、单加氧酶将乙烯、丙烯氧化为环氧乙烷、环氧丙烷等。酶工程和微生物发酵工程的发展趋势是:a 在开发酶的工业应用方面，主要是研究酶的固定化技术、扩散效应等，目的在于选择合适的固定化方法和适宜的载体，以制备理想的固
6、定化酶生物催化剂，这是实现生物工程技术工业化的关键环节。b 在石油化工方面，许多生物化学反应过程都与加氧酶有密切的关系，工业应用范围广，具有很大的发展潜力。石油发酵的主要过程是微生物对烃的氧化，许多产品是加氧酶催化的结果。例如苯甲酸被双加氧酶氧化为邻苯二酚，烷烃(C，C:)被单加氧酶氧化为相应的醇。因此，加氧酶的开发利用间题日益引起人们的重视。加氧酶在环境保护、芳烃及衍生物的降解方面也是今后的研究方向。c 目前，在开发酶的技术应用方面，只局限于单级酶，今后复合酶和多级酶，各种形式的生物催化反应器和分离器的研究，将成为主流。1.3 生化工程1.3.1 生化工程的核心问题生化工程的核心问题是研究生
7、化反应器，目前主要是发酵器和酶反应器，最常用的是机械搅拌釜。由于存在因剧烈的机械搅拌导致固定化酶或微生物细胞的损害和大型化后气液分布不均及轴封污染等缺点，相继开发了中空纤维反应器，开启式固定酶反应器、螺旋卷绕膜式反应器、盘式反应器等。工业上应用最多的是好气生化反应器，一般分为三大类型:一类是机械搅拌型生化反应器; 二类是输液泵型生化反应器;三类是升气式反应器。生物产品的纯化分离技术的研究和开发，对生物工程实现工业化至关重要。这首先是因为分离技术所包函的提取和精制本身是一个相当复杂的过程，往往由于没有适当的提取和精制方法而提取率太低，纯度不高等，以致难于工业化，其次是因为分离装置占地面积大，操作
8、费用高。近年来发展起来的超滤膜错流过滤器成功地用于胞外酶的浓缩和去除低分子量杂质，超滤器已有成套供应，常见的型式有平板型、螺旋型和中空纤维型;高压匀浆器和珠磨机已用于细胞破碎; 两水相萃取已用于细胞碎片分离;超临界气体萃取已用于提取酒精和咖啡因，梭基树脂已用于提取胞外酶;XAO 系列大孔树脂或大格树脂和溶剂浸渍树脂也开始被应用于生物工程。1.3.2 生化工程发展的主要趋势1.3.2.1 在生化反应工程方面a 生化反应器向单系列大型化方向发展，生产青霉素和谷氨酸的生化反应的体积分别大至 400m3 和 500m3，世界上最大的生产单细胞蛋白的气升式发酵反应器的体积达 4000m3，污水生物处理厂
9、的反应器的体积已达 2 万 m3。b 生化反应器的放大技术，是正在研究的重要课题，酶反应动力学、微生物生长动力学模型、多相系统颗粒之间和颗粒内部在非牛顿流体中的传质、传热和混合过程的探讨等，都是必须解决的基础理论问题。c 由于釜式反应器大型化后，存在着物料难于混合均匀，能耗大，传热差等缺点，已逐惭由塔式生化反应器所取代。为了满足特殊生化反应体系的要求，一些特殊结构的反应器，如中空纤维反应器、转盘式反应器、开启式固定酶反应器，正应运而生。d 研制和开发生化反应所需要的新型传感器，检测生化过程的各种关键参数，以实现最佳的调控，是目前工业化中急待解决的难题之一。1.3.2.2 在生化产品的纯化分离方
10、面a 近十年开发的两水相萃取技术，超滤膜错流过滤技术、溶剂浸渍树脂离子交换技术、免疫吸附层析技术等，已开始研究应用于生化分离。b 新型分离方法的机理研究、新型分离器的放大、设计、制造、新型检测仪表的研制都是今后需要解决的主要问题2 生物工程在石油化工中的应用前景随着生物技术的发展，在化学工业中一种新型的化学一生物化学一生化工程的联合生产过程正在形成。充分利用化学合成和生物合成各自的优点，并把它们有机的结合起来，将会给人们带来巨大的经济效益和社会效益。下面简述生物技术在石油化工中的应用前景，以期引起人们的关注。2.1 微生物氧化烃类生产有机酸利用微生物对烷烃末端的甲基，进行单端氧化生成脂肪酸，进
11、行两端氧化生产轻酸、醛酸和二元酸。2.1.1 烃类微生物氧化制二梭酸二梭酸是正烷烃分子两端微生物氧化的中间代谢产物。早在 60 年代 foster 用棒状杆菌将正癸烷到正十四烷，经微生物发酵制得癸二酸到十四碳二梭酸，70 年代日本 aji-nomote 公司用阴沟假丝酵母 AJ 一 5463 由正十六烷发酵制十六碳二梭酸获得成功，近年来日本三井石油化学工业株式会社完成了由正烷生产已二酸和癸二酸的中间试验，正着手工业化。中国科学院微生物研究所和上海溶剂厂合作，于 1982 年完成了正烷烃生物发酵生产长链二梭酸中试，并通过了技术鉴定，为工业化奠定了基础。最近中国科学院微生物研究所以 C13 一 C
