生物催化对绿色化工技术未来发展的影响

（一）工业生物技术已经形成生物技术革命的第三次浪潮，是社会经济可持续发展最有希望的技术，将会成为现代新文明的支柱。在19-20世纪以化石资源为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就。工业文明使用高度“浓缩”的化石资源，集中的生产方式，带来生产效率的大大提高，创造了大量的物质财富，满足了人类社会不断增长的物质需求，促进了人类社会的发展和人类文明的进步。进入21世纪，人类面临着化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面。一方面化石资源在地球上储量是有限的，现已逐步走向衰竭。可开采石油储量仅可供人类使用大约50年，天然气75年，煤炭200～300年。另一方面，目前地球所面临的环境危机直接或间接与化石燃料的加工和使用有关。如化石燃料燃烧后放出大量CO2，SOx，NOx等，被认为是形成局部环境污染，产生酸雨以及温室气体等环境问题的根源。因此人类面临着前所未有的生存与发展的危机。因此，目前工业的生产模式是不可持续的，必须要进行彻底的变革。面对这一严峻形势，人们呼唤一种自然与社会环境协调的生产方式，呼唤一种可循环，可持续发展的超现代化生产模式。20世纪50年代以来，人类所面临的人口猛增、粮食短缺、能源紧张、资源破坏和环境污染等问题日益恶化，导致“生态危机”逐步加剧，经济增长速度下降，局部地区社会动荡，这就迫使人类重新审视自己在生态系统中的位置，并努力寻求长期生存和发展的道路。1972年罗马俱乐部发表了《增长的极限》这一重要报告，该报告用悲观的语言描述人类未来，认为人类文明最终因为人类相互争夺资源而自我毁灭。从而唤起了人类对环境与发展问题的极大关注，并引起了国际社会的广泛讨论。1992年，联合国在巴西里约热内卢召开了环境与发展大会，正式提出了“可持续发展”的概念，并将之确认为全人类未来发展的道路和模式。可持续发展是人类文明延续和进步的基础。因此迈向以可持续发展的现代新文明是历史发展的必然要求。现代新文明主要指生物经济时代，其主要特征为以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式。其核心技术是工业生物技术。工业生物技术是以可再生生物资源为原料，微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。近年来，随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展，大大地推动了工业生物技术的基础研究和应用研究。人们普遍认为工业生物技术将是生物技术革命的第三次浪潮。世界经合组织（OECD）指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。可持续发展工业将为人类现代新文明提供充裕的物质财富，是现代新文明的支柱。我们这个星球每年从太阳所获得的能量相当于今天人类社会消耗的能源与资源的一万倍（按照热量计算）。在太阳能的驱动下，水和二氧化碳通过植物的光合作用生成有机物，有机物通过食物链转化为水和二氧化碳，进行不断物质循环，如碳循环和氮循环等，进而形成地球上丰富的生物质资源。可持续再生的生物质资源在地球上储量丰富，而且可通过自然生态系统循环再生，与环境相容性好，是人类未来理想的资源和能源。在地球上，每年生物体产生的生物质的总量大约在1700亿吨，由75%的糖类物质，20%的木质素和5%其他物质如油脂、脂肪、蛋白质、萜烯和生物碱组成。估计现在只有60亿吨生物质（3.5%）在被人类利用，其中37亿吨（62%）作为人类的食物，20亿吨的木材（33%）作为能源，3亿吨（5%）被用于满足人类其他需求。而大部分生物质资源尚没有被人类有效利用，任其自生自灭。如果生物质资源能得到有效利用，人类相当于拥有了一个取之不尽、用之不竭的资源宝库。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术，是可再生生物质资源利用的关键，是打开可再生生物质资源宝库的钥匙！我们只要充分、合理地利用工业生物技术，就可能解决人类面临的资源与环境、食品与营养、环境与健康等重大问题，并实现人类社会的可持续发展。德国经济学家赫尔曼.舍尔指出实现阳光经济是人类文明的最后机遇。传统的加工工业是以化石资源为原料和能源进行的，面临着化石资源的日益枯竭，世界正孕育着一场用生物可再生资源代替化石资源的资源战略大转移。一个全球性的产业革命正在朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。工业生物技术是化石经济向生物（碳水化合物）经济过渡的必要手段和工具,是生物经济的支柱技术。目前正在开发的聚乳酸、聚氨基酸、聚羟基烷酸、燃料乙醇以及各种功能寡糖等可视为生物（碳水化合物）经济时代来临的前奏。到2020年，预计将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。工业生物技术将会成为现代新文明的支柱，对人类社会具有重要作用。工业生物技术的快速发展将会大大增加对生物质工业原料的需求，这将大力促进农业生物技术的发展，特别是高产转基因作物技术的发展，并逐渐形成工农生物技术联盟，从而减少工农差别，有利于解决三农问题。工业生物技术与现代工业技术组合，可以迅速转化为生产力。例如利用生物质资源生产成乙烯，所生产的乙烯可以直接和传统化工技术结合，生产各种各样的材料产品。工业生物技术将推动传统产业的结构调整和提升，大力发展工业生物技术，推行过程工业的生物制造，可以有效提升和改造现有传统生产技术，大大减少原材料和能源消耗，使产品精细化，提高经济效益，提高市场竞争力，进而形成新的产业和新的经济增长点。工业生物技术将会推动工业加工方式的一场重大革命。从化石资源集中的加工方式（传统工业文明）转为分散生物资源的分散加工方式（现代新文明）。（二）工业生物技术已经成为世界各国的强国策略，是保障国家能源安全、环境质量和经济发展的战略选择。以生物催化剂为核心内容的工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度。欧美日已不同程度的制定出在今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划。美国政府将生物与医药产业作为新的经济生长点，生物技术研究开发年费用高达380多亿美元，仅次于军事科学。英国、德国政府已通过立法，强化生命科学基础研究和生物技术企业的发展。2000年美国国会通过了“生物质研发法案”（Biomass

