生物化工:未来可持续发展的基石科学时报

上一篇 / 下一篇  2011-09-03 00:41:40

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来源 科学时报 2011-5-23 11:44:11

众所周知,煤炭、石油是不可再生资源,总有枯竭的一天。作为重要的替代能源,生物质取之不尽,通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的持续利用。据估算,全世界每年通过光合作用生成的生物质能约为50亿吨,潜力巨大。

即将于6月在深圳举行的第五届中国生物产业大会下设先进生物制造产业论坛,清华大学生物化工研究所所长邢新会将在论坛上作有关生物化工的主题报告。

近日,记者在清华大学采访了邢新会。当他谈及生物化工的发展前景时表示,生物化工的应用已涉及到人民生活的方方面面,包括农业生产、医药、食品环境保护、资源和能源开发等各领域,作用极其重要。特别是考虑到可持续发展,生物化工将是未来很多产业的基石,将为人类作出巨大贡献。

从概念上说,生物化工是指通过生物技术生产大宗化学品、精细化学品和能源化学品的过程及其产业化技术,是生物技术与化学工程相互融合的新型学科。生物化工技术的核心是生物催化和转化,即工业生物技术。

要了解生物化工技术,首先要了解生物反应。据邢新会介绍,生物反应过程包括以下几个部分:一是原料预处理,即底物(酶催化反应中的作用物)或培养基(发酵过程中的底物及营养物,也称营养基质)的制备过程,包括原料的物理、化学加工和预处理过程;二是构建高效生物催化剂和生物反应器;三是做出产品,即生物化工产品的分离、精制和制剂化。

当前,人类面临资源、能源、环境三大危机挑战。邢新会说,世界经合组织(OECD)的报告提出,生物化工技术是工业可持续发展最有希望的技术。生物化工技术取代传统的化工技术,将会使原料减少、能耗减少、水耗减少以及污染减少。因此,未来应对三大危机挑战,生物化工技术将发挥重要作用。特别是环境问题,未来要从源头上解决污染问题,实现节能减排,生物化工技术最具发展潜力。

 

(图片来源于网络)

邢新会以农村污水处理为例,介绍了生物化工技术在其中发挥的重要作用。他告诉记者,当前,随着我国经济发展和社会进步,农民生活改善了,农村环境却越来越差。大多数农村地区没有污水收集和处理设施,直接排放造成了面源污染,同时也造成我国饮用水源地普遍受到污染,已成为我国的主要污染问题之一。要解决这一问题,就必须在农村地区建立污水处理系统。

然而,由于我国大部分农村居住分散,如果像城市一样采用管道集中的方式建设大规模污水处理系统,建设管道成本极高。因此,必须针对我国农村的具体情况,开发适宜的农村污水处理技术。

邢新会的研究团队系统分析了我国村镇水污染特点、规律,提出了适合我国农村特点的“低投入、低成本、易管理、易回用”的新理念,研发了多孔微生物载体污水处理技术,通过微生物种群的控制和反应器设计,实现了源头污泥减量化,降低了污水处理成本。污水经过处理后,可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》一级A标准或一级B标准。

据邢新会介绍,该技术的创新特色包括以下三个方面:一是减少了污泥量。对于污水处理来说,剩余污泥是一个关键难题。由于剩余污泥自身的特点,其处理和处置都比较困难,主要的处理方式是焚烧和填埋,不但费用较高,还极易造成二次污染。该团队开发的多孔微生物载体污水处理技术实现了污水污泥的同步处理,没有剩余污泥排放,降低了能耗及处理费用。二是投入成本相对较低。对于农村地区来说,只需要根据农户的集中情况,建设小型的污水处理反应器。三是占地面积小、运行费用低、管理简单。该反应器是可以埋在地下的,农民还可以在其上种菜,且实现了“傻瓜式”管理。

目前,该研究团队与企业合作,利用该技术在青岛和上海等地建设了一系列农村污水处理一体化装置,结构紧凑,占地面积小,能够规模化制造,适于不同规模的污水处理,工艺灵活性高,适于各种分散和集中式处理;运行效果稳定,能耗低,不产剩余污泥,管理操作简便,建设和运行成本低,取得了积极的应用效果。

在采访中,邢新会特别指出,当前,我国农村污水处理并无标准,是参照城市污水处理排放标准的。事实上,对于我国农村地区来说,由于水资源紧张,经过处理的污水是完全可以回用,进行农田浇灌的。污水含有氮、磷,作为农用的话,从理论上来说,无须与城镇污水排放标准相同。他建议,国家有关部门应关注农村污水处理排放标准的科学的制定,尽快制定出适合农村的污水排放标准。

除了污水处理方面的研究,邢新会的团队还对新型酶催化剂技术进行了深入研究,并获得突破。邢新会带领的研究小组根据酶催化的工业需求,在我国首次提出了智能多功能酶的概念,并根据此概念率先研制成功了智能多功能肝素酶的生产及其应用技术。

邢新会介绍,低分子量肝素是一种被用做防治血栓的生化药物。我国是全球最大的肝素生产国,占全球80%的市场份额。然而,由于缺乏相关技术研究,长期以来,我国出口肝素,而低分子量肝素主要依赖进口,价格居高不下。2008年,“肝素事件”更是导致中国生产的肝素质量受到国际质疑,肝素生产和出口遭受了极大的影响。

自2004年开始,邢新会带领课题组进行了肝素酶的相关研究。谈起开展这一研究的初衷,邢新会介绍,最初是缘于兴趣,选择肝素酶作为智能多功能酶研究的模式体系,在研究过程中发现这一研究具有重大的社会意义。其后,该项目获得了国家自然科学基金委重点项目的支持。

今年5月17日,“融合肝素酶及肝素酶生产低分子量肝素工艺”项目顺利通过了验收。利用该技术,清华大学与行业内的多家企业进行了合作,不但降低了肝素酶制剂成本,在国内主要肝素厂家得到广泛应用,为肝素产品的质量控制提供了保障。

在微生物基因组快速突变技术与装置研究方面,邢新会的课题组与清华大学工程物理系研究人员合作,研发出了一种微生物育种新方法和设备,能够用于生物催化剂的改造。

在邢新会的实验室里,记者见到了这一仪器。邢新会说,利用该设备进行微生物育种,具有操作简单、安全、无污染,设备和实验成本低等特点,将在工业微生物育种领域发挥更大的作用。

在采访结束时,邢新会表示,对科研人员来说,要做到基础扎实、方法创新,深入研究机理和方法,并解决应用过程中的问题,也就是将基础研究与应用研究紧密地结合在一起,解决国家应用需求。

 


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