時間：2023-08-30 09:16:49
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【關鍵詞】生物技術 糧油食品工業
生物技術又可稱之為生物工程，主要包括分子生物學、微生物學、細胞生物學、生理學、免疫學、系統生物學等多種學科，并和計算機、化學等學科內容相互滲透成為一個比較綜合的學科，主要包括基因工程、細胞工程、酶工程等技術，其中基因工程是其主要的核心技術，該種技術主要應用在農業、植物、醫學、食品、動物等領域。應用現代生物技術可以按照人們的意愿創造出人們想要的物種，或者是具有全新的功能，或者是改造原有的功能使其更好的滿足人們的需求。
一、生物技術在糧食生產中的應用
生物技術在糧食生產中的應用主要有以下幾個方面：可以利用轉基因技術獲得產量更高，并有一定的抵御蟲害的作物品種，獲得營養價值更高的作物品種，此外，還可以利用細胞工程技術對植物進行無性繁殖，從而獲得高產量的作物，利用生物技術可以制造出無毒生物農藥從生產出更多的綠色產品。生物技術培育出的作物主要有三代，第一代是通過培育轉基因作物可以提高農作物抗蟲害的能力，目前種植面積比較多的是抗除草劑的農作物。第二代是通過轉基因來提高農作物的營養價值為主要特征。第三代是通過轉基因作物提高食品的免疫功能，即可以利用轉基因的作物來生產一些具有新功能的食品以及藥物。
二、生物技術在糧油加工中的應用
我國的糧油加工產品主要以初級產品為主，而在食品的精深加工方面比較落后，資源的深層次利用率比較低，而利用生物技術可以將產品原料加工成產品并實現產業化，通過對農產品的二次開發以此形成新的產品。利用生物技術可以快速的提高糧油加工的能力并提升水平，使我國的糧油加工生產能力能夠得到跨越式的發展。
三、生物技術在食品加工中的應用
生物技術已經滲透到了食品加工的各個方面，利用基因工程可以有效的改良發酵工業中的微生物菌種，對食品加工原料進行改造，提高氨基酸在食品加工中的含量，此外，利用基因工程還可以改進其生產工藝，進一步提高食品的營養價值。利用蛋白質工程可以創造出人類需求的不同功能的蛋白質新產品，可以更改酶的特性。在食品工程中酶技術的應用比較成熟，在糧油食品加工中應用比較廣泛的是酶制劑的應用，主要有釀造酶、蛋白酶、果品酶等。這些酶主要應用在果蔬加工，乳制品加工等方面。
四、生物技術與食品安全
生物技術在食品安全中的應用主要是轉基因食品安全問題。任何物種在進化過程中都會經歷自然選擇或者是人工選擇，他們能夠幸存的物種都是這兩種選擇的結果，不過是自然選擇還是人工選擇其實質都是遺傳變異選擇，在物種進化中遺傳是基礎，變異一定會存在。任何物種都是在遺傳的基礎上經過進化發展而來的，對遺傳變異進行人工選擇就是常規育種，而轉基因育種在本質上和常規育種并沒有本質的區別，轉基因的食品安全問題和其它新出現的技術一樣，只是在人類科學進步進程中新出現的科學問題而已，應該對以抱有正確的態度，深入的對其進行研究和探討。轉基因技術作為發展最快的新技術，正對人們生活的各個方面產生巨大的影響。
五、生物技術與食品安全檢測
食品安全越來越受到人們的關注，日常食品安全已成為人們生活的焦點，為了讓人們吃到更為安全的食品，對食品安全檢測技術的研究已經提上日程，而生物技術在食品安全檢測中的應用，發揮了較大的推動作用，并取得了不錯的效果。在當前的食品安全檢測中比較廣泛應用的生物技術有生物芯片、免疫技術等生物技術，通過這些生物技術的應用使得食品安全的檢測更加方便快捷而且靈敏度也比較高，人們對食品安全也更加放心。