R

&

D

Act

of

2000）；2002年布什政府组建了“生物质项目办公室”（Office

of

the

Biomass

Program）,成立了专门的生物质技术咨询委员会（Biomass

Technical

Advisory

Committee）。2002年，美能源部和农业部联合提出了《生物质技术路线路》的政策性报告。该报告提出了美国的雄心勃勃的发展目标：即到2020年，生物燃油取代全国燃油消费量的10％，生物基产品取代石化原料制品的25％，减少相当于7000万辆汽车的碳排放量约1亿吨，每年增加农民收入200亿美元。其在结语中指出：“这份报告预示了一个充满活力的新行业将在美国出现，它将提高我们的能源安全、环境质量和农村经济，它将生产我们国家相当大一部分的电力、燃料和化学品”。2002年美国计划投资22亿美元继续促进利用生物质生产燃料及化学品的科技方向。日本政府从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”计划，提出了“生物产业立国”口号与“阳光计划”，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化过程视为能够和环境协调的产业体系形成的实现技术。新加坡政府制定了“5年跻身生物技术顶尖行列”，把新加坡建成“生命科学中心”的目标。欧盟委员会提出到2020年运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代，英国计划到2010年可再生能源发电量将占到全国总发电量的10％。印度制订了“绿色能源工程计划”，巴西的酒精能源计划等，纷纷投入巨资进行生物能源的研发。荷兰皇家壳牌石油公司和英国石油公司/美国国际石油公司都开始了包括生物质能源在内的可再生能源的投资；一些跨国公司如巴斯弗、杜邦、陶氏化学等亦介入此领域，巴斯弗的燃料电池汽车已在德国几个城市驰骋。据联合国统计，1990年生物能源消费占总能耗的6.7%，而到2000年生物能源的消费上升至13.8%。目前，一些国家生物能源消费已占总能源需求中很高的比例，瑞典为17.5%，芬兰为20.4%,

巴西为23.4%。生物能源研究主要集中在液体运输燃料（燃料乙醇和生物柴油）、生物质发电/供热、生物制氢与燃料电池、生物质气化、液化技术以及能源植物选育等。已市场化产品主要是燃料乙醇、生物柴油、生物质发电/供热等。美国政府一份21世纪发展规划提出，到2020年，通过生物催化技术，实现化学工业的原料、水资源及能量的消耗降低30%，污染物排放和污染扩散减少30%。这将对包括化学工业、医药工业及农业在内的各产业带来极其深远的影响。到2020年，将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料，而工业生物技术将起核心作用。因此有人预测21世纪将是工业生物技术崛起的新纪元。（三）工业生物技术已成为当今科技发展的最重要前沿之一,是世界知识产权争夺的战略制高点之一。放眼今天的科技领域，无疑生物学的发展最为迅速。具有代表性的成果，当推人类基因组计划(human

