生物质是唯一含碳的可再生资源,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,即生物能源,其不仅可以直接替代化石燃料,而且与人类历经数个世纪构建的庞大能源生产和消费系统兼容性很高.生物质中的碳源自大气中的二氧化碳,生物能源的生产和消费可以实现碳的封闭循环,不增加大气中的碳总量.
食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快.性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力.食品和饲料加工产业除了应用分离提取的酶制剂外,很多发酵过程仍以微生物为细胞工厂进行多种酶催化转化.该发酵过程通常涉及复杂的代谢网络和调控机制,且很多体系不能采用基因工程技术,因此理性基因工程改造通常难以满足应用需求.诱变育种仍然是食品和饲料加工用酶及微生物菌株改造的主要手段,需要与时俱进不断发展新技术.近年发展起来的常压室温等离子体(ARTP)诱变育种技术因其具有操作简单、安全、环境友好、突变率高、突变库容大等特点,在食品和饲料加工微生物育种中得到了广泛应用,取得了良好的成效.重点介绍近年ARTP在食品与饲料加工酶制剂及发酵微生物改造中的相关应用进展.
污水处理厂产生的大量剩余污泥,是目前困扰市政工程的主要问题之一,对其进行减量化、稳定化、无害化和资源化是污泥处理处置的核心任务.厌氧消化技术是目前最广泛使用的污泥处理工艺之一,但厌氧消化技术受到污泥低水解速率的制约.基于热水解的高效污泥厌氧消化技术不仅打破传统厌氧消化的水解限速,还在改善污泥流变特性和化学特性、提高污泥厌氧消化效率和新兴污染物的去除等方面有着明显的优势.综述了热水解预处理对污泥特性和对系统中新兴污染物去除特性的影响,总结了目前的研究成果并展望了发展前景,指出工艺运行条件的进一步优化和经济可行性的系统评价是其推广使用的重要支撑.
非豆科作物根际固氮能够给玉米和水稻等粮食作物提供生长所需的氮素,部分替代化学氮肥,在农业生产中应用意义重大.人工设计固氮和抗逆调控元件与功能模块,构建作物根际人工高效固氮体系并进行系统优化,是当前合成生物技术在农业中应用的一个重要研究方向.重点针对非豆科作物根际固氮体系的设计思路、研发动态和应用前景作简要综述.
结构脂质是一类具有营养保健功效的酯类化合物,可潜在地预防或辅助治疗特定疾病.以酶为核心的生物催化法,在结构脂质的制备中扮演着关键的角色.本文根据脂质的结构特点,从各类结构脂质的功能、脂肪酶的选择、酶载体材料的设计、固定化脂肪酶制备以及应用等方面分别介绍了LML型中长链结构脂、长链多不饱和脂肪酸结构脂、人乳脂替代品及含共轭亚油酸甘油三酯等新型结构脂质的酶法制备手段和技术,总结了制备各结构脂质的常用脂肪酶种类,重点介绍了固定化酶中载体材料的理性设计对脂肪酶活性及结构脂质产率的影响.今后,此方面的研究可围绕新脂肪酶资源发掘,新型固定化酶载体材料的设计与合成,结构脂质的制备方法拓展、反应体系构建及新生产工艺开发等方面进行.
茶是我国一种历史悠久的营养健康经济作物,具有降低糖尿病、肥胖、心血管疾病等慢病风险、延缓疾病进程的积极作用;但是,我国消费者对于茶叶的健康价值存在一定的认知误区,而且现有产品无法满足消费者的多元化需求,从而影响了茶叶的消费。本文回顾了茶叶健康的典籍记载,分析了现代医学研究进展,简述了茶叶健康的法规现状,介绍了生物工程、酶工程在现代茶开发中的应用,并特别说明了组学技术在研究茶叶多组分物质基础、代谢特征及功效作用机制等方面的应用。文章指出,为推动茶产业向营养健康转型,应首先提升茶叶品质、制备功能型茶及茶制品,标准化及功能因子的富集是这一过程需要考虑的问题。在此基础上,基于科学证据和实践对茶叶功能及安全性进行系统评价,解读茶及茶制品的健康作用特征、量效关系及物质基础。最终通过开展健康饮茶指导,推动饮茶成为现代人健康饮食生活方式的有机组成,助力健康中国目标的实现。
绿色发展已成为我国的基本国策,我国作为原料药制造大国,传统的生产方式"三废"排放量大,使制药工业面临严峻的环保问题挑战,发展清洁生产技术是解决制药工业可持续发展的关键.酶催化技术具有选择性高、效率高、污染低等优势,是绿色制药技术的重要发展方向,以绿色酶法技术替代高污染的化学法技术备受关注.针对发酵类制药产品,包括β-内酰胺类抗生素中间体及其衍生原料药、维生素C衍生物和他汀类药物,总结了酶法技术的研究与应用进展,并对其未来发展进行了展望.