12、I。正烷烃为原料，用解醋假丝酵母 ASZ.1207，经微生物氧化生产 C13 一 C18 醋肪酸，其中不饱和酸含量占 80%，经研究证明酵母菌、细菌、丝状真菌都有不同程度氧化正烷烃生成二梭酸的能力，特别是假丝酵母，毕赤氏酵母是正烷烃发酵生产二梭酸的高产微生物，引人关注。2.1.2 烃类微生物氛化生产一元酸由石蜡烃发酵生产柠檬酸最大的缺点是付产异柠檬酸，近年来随着 S 一 22 乌头酸酶研制成功，使柠檬酸和异柠檬酸的比率提高到 97:3，对石蜡烃的产率高达 145%。此外，用产氨短杆菌、节杆菌，可使异柠檬酸转化成柠檬酸。目前，石蜡烃微生物发酵法生产柠檬酸已达到工业化水平。日本曾报道，用假丝酵母可
13、使液蜡转化成唬拍酸。中国科学院微生物研究所研制出 SB 一 7 菌株，也成功地使液蜡转化成为唬拍酸。2.1.3 其它有机酸美国已研制成功用干的果园草为原料，经水解，再经微生物发酵生产醋酸和丙酸。烷烃经生物氧化还可生产谷氨酸、富马酸，其重量产率分别达到 75%和 84%的水平。用假单胞杆菌将蔡转化成水杨酸，也已达到工业化水平。2.2 微生物发醉法生产环氧乙烷和环氧丙烷几年前美国 CetuS 公司研制成功了用酶作催化剂由烯烃制备环氧化合物的新工艺，第一步用毗喃糖氧化酶，将葡萄糖、O:转化为 HZOZ 并副产左旋果糖。第二步用卤过氧化酶将HZO:，卤离子与烯烃反应生成卤醇，第三步用卤醇环氧化酶将卤醇
14、转化为环氧化物，此法具有反应条件温和、能耗低、无污染和成本低等优点，将取代石油化工中用乙烯、丙烯经氧化或次氯酸化生产环氧乙烷、环氧丙烷的传统工艺路线。2.3 微生物发酵法生产单细胞蛋白英国石油公司于 60 年代初首先研制成功了以石油为原料生产单细胞蛋白的生化技术，1972 年法国马赛建成了世界上第一座 1 万 t/a 的单细胞蛋白工厂，随后利用英国石油公司和日本钟渊公司技术，先后建成六座 10 万 t/a 的工厂，最近一座以石蜡烃为原料，年产 30 万吨的单细胞蛋白工厂已在苏联投产。我国以石油为原料生产单细胞蛋白的研究开始于 60 年代，并取得了一批研究成果。由于从石油经微生物发酵生产单细胞蛋
15、白具有原料来源广泛，产率高和营养丰富等优点，将会在石油化工中获得广泛的开发应用。2.4 加氧酶在石油化工中的开发应用众所周知，许多化学过程与加氧反应有关。双加氧酶可以把分子氧的两个原子全部掺入到有机化合物中，可用于芳烃轻化、开环和降解。如前所述，在石油化工方面，加氧酶的开发利用问题日益引起人们重视。2.5 利用腊水合酶生产丙烯酞胺自 60 年代起，日本一直在研究睛类化合物的微生物降解，代谢途径和应用。1983 年日本工业发酵研究所用睛水合酶催化丙烯睛水合成丙烯酸胺，收率在 99%以上，1985 年日本日东化学公司在横滨建立一套 400ot/a 工业生产装置，与传统的硫酸水合相比，具有反应条件温
16、和，成本低等优点，为石油化工应用开创了新局面。2.6 其它石油化工利用2.6.1 美国格雷斯公司研究成功了石油微生物脱硫新工艺，石油中的二苯并唾吩在 DM 一 220 微生物作用下，氧化成水溶性物质，并从石油中分离出来，其工业化将为时不远。2.6.2 最近研制成功的咔哇微生物，能把石油中含氮杂环化合物氧化，为石油微生物脱氮开辟了应用前景。2.6.3 在能源利用方面，有机废物和生物质在厌氧细菌作用下，通过发酵可产生沼气，若采用固定化细胞技术对这一过程进行改进，将来有可能作为能源在工业上采用。近年来西欧和日本采用固定化氧化酶或固定化光合细菌进行了水的光解制氢的研究，人们予计 15年以后将采用多相生物催化光解法制氢，有可能从水获得有经济价值的燃料氢。综上所述，生物技术在石油化工中的广泛应用已显示出十分美好的前景。我们深信，随着生物技术基础理论研究的重大突破和工业上应用的经济性问题的解决，必将引起化学工业的一场革命。