genome

project,

HGP)的成功，人类基因组的全序列的测定完毕，为全部遗传信息的破译奠定了基础。生命科学的研究已进人后基因时代，研究的重点也从结构基因过渡到功能基因研究。但是生物功能的主要体现者或执行者是蛋白质，细胞的许多重要功能是由蛋白质来完成的，因此对基因组的研究已回归到对基因的执行体一蛋白质组学的研究，特别是对功能蛋白质组的研究。从蛋白质相互作用组学到生化代谢网络，再到系统生物学。目前基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生化代谢网络、系统生物学等方面的发展突飞猛进，日新月异。人类基因组学及相关研究有力推动了医药生物技术发展，动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技术发展，微生物基因组及相关研究有力地推动了工业生物技术发展。工业生物技术发展的重点领域为：1、微生物资源库和微生物功能基因组学技术微生物菌种或酶是工业生物技术的基础。目前至少有58个国家建立了484个菌种保藏中心，保藏菌种80多万株。目前已经开发的商品酶有200种左右。可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物技术的需求。从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术的主要特点，大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。但是目前人类筛选的范围十分有限，仅占微生物总数的0.1%～1%，需要拓展筛选的范围。美国、日本、欧洲等国对新来源的菌种（包括极端微生物与未培养微生物）研究非常重视，特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等极端微生物在工业生物催化应用表现出巨大兴趣。美国政府一份研究规划中指出，到2020年可实现酶在130℃下催化反应，反应速度可提高16-30倍。新型生物催化剂的来源是工业生物技术发展的基础。需要特别指出的是：正是耐高温的DNA聚合酶的发现，才导致了PCR技术的诞生，从而才会有今天分子生物学的巨大成就，并且改变了生物技术的面貌。2、生物催化剂快速定向改造新技术近年来发展起来的定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。蛋白质定向进化技术是由美国工程院院士加州理工学院化工系教授Dr.

Frances

Arnold于90年代初提出。蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性强，可在实验室试管中操作。它可以使蛋白质(酶)在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到几年甚至几个月。分子定向进化技术已被用于上百个酶的进化。如枯草杆菌蛋白酶E，在有机溶液中（60%

DMF）的活性提高了170倍；β-内酰胺酶的耐抗菌素cefotaxime浓度提高了32,000倍；胸苷激酶对新底物（gancyclovir）的利用提高了43倍；卡那霉素核苷酸转移酶，在60-65℃的热稳定性提高了200倍；细胞色素P450酶，对完全新底物（过氧化氢）的利用提高了5-20倍；辣根过氧化酶，在酵母中表达产量提高了88倍。定向进化目前主要研究方向是：提高热稳定性、提高有机溶剂中酶的活性和稳定性，扩大底物底的选择性，改变光学异构体的选择性等。定向进化的核心技术为易错PCR技术、DNA

shuffling技术及高通量筛选技术。各类工业微生物的基因组学和蛋白质组学研究的飞速发展，产生了海量信息，随着高性能计算机和数据管理分析方法的进步，大大促进了工业微生物的生物信息学的发展，从而使得人们对酶的认识加深，使得应用传统的理性分子设计方法制造新的酶更加容易。这些技术在增加酶的反应多样性，改变酶的各种性能等方面已有应用。3、重要工业微生物的代谢工程1991年Bailey提出代谢工程的概念。过去10年以主要工业微生物为对象的基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究非常活跃。随着对微生物代谢网络研究的深入及DNA重组技术的日臻完善，通过基因克隆技术改变微生物代谢途径的某些关键步骤，大大提高了产物产率；通过基因重组技术改变微生物的代谢途径，还生产出传统发酵工业无法获得的新产品。微生物基因组学和代谢组学的快速发展，对代谢工程有极大的推动作用。大量新生物化学合成途径的解析，为生产化学品创造了前所未有的特殊机会。例如在分析代谢流的基础上，找到刚性节点，通过化学小分子调节关键酶，从而可以实现1，6－二磷酸果糖的超量生产。在木素纤维素为原料的燃料酒精工艺中，美国学者利用基因工程手段，将五碳糖产乙醇的代谢途径和六碳糖产乙醇的代谢途径整合到一个微生物中，构建出优良的产乙醇重组菌（Zymomonas