随着我国经济的快速发展,生态环境压力不断增大,环境保护意识不断增强,环境污染已成为我国社会发展所面临的主要问题之一.生物产业作为21世纪创新最为活跃的新兴产业,在新时代环保工作的发展中,生物技术具有速度快、消耗低、效率高、反应条件温和、无二次污染等显著优势,能发挥出新的重要作用.以生物环保产业为研究对象,通过对生物环保技术相关专利的分析,总结国内外生物环保技术的专利发展现状及趋势,为我国在这一具有战略重要性领域中的研发和产业化提供知识产权情报支撑.
生物技术被认为是最清洁、最安全、也是最经济的废水和废弃物处理技术,然而,随着抗生素、全氟化合物前体物等化学物质进入生物处理系统,会产生次生风险因子——抗生素耐药细菌、抗性基因以及全氟化合物等,导致潜在的健康和生态风险.以畜禽养殖废弃物生物处理过程为例,重点探讨了好氧堆肥和厌氧消化过程中耐药细菌和抗性基因的产生和去除效果,并提出相应的管理和控制措施.同时,简介了抗生素生产废水和城市污水处理系统中生物转化产生的抗性基因和全氟化合物等次生风险因子问题.最后,提出关注生物处理次生风险问题,加强环境管理和研发源头预处理、生物处理过程控制和深度末端保障技术等技术思路.
基于基因组学与系统生物学在20世纪90年代的兴起,合成生物学于21世纪初应运而生,成为近年来发展最为迅猛的新兴前沿交叉学科之一.与以假说导向的传统生命科学研究不同,合成生物学研究以目标为导向,譬如首先设定需要实现的全新的物质识别、信号传导、生化代谢等能力,再以工程化手段设计、改造乃至合成全新生命体,并通过进一步"设计-合成-检测"的手段反复解决问题,实现目标.合成生物学研究囊括了生物功能分子合成、基因线路合成、代谢途径合成、基因组合成、单细胞合成、多细胞体系合成、非天然元件合成、生命体系模拟等多个类别.其工程设计核心与数学工具支撑,促使生命科学从观测性、描述性、经验性的科学,跃升为可定量、可预测、可工程化的科学.因此,合成生物学被认为将带来继分子生物学革命和基因组学革命之后的第三次生物科学革命,推动人类实现从"认识生命"到"设计生命"的伟大跨越.
随着合成生物学的发展,越来越多的天然高附加值化学品和大宗化学品可以通过在微生物底盘细胞中构建人工合成途径来进行生产.然而外源途径基因的不平衡表达以及有毒中间代谢产物的积累往往会影响宿主细胞的正常生长,这也是合成生物学研究中的一个共性难题.因此设计可控的基因表达系统,在特定时刻启动或者关闭人工合成途径,对于避免细胞生长和产物合成之间的相互干扰至关重要.重点介绍了最新的动态代谢调控策略及其在代谢途径调控中的应用,并对其发展趋势进行了展望.
厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)是一种耦合了厌氧发酵和膜工艺的新型废水生物处理技术.其优点包括出水水质优良、有机负荷高、污泥产率低以及生物甲烷回收等.归纳了厌氧发酵的原理,常见厌氧膜生物反应器的结构和种类,以及厌氧膜生物反应器的发展历程及其应用.详细介绍了笔者的最新研究成果:厌氧膜生物反应器在高浓度厨余垃圾处理中的应用,及其在城市污水处理中的研究进展.最后总结了该工艺的应用及发展现状,指出其在高浓度有机废水处理中拥有广阔的应用前景.
通过微生物发酵的方法生产大宗化学品能够部分替代石油化工炼制,节能减排.合成生物学技术的发展极大地提高了构建微生物细胞工厂生产大宗化学品的能力.介绍了使用合成生物学技术构建微生物细胞工厂生产大宗化学品的研究和产业化进展,并展望了微生物细胞工厂未来的研究重点.