六、糧油深加工生物技術的進展
在糧油深加工方面，美國主要利用酶以及發酵工程來進行糧油資源的開發，同時還利用基因工程等生物技術來改良農作物的性能，改善農作物所含的營養價值。生物技術在糧油加工中的應用主要有以下幾個方面，首先是利用生物技術進一步提高農作物的產量，并為農作物的生產尋找更好地的農業技術。通過新的生物技術的應用進一步改良農作物的品種，另外，還有利用農作物、農業廢棄物和加工副產物生產工業制品，包括生物能源、生物材料等。
七、結語
生物技術在食品糧油領域，在食品生產、糧油食品加工以及副產品利用等方面都有重要的應用，隨著基因組技術在農作物的成功實施以及深入開展，新一輪的農業技術革命將會展開。為此，要認識在糧油食品安全領域生物技術應用的重要性，并不斷在糧油食品加工中引入生物技術，以更好的促進糧油食品加工行業的發展。
參考文獻：
【關鍵詞】環境保護工程；生物技術；進展
隨著環境保護工程的廣泛展開，生物技術的應用已經拓展到各個方面，從單個環境目標治理，發展為全系統的廣泛應用。本文主要闡述環境保護工程中生物技術的應用及重要進展進行論述。
1 環境保護與生物技術關系概述
環境保護的涉及面很廣，包括空氣質量、水資源保護、土地保護、森林保護等內容。由于人類對自然資源的過度開發和不合理利用，環境問題已經日益激化，生物技術作為一項有效的科技手段，對解決環境問題有著積極地作用。在當今資源保護過程中，生物技術已經占有主要的地位，生物凈化技術的應用得到廣泛認可。
我們享受著經濟發展給生活所帶來的舒適和方便，卻忽視了環境對人類發出的警告。經濟發展的代價是環境的嚴重破壞，隨著環境破壞程度越來越嚴重，人們開始清醒的認識到環境必須要好好治理了。國人環境治理的意識正在不斷的加深，生物技術得到了很好地發展，并應用到實際治理污染中[1]。雖然生物技術取得了一定的成績，但仍然無法高效的解決環境污染問題。因此，我們對生物技術的研究還要繼續深入，有效地實現研究成果和工程技術的結合，使之成為成熟的技術并推向市場。
生物技術方向潛力巨大，有很多領域都有新發現，繼續挖掘生物技術的潛能，是未來環境治理的主流方法。生物技術的發展給環境保護帶來了福音，但是生物技術的應用必須是嚴謹的，并遵守既定的原則，否則可能會再次對環境造成污染。隨著人們生活節奏的不斷加快，人們對于快捷方便的生活方式越來越依賴，但是經濟發展不能以犧牲環境為代價，人類應該以高效率、低耗能、投入少的方式發展經濟。生物技術能夠成為經濟發展的基本保障，深入研究生物技術，符合我國環境發展的國情。
2 環境生物技術的特點及現狀
無數種生物構成了地球的生態系統，依靠這些生物完成了生態系統內的物質循環過程。環境生物技術產生就是利用了物質循環的原理，隨著科技的發展生物技術被證明是環境保護的理想手段，這一技術的獨特功能在解決環境問題過程中顯示出無可比擬的優越性，這充分體現出它是一個純生態的過程，符合我國可持續發展的戰略思想。生物技術對處理環境污染具有很好地作用，同時具有速度快、成本低、效率高、消耗低等優點。因為生物技術來源于自然界中的生物，所以具有無二次污染、反應條件溫等顯著特點。環境生物技術明顯的優勢以及其廣闊的市場前景，受到了世界各國的高度重視。
目前環境保護對生物技術的應用主要是微生物及其衍生物，少部分生物技術利用植物控制環境污染。目前生物技術是環境保護中應用最廣泛、最為重要的技術，其在很多領域發揮作用。大氣污染治理、水源污染控制、清潔可再生能源的開發、有毒有害物質降解、