mobilis），能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产乙醇，大大降低燃料乙醇的生产成本。实际上，众所周知，高产又无害的生产菌种插入新的遗传信息后，会高效率，高产率的生产所需要的物质，利用基因工程菌生产的一个主要优点是它们可以被仔细的与外界隔离并容纳在发酵罐或生物反应器中，在可控制的条件下生产，它们不会从工厂逃逸，而由于基因工程菌泄露引起的环境问题和担忧就可以被避免。传统微生物发酵产业格局大体上包括抗生素、维生素、氨基酸、有机酸、（醋酸、乳酸、柠檬酸、衣康酸、苹果酸、葡萄糖酸等）、酶制剂、单细胞蛋白、溶剂（丙酮、丁醇）、乙醇、多糖、核酸、核苷酸等等。为了大幅度提高产量，国外近十年已大量采用基因重组技术改造原有菌种，并取得了相当明显的效果。如酶制剂产品，国外在非食品领域已有80%左右的产品使用基因工程和蛋白质工程技术改造生产菌种和产品，使产量大幅度提高，产品性能明显改善。在氨基酸工业、有机酸工业、抗菌素工业等都有许多品种，取得了很好的进展。如采用基因工程菌，苏氨酸的产酸提高了3倍左右，苯丙氨酸的产酸水平提高2倍多。随着现代生物技术的介入，生物技术将促进传统生物产业的全面技术改造，向以高产、优质、高效、资源节约、环境友好型为特征的现代生物技术产业过渡，并将培育一批新产业，包括生物材料产业、生物能源产业、生物化工产业及环境生物技术产业等。根据世界经合组织报告，应用工业生物技术可以降低成本和污染（环境成本），一般地，投资和操作费用可以下降10-50%，能量和水的费用可以下降10-80%。转基因技术、代谢工程技术等将构造微生物新的合成途径，并大大提高物质转化效率，从而有利于我国化工等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重之困境，加快我国工业产业结构的调整；发展微生物工程有利于化工、材料、医药、食品加工、纺织、造纸、冶金和能源等产业国际竞争力的提升，实现相关产业的跨越式发展。（四）工业生物技术呈现学科融合交叉的突出特点，体现了现代技术科学的活力与优势，将产生重大突破性成果。在科学技术高速发展的今天，学科间的交叉、渗透和融合的趋势日趋增强。化学学科是自然科学中的重要学科，是在分子水平上研究物质世界的科学，其联系着物理学和生物学，材料科学和环境科学，农业科学和医学，它是所有处理化学变化的基础。化学化工学科经过长期的发展，目前已是一门较为成熟的学科，无论在结构反应性原理，还是工程应用方面。特别是过去的一百年，是工程科技取得巨大成就的一百年。由于西方科技使用高度“浓缩”化石资源为原料，集中的生产方式，大大推动了过程工程技术的进步，并使得过程耦合、过程集成、过程强化、过程综合、过程控制、过程优化等系统工程技术得到长足的发展，为将化学化工科学和技术成果转化为现实的生产力打下了坚实基础。20世纪后叶分子生物学的突破性成就，使得在分子水平上研究生命现象和生命活动规律成为了可能，使生命科学在自然科学中的位置发生了革命性的变化。化学及工程学与生物学交叉与渗透无疑将给科学家提供一个范围广阔而欣欣向荣的发展领域－工业生物技术。将化学化工的优势和生物学的最新成果结合，将会产生突破性的成果，具有远大的发展前景。过程工程学科在生物制造体系的应用，将为实现高效的生物催化和转化提供工程实现的基础。人们广泛认为，工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮，是“21世纪化学工业的基本工具”。

工业生物技术作为一门新兴的交叉学科，边界还不十分明确，但它在研究方式上有一个化学家和生物学家从实验到工程紧密合作的特色，这种学科的密切交叉体现了现代技术科学的活力与优势；而在研究方法上则体现了化学向生物学的深层次渗透，并与生物学共享分子的结构与反应性原理。在微生物基因组学、蛋白质组学、代谢组学与代谢工程、分子酶学与酶工程、基因操作、生物催化工程及其他一系列工程体系和技术平台的基础上，工业生物技术可对传统工业生产加工过程进行根本的变革，以可再生生物资源取代不可再生化石资源，以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统物质加工方式，以精细化产品取代大量粗加工产品。工业生物技术是工业可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、能源危机、生态环境危机的根本技术途径。（五）工业生物技术产业发展迅猛，生物材料和生物能源成为新的经济增长点。工业生物技术应用于大规模化学品生产已初见端倪，如农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域。2002年J.Stratham