超临界流体技术制备生物柴油不使用催化剂,生产过程清洁环保,是极具发展潜力的绿色可再生能源生产技术.本文首先简述超临界流体的特点及其用于生物柴油制备的物理、化学基础;其次详细分析超临界流体技术制备生物柴油的过程中反应温度、反应压力、醇油摩尔比、低碳醇种类、水、脂肪酸、反应器及反应形式等工艺控制条件对反应的影响和原因,并介绍超临界流体制备生物柴油中的过程强化方法和技术经济性.尽管超临界流体制备生物柴油具有原料适应性好、投资和运行成本低、生产过程清洁等优点,但存在反应条件苛刻、甲醇用量高等问题,从工业化角度指出使用廉价废弃油脂原料降成本、调节原料酸值降低反应苛刻度、连续化和大型化是超临界流体制备生物柴油技术的重点提升方向.
多流程循环流化床技术是在传统循环流化床技术基础上开发的一种新型循环流化床技术,采用"三床两返多流程"的独特架构,具有效率高、燃料适应性广和原始污染物排放低的优点.研究人员对多流程循环流化床内部的流动和传热做了大量的研究,揭示了多流程循环流化床各炉膛内的气固流动及传热机理,开发了适用于不同燃料的多流程循环流化床工业锅炉.本文介绍了多流程循环流化床的技术特点,重点分析了该技术对生物质燃料的适应性及其在生物质锅炉中的应用现状,结合该技术的特点及我国生物质能现状,探讨了其在生物质锅炉中的合理利用途径,指出应充分发挥该技术原始污染物控制的优势,在减少排放的同时,降低生物质锅炉运行成本.
发展微藻生物能源是解决能源危机和环境问题的有效途径之一.目前微藻生物能源的藻种筛选、室外养殖、采收、油脂提取、能源制备等各工艺环节均已经打通,但成本高制约了微藻生物能源的产业化发展.本文分析了微藻生物能源的制备工艺(包括藻种特性、培养技术、油脂诱导技术、油脂转化技术等)及应用研究进展(包括反应器),并结合多年在藻种选育、室外规模化培养、低成本采收和藻油多组分分离方面的研究结果与经验,从多角度为微藻生物能源发展给出建议.指出微藻的全价开发将是微藻生物能源发展的有效模式,其中筛选采收成本低、耐污染、油脂含量较高、富含高值副产物的藻种非常重要,丝状藻是一个非常有潜力的方向,并考虑将物理法和水热液化法结合,实现微藻的多成分提取与分离,提高微藻价值的全价开发.
类胡萝卜素是一类重要的天然色素,因其具有多种生物功效,应用非常广泛.首先对类胡萝卜素的天然合成途径进行了介绍,总结了类胡萝卜素相关产品应用及目前的生产方式,着重介绍了番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素等产品微生物发酵法的制备方法在菌株和途径构建上的最新研究成果.重点对类胡萝卜素生物合成产业化面临的主要问题进行了分析讨论,并提出一些建议供相关产业进行参考.
我国生物发酵产业经过不断发展,现已成为世界生物发酵产业大国,2017年在玉米产业政策重大调整的新形势下,行业整体经济形式发展平稳,出口保持快速增长趋势,产业规模继续扩大.但在发展过程中还存在着原材料价格波动性上涨、自主知识产权认知匮乏、产能盲目扩张等发展瓶颈.对生物发酵产业现状与未来发展策略、方向进行了分析和阐述.
生物环保技术主要是指利用微生物的氧化、还原、吸附等作用实现污染物去除的一类技术,与化学、物理等技术相比,具有成本低、二次污染少等优点.最早的生物环保技术是一百多年前发明的活性污泥法废水处理技术,该技术至今仍然是解决水污染问题的首选技术.活性污泥法最初主要用于有机污染物(即BOD或COD)的矿化,之后随着人们对水污染问题认识的深入,对污水中氮磷等营养元素去除的要求显著提升,由此导致了一系列生物脱氮和除磷工艺的开发和应用.如今,具有生物脱氮除磷功能的A2O(厌氧-缺氧-好氧)工艺已经在世界各国得到较为广泛的应用.近年来,随着厌氧氨氧化过程的发现,一种不依赖于有机电子供体且具有节能特点的生物脱氮技术开始受到广泛关注,世界各国都在进行积极探索基于短程硝化-厌氧氨氧化组合的新型生物脱氮技术,并在技术的应用上取得了初步的成效.
合成生物学自诞生以来极大地促进了生物技术的发展,但同时也产生了很多前所未有的安全问题.从伦理的角度梳理这些安全问题,并提出相应的对策建议.