廢物資源化、污染環境修復、環境監測和重污染企業的清潔生產等各個方面都有生物技術的身影，并發揮著極其重要的作用[1]。使用環境生物技術處理環境污染物時，最終產物大部分是無毒害且穩定的物質，大部分有機污染物都轉化為二氧化碳、水和氮氣等。應用生物技術處理污染大多能一步到位，避免了污染物再次轉移，因此它可以安全而徹底的消除污染。大部分有機污染物適可作為其他反應的底物，這些有機污染物經過生物轉化后變成酒精、沼氣、氨基酸、多肽等有用物質。生物轉化的技術因此常常作為有機污染物資源化的首選技術。
3 環境生物技術的應用進展
3.1 在治理大氣污染和改善空氣質量中的應用
霧霾是2014年出現頻率非常高的詞，整個冬天它都糾纏著我國大部分城市，這樣大規的霧霾天氣說明我們的空氣質量正在急速下滑，大氣污染問題已經不容忽視，它已經嚴重影響人們的生活和身體健康。我國對治理大氣污染、空氣污染非常重視，生物技術已經應用在大氣污染治理上。目前主要采用的方法有生物的吸附、生物的洗滌和生物的過濾等方法[2。生物技術雖然仍需要更大程度的提升，但與傳統的廢氣治理方法相比，生物技術轉化廢氣效果更加明顯，而且節省時間，大大提高了工作效率。生物技術對能源的凈化和轉化更加安全可靠，經過處理的氣體不會造成二次污染，甚至可以達到二次利用的效果。
3.2 在改善水體質量，治理水源污染中的作用
生物技術應用最為廣泛的領域就是在改善水體質量方面，生物處理是目前水處理技術的重要手段，世界范圍內大多都采用這一方法進行污水的處理。我國在污水處理上也會遵循這一趨勢，不斷研究發展并提升生物處理污水的能力。目前常見的水污染治理的生物技術有活性污泥法、生物膜處理法、穩定塘法、土地處理系統法和人工濕地處理系統法等[1]。生物技術應用突出表現在微生物水處理劑、廢水處理、以及生物修復等方面。
3.3 在治理土地污染中的作用
我國針對土壤嚴重污染的問題，出臺了較多政策進行治理。目前我國通常采用物理治理的方法解決土地污染，通過大面積的植樹造林，保持水土，啟動土壤森林凈化循環的作用，避免發生大范圍的水土污染和流失。其他物理化學方法以洗脫、吸附）為主 ，不僅投資成本高，而且極易造成二次污染[1]。我國作為農業大國，農業生產對土地的依附性很大，如果不注意土地污染問題的治理，后果不堪設想。但傳統方法修復周期過長，治理速度遠遠不及污染速度，因此必須運用生物技術對土壤污染進行治理，同時保護土壤的有機成分，挽救每況愈下的土地。
3.4 生物技術的其他應用方向
生物轉化過程是以酶為反應介質進行的，因為酶是一種活性蛋白，極易受到酸、堿及高溫的破壞，所以生物反應的過程必須在常溫、常壓的環境下進行。生物反應的條件相對比較好達到，因而其投資少、耗能低、速度快好、效果好、操作簡便、設備簡單。
生物轉化代替化學處理可以大大降低反應過程的污染水平，更有利于實現生態化生產或無廢生產，從而實現清潔生產的目的。此外，生物反應的產品及副產品大多都是可以加快生物降解，有的甚至是下一次反應的催化劑，且反應產物大多可以作為其他生物的營養源加以利用。用生物反應產物代替一些化學藥物、人工合成物、化石能源等，能把產生活動帶來的環境污染降到最低，真正使經濟發展遵循可持續發展的原理。應用生物技術還可以處理其他方法無法處理的環境問題，比如生物修復技術凈化環境，能使受污染的珍貴資源如水資源、土地資源等恢復到健康的水平。
4 結束語
隨著經濟的不斷發展，我國環境問題日益凸顯，環境問題亟待解決，現有的生物技術已經不能滿足社會發展的需要，因此需要不斷挖掘生物技術的潛力，環境治理和技術革新的探索之路還要繼續走下去。未來生物技術的研究必須要考慮到經濟發展的因素，實現經濟發展與環境保護相統一，促進社會進步與環境保護的協調發展。