在

Current

Opinion

in

Biotechnology重点综述了129个已工业化的生物催化和转化过程，近年来呈现快速增长的趋势。美国该行业的产值已达200亿美元，超过了生物医药行业。工业生物技术的发展使现代生物技术已经渗透到包括医药、农化、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域。生物塑料、生物橡胶、生物饲料、生物肥料、生物乙醇、生物增塑（韧）剂、生物防腐剂、生物乳化剂、生物降解剂、生物化妆品、生物基化工平台化合物以及生物制药、生物采油、生物冶金、生物监测和生物降解等一系列新的产品和技术形成了一个庞大的现代生物技术工业王国，其产值已经在全球总GDP中占据了近十分之一的份额，并且呈现出强劲的增长势头。工业生物技术被用于生产多种原料和精细化学品如：乙醇，乳酸，柠檬酸，维生素，氨基酸，溶剂，抗生素，生物大分子，生物杀虫剂，工业用酶，生物染色剂，生物表面活性剂，生物碱，类固醇等等。通过工业生物技术，微生物（细菌，酵母和真菌）被培养并高效地将糖类转化为各种有用产品。工业生物技术在精细化学品、生物能源、生物材料以及生物质资源化方面发挥着重要作用。生物技术产业已经从医药领域逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化，向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移。许多原来用化学法生产的大宗化学品改用工业生物技术生产，如日本天野制药公司和美国杜邦公司用微生物生产乙醛酸，取代了原来反应条件苛刻、乙醛酸转化率低、环境污染严重的化学法工艺；采用传统化学法由丙烯腈合成的丙烯酰胺目前已基本被微生物技术工艺所取代；采用生物法取代化学法生产长链二元酸，不但工艺简单，而且品种多样。日本及德国早在上世纪90年代将高能耗的传统化学法生产的单甘油酯的生产技术被微生物法所取代等。2000年，美国的Cargill-Daw公司利用玉米为原料生产的生物塑料聚乳酸（PLA，140000吨/年）进入商业化，标志着工业生物技术产业进入了一个新的发展阶段。2020年全世界估计聚乳酸的需求量将达到1150～2300万吨。Dupont公司已经开发出生物法生产1，3丙二醇技术，正在进行工业化努力。这两项成果标志着用生物原料生产的生物材料已经开始具备市场竞争优势（前者能耗降低30～50%，后者降低25%）。美国能源部（DOE）ANL国家实验室(Argonne

National

Laboratory)开发了发酵法生产丁二酸新技术，2002年在Applied

CarboChemials

Inc.(ACC)进行了工业化生产。目前全球已拥有年销售额超过10亿美元的工业生物技术产品数十种，据统计，到2001年底全球工业生物技术工业产品销售额超过1500亿美元。燃料乙醇是国际上近年来最受关注的石油替代燃料之一，克莱斯勒、福特、通用等汽车巨头都推荐乙醇燃料，几乎世界上所有汽车制造商都把使用乙醇-汽油燃料列入其产品保证范围。生物质通过水解和发酵制燃料乙醇的技术是利用生物质资源的最为有效途径。2002年，欧洲大约生产了160万吨的酒精，其中225000吨主要在西班牙，法国和瑞典，被当作生物燃料使用。美国和巴西各自生产570万吨和870万吨被用做生物燃料的酒精（表1），与他们相比，欧洲处于比较弱的地位。就整个世界而言，2002年共生产了2600万吨酒精，其中63%当作生物燃料使用。在未来20年里，美国利用木质纤维素废物生产的乙醇产量有可能达到每年4.7亿吨，就能量而言，相当于现在的汽油消耗量。|||20世纪后叶分子生物学的突破性成就，使得在分子水平上研究生命现象和生命活动规律成为了可能，使生命科学在自然科学中的位置发生了革命性的变化。化学及工程学与生物学交叉与渗透无疑将给科学家提供一个范围广阔而欣欣向荣的发展领域－工业生物技术。将化学化工的优势和生物学的最新成果结合，将会产生突破性的成果，具有远大的发展前景。过程工程学科在生物制造体系的应用，将为实现高效的生物催化和转化提供工程实现的基础。人们广泛认为，工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮，是“21世纪化学工业的基本工具”。

工业生物技术作为一门新兴的交叉学科，边界还不十分明确，但它在研究方式上有一个化学家和生物学家从实验到工程紧密合作的特色，这种学科的密切交叉体现了现代技术科学的活力与优势；而在研究方法上则体现了化学向生物学的深层次渗透，并与生物学共享分子的结构与反应性原理。

