作者:王立新 徐小英 来源:中国科学报 发布时间:2012-12-11
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生物催化技术促精细化学品产业升级

精细化工产业与人民生活息息相关。图片来源:昆明信息港
 
■王立新 徐小英
 
我国是世界精细化学品第三大国。精细化工产业与人民生活息息相关,特别是具有复杂结构与质量要求的有机功能化合物,以及一些事关民生健康的“重磅炸弹”级药物大品种等精细化学品。
 
精细化工包括医药、农药、染料、材料等40多个行业,是当今世界各国化学工业发展的战略重点。商务部已将精细化工列入重点发展产业之一。
 
有机合成遇挑战
 
以医药、农药及其他功能性化合物为代表的精细化学品等具有复杂结构的有机化合物,其高效工业生产代表了现代工业有机化学的重要方向,而有机合成反应与技术则是获得这些化合物的最直接手段。
 
精细化工产业与有机合成技术相辅相成,工业有机合成的崇高方向与目标就是在有限的时间,采用有限的手段、资源,以最简单、经济、环保的手段生产质优价廉的精细化学品。
 
精细化学品产业化不仅是一个技术问题,如何设计与利用这些技术更是一个艺术与经济的问题,细节与系统以及要素集成是产业化关键,经济性与“始终如一”的质量保障则是全民普惠的基本要求。
 
有机合成技术具有反应可靠、分子可以灵活“剪裁”等优点,但由于大多数有机化学反应的不完全性,分离纯化以及相应的能耗、废弃物等贯穿了整个产业的全过程,因此,分离纯化与设备等构成了现代有机工业的核心。一般而言,工业上70%以上的设备、50%以上的物(能)耗、30%以上的分离纯化成本及废弃物都是在分离纯化过程中产生的,这就导致了高能耗、环保等问题。
 
有机合成技术面临的另一重大挑战是选择性(化学、立体与手性)与复杂性问题,选择性与复杂性意味着多样性、不稳定性及风险性。挑战与解决这些难题具有创新与革命性意义,而有机合成技术由于反应性与选择性的先天缺陷,不能根本解决这些问题。
 
生物催化成新宠
 
以合成生物学等为代表的现代生物催化技术具有高效、高选择性、转化条件温和、环境友好等优点,可完成一些用传统的化学方法很难实现的反应,因而成为可持续发展过程中替代和拓展传统化学技术的主要方法,并广泛用于制备各种精细化学品。
 
工业生物催化技术被看作是继农业和医药生物技术之后,生物技术发展的第三次浪潮,是实现原子经济反应和生产过程绿色化的重要技术。因此生物催化技术替代传统有机合成技术,必将在精细有机合成中发现并找到行业的沃土。
 
两种技术优势互补
 
通过生物催化与有机合成的交叉集成与优势互补,可以解决药物合成面临的选择性、环保、能耗等问题。生物技术是解决化学合成中的选择性与复杂性的理想手段,生物技术与有机合成的交叉集成也将成为绿色制药发展的主要方向之一。
 
生物催化技术的专一性导致了其应用的局限性,通过有机合成与生物催化技术的交叉结合与集成,解决精细化工的产业问题,代表了我国精细化工产业发展的主要方向之一。有机合成技术为生物催化技术的发展、应用指明并提供了更多技术、产品及产业机会。
 
生物催化与有机合成的交叉集成主要可以从两个方向开展:以有行业影响力的产品为目标,开发合适的生物催化技术;对现有实验室研究比较成熟的酶进行工业化及固定化,加快推进生物催化技术在精细化学品合成中的应用。
 
未来发展建议
 
我国生物(催化)技术的发展首先应当以有影响的行业(如生物医药、材料、精细化学品)及产业为导向,明确具体的市场及产品;以有显示度的大品种(如农药、基础化学品、材料等)为具体目标,尽快建立与理顺具有中国特色的产、学、研、官、资以及转化、孵化、产业化的关系与机制,推动生物(催化)技术由只有长远的研究与规划,向以市场、目标及过程为导向的产业发展方向聚焦;以企业为主体,通过要素集成,提升行业影响力,提高产品显示度,推动我国绿色精细化学品产业的健康发展及产业升级。
 
生物技术要以具有明确市场及行业影响力与显示度的大品种为目标,通过生物催化与过程技术从资源、环保、节能减排、减碳等多方面来改造传统精细化工及相关产业。
 
我国在医药、农药、食品、食品添加剂、工业表面活性剂、基础有机化学原料、生物及生物医用材料等精细与特种化学品方面具有举足轻重的地位,任何一个大品种及相关产业都迫切需要通过生物技术来改造传统产品与产业,这为生物催化技术的研发及产业化提供了重大的机会。
 
建议从合作机制及产业分工着手,建立专业的针对特种酶的工业应用设计、过程化、产业化研究团队与企业群;在生物学科及化学学科设立专门的交叉研究方向,以产品导向、产业发展及企业参与及学科交叉为特色,整合系统资源,组建生物催化技术在生物产业中的快速反应研发与产业化特种部队。
 
预计在未来几年,生物催化与有机合成集成技术研究将成为我国技术开发和产业化的热点领域。手性氨基酸、手性醇类、胺类化合物是构建手性医药、农药,材料等的官能团主体,水解酶、酯酶、氧化还原酶等是构建这类化合物最有效的方法之一。
 
同时,对实验室研究比较成熟已经可以工程化的脂肪酶(如Nov435)、氧化还原酶、腈基水解酶、转氨酶等的工业应用,特别是在有行业影响力的医药产业,以及有产品显示度的生物农药、材料及基础化学化工行业应当予以重点关注,加快我国生物(催化)技术产业化的进程。
 
(作者单位系中国科学院成都有机化学有限公司)
 
 
《中国科学报》 (2012-12-11 第6版 生物)
 
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