參考文獻：
甲硫氨酸是繼谷氨酸之后產量第二大的氨基酸，2011年，針對動物飼料的甲硫氨酸市場年銷售額約28.5億美元，銷量85萬噸，年增長率5%。據不完全統計，2014年全球甲硫氨酸需求量約100萬噸，呈逐年增長趨勢。目前甲硫氨酸三大主要生產商為贏創（原德固賽）公司，安迪蘇（原普朗克）公司和日本曹達（原孟山都）公司[6]。2006年，中國藍星有限公司收購安迪蘇子公司，并于2010年在江蘇南京開始建廠，將最初年產能7萬噸的計劃翻倍至14萬噸。該廠的建成投產將結束中國重要動物飼料添加劑完全依賴進口的局勢。贏創公司2011年12月決議，在新加坡建立產能15萬噸的甲硫氨酸加工廠，將在2014年第三季度投入生產。韓國杰希公司和法國阿科瑪公司于2012年宣布將在東南亞建立產能8萬噸的甲硫氨酸加工廠，該廠將采用全新的發酵-化學法聯合生產線。德國巴斯夫公司雖然于2007年申請了發酵生產甲硫氨酸的專利，但至今仍不適用于商業生產。法國邁陀保利克公司和羅蓋特公司合作致力于L-甲硫氨酸發酵產品的研發[6]。
2生物技術生產甲硫氨酸研究進展
2.1微生物發酵路線的相關研究
2.1.1甲硫氨酸生物合成途徑的研究
為構建甲硫氨酸生產菌，首先需要了解甲硫氨酸的生物合成途徑，其中最基本的氨基酸生產菌——大腸桿菌(Escherichiacoli)和谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriumglutamicum)成為研究者關注的焦點。如圖1，細菌中甲硫氨酸合成途徑以天冬氨酸為起點，經天冬氨酸激酶(aspartokinase，AK)和高絲氨酸脫氫酶(homoserinedehydrogenase，HSD)兩個限速酶催化，生成高絲氨酸，進而分別合成蘇氨酸和甲硫氨酸。甲硫氨酸合成存在兩個途徑：巰基轉移途徑以胱硫醚為中間體，以半胱氨酸為硫源，而直接巰基化途徑則可利用無機硫源。大腸桿菌只通過巰基轉移途徑合成甲硫氨酸，谷氨酸幫桿菌可同時利用兩個途徑。2002年Hwang等[14]在谷氨酸棒桿菌中發現了甲硫氨酸生物合成的直接巰基化途徑，并對metY或metB進行突變，比較突變株生長參數。兩種酶在序列上存在相似性，但微生物優先選擇巰基轉移途徑。因此它們在進化上可能來自同一種酶，而MetY是長期進化過程中突變和自然選擇的結果，存在受甲硫氨酸反饋抑制、與底物親和性低的缺陷。2007年，該課題組[15]對MetB和MetY進行純化，比較了二者的生化參數。發現MetB和MetY對O-乙酰高絲氨酸催化作用的Km值分別為3.9和6.4mmol/L，與之前的推測吻合。同時，MetY對硫化物離子的Km也過高，證明其與硫化物離子的結合也很微弱，溫度和pH耐受性也較MetB差。至此，MetY存在的生理意義和利用價值尚不明晰。2006年，Krmer等[16]在對大腸桿菌和谷氨酸棒桿菌甲硫氨酸代謝途徑進行計算機模擬分析時發現，以甲硫醇為硫源時，NADPH的消耗減少，可使甲硫氨酸理論產量得到提高。以甲硫醇或其二聚體二甲基二硫為硫源的原理是將其-S-CH3基團完整地插入甲硫氨酸的R基而直接生成甲硫氨酸。這一理論在2010年被Bolten等[17]證實，并通過基因敲除和14C同位素示蹤實驗證明，催化這一反應的酶正是MetY。至此，MetY這一獨特功能為該領域的研究提供了全新的線索。
2.1.2甲硫氨酸生產菌選育的相關研究