在微生物基因组学、蛋白质组学、代谢组学与代谢工程、分子酶学与酶工程、基因操作、生物催化工程及其他一系列工程体系和技术平台的基础上，工业生物技术可对传统工业生产加工过程进行根本的变革，以可再生生物资源取代不可再生化石资源，以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统物质加工方式，以精细化产品取代大量粗加工产品。工业生物技术是工业可持续发展的一个重要支撑，是解决资源危机、能源危机、生态环境危机的根本技术途径。

（五）工业生物技术产业发展迅猛，生物材料和生物能源成为新的经济增长点。

工业生物技术应用于大规模化学品生产已初见端倪，如农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域。2002年J.Stratham

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Biotechnology重点综述了129个已工业化的生物催化和转化过程，近年来呈现快速增长的趋势。美国该行业的产值已达200亿美元，超过了生物医药行业。工业生物技术的发展使现代生物技术已经渗透到包括医药、农化、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域。生物塑料、生物橡胶、生物饲料、生物肥料、生物乙醇、生物增塑（韧）剂、生物防腐剂、生物乳化剂、生物降解剂、生物化妆品、生物基化工平台化合物以及生物制药、生物采油、生物冶金、生物监测和生物降解等一系列新的产品和技术形成了一个庞大的现代生物技术工业王国，其产值已经在全球总GDP中占据了近十分之一的份额，并且呈现出强劲的增长势头。

工业生物技术被用于生产多种原料和精细化学品如：乙醇，乳酸，柠檬酸，维生素，氨基酸，溶剂，抗生素，生物大分子，生物杀虫剂，工业用酶，生物染色剂，生物表面活性剂，生物碱，类固醇等等。通过工业生物技术，微生物（细菌，酵母和真菌）被培养并高效地将糖类转化为各种有用产品。工业生物技术在精细化学品、生物能源、生物材料以及生物质资源化方面发挥着重要作用。

生物技术产业已经从医药领域逐渐向化工领域转移，使传统的以石油为原料的化学工业发生变化，向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移。许多原来用化学法生产的大宗化学品改用工业生物技术生产，如日本天野制药公司和美国杜邦公司用微生物生产乙醛酸，取代了原来反应条件苛刻、乙醛酸转化率低、环境污染严重的化学法工艺；采用传统化学法由丙烯腈合成的丙烯酰胺目前已基本被微生物技术工艺所取代；采用生物法取代化学法生产长链二元酸，不但工艺简单，而且品种多样。日本及德国早在上世纪90年代将高能耗的传统化学法生产的单甘油酯的生产技术被微生物法所取代等。2000年，美国的Cargill-Daw公司利用玉米为原料生产的生物塑料聚乳酸（PLA，140000吨/年）进入商业化，标志着工业生物技术产业进入了一个新的发展阶段。2020年全世界估计聚乳酸的需求量将达到1150～2300万吨。Dupont公司已经开发出生物法生产1，3丙二醇技术，正在进行工业化努力。这两项成果标志着用生物原料生产的生物材料已经开始具备市场竞争优势（前者能耗降低30～50%，后者降低25%）。美国能源部（DOE）ANL国家实验室(Argonne

National

Laboratory)开发了发酵法生产丁二酸新技术，2002年在Applied

CarboChemials

Inc.(ACC)进行了工业化生产。目前全球已拥有年销售额超过10亿美元的工业生物技术产品数十种，据统计，到2001年底全球工业生物技术工业产品销售额超过1500亿美元。

燃料乙醇是国际上近年来最受关注的石油替代燃料之一，克莱斯勒、福特、通用等汽车巨头都推荐乙醇燃料，几乎世界上所有汽车制造商都把使用乙醇-汽油燃料列入其产品保证范围。生物质通过水解和发酵制燃料乙醇的技术是利用生物质资源的最为有效途径。2002年，欧洲大约生产了160万吨的酒精，其中225000吨主要在西班牙，法国和瑞典，被当作生物燃料使用。美国和巴西各自生产570万吨和870万吨被用做生物燃料的酒精（表1），与他们相比，欧洲处于比较弱的地位。就整个世界而言，2002年共生产了2600万吨酒精，其中63%当作生物燃料使用。在未来20年里，美国利用木质纤维素废物生产的乙醇产量有可能达到每年4.7亿吨，就能量而言，相当于现在的汽油消耗量。