除發酵常用的谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌之外，枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、百合棒桿菌(Corynebacteriumlilium)也常用作改造的出發菌株。2012年，Dike等[3]從不同土樣中篩選出三株蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)RS-16，DS-13,和AS-9，其中最優菌株RS-16經96h發酵產甲硫氨酸1.84mg/mL。但野生型菌株氨基酸的生物合成受到嚴格的代謝調控，一般不能滿足大量生產氨基酸的需要。因此，需要人為打破微生物對甲硫氨酸生物合成的代謝調節。篩選抗結構類似物菌株和營養缺陷型菌株是最常用的育種方法。2003年，Kumar等[18]采用紫外和亞硝基胍誘變技術處理百合屬棒桿菌，篩選獲得M-128菌株，其甲硫氨酸產量為2.3g/L；2009年，閔偉紅等[19-20]通過抗結構類似物的篩選獲得北京棒桿菌(Corynebacteriumpekinense)突變株E31，其甲硫氨酸產量達1.479g/L。2011年，該課題組以E31為出發菌株，采用復合誘變和青霉素濃縮法篩選獲得12株賴氨酸和蘇氨酸雙重營養缺陷型突變株，其中突變株GE37的甲硫氨酸產量達3.55g/L。這些傳統的改造方法機理難以闡明，工作量大，但突變全面、有效。隨著基因技術的發展，2007年，Park等[1]解除了蘇氨酸對HSD的反饋抑制，同時敲除了thrB基因，阻止蘇氨酸合成。分批發酵過程中甲硫氨酸產量達2.9g/L。2011年，Chen等[21]利用分子動力學模擬與統計耦合分析相結合鑒別出30個關鍵氨基酸殘基，并證明這些殘基的突變可在不同程度上解除大腸桿菌AKⅢ的反饋抑制。至此，對于兩大限速酶的研究逐漸趨于半理性，能在代謝和進化水平上做出合理的解釋，改造目標更明確。在菌種選育過程中，一些新發現也給研究人員以啟示。2005年，Mampel等[22]對谷氨酸棒桿菌進行轉座子誘變，得到7000個具有乙硫氨酸抗性的突變株，轉座子插入位點為ORFNCgl2640，NCl2640失活會導致甲硫氨酸產量增加，證明該位點與L-甲硫氨酸合成途徑中某種抑制的解除密切相關。其結構和具體功能有待科研工作者深入研究。2010年，Bolten等[17]發現了MetY的獨特功能后，試圖對MetY進行過表達以增加甲硫氨酸產量，結果MetY酶活力提高近30倍，但發酵液中并無甲硫氨酸，胞內甲硫氨酸產量也只提高2倍。胞內組分分析發現其底物O-乙酰高絲氨酸已完全耗盡。這說明半理性的單基因修飾難以保證整個代謝網絡的平衡，以途徑中各代謝物和酶的功能性質及代謝流分布信息為基礎，更加理性化的多基因修飾成為下一階段的研究目標。2002年BiranD發現大腸桿菌[23]中MetA極易被四種依賴ATP催化的蛋白酶水解，且該基因受熱轉錄休克調控。2013年，Dike等[24]對根癌土壤桿菌中MetA進行表征時發現了相同的不穩定性和極端不耐熱特性。這極有可能也是賴氨酸和蘇氨酸易發酵生產，在同一途徑下游的甲硫氨酸卻一直難以實現發酵生產的重要原因。
2.1.3甲硫氨酸向胞外輸出的研究
發酵法生產甲硫氨酸在合成水平上不易達到增產目標，即便細胞質內甲硫氨酸產量得到提高，釋放至培養液中的量卻極少。總結有以下兩方面原因：①微生物自身調控嚴格，為趨利避害，甲硫氨酸在自然條件下不會過量積累，即使經改造的菌株，甲硫氨酸的產量與微生物細胞適應性之間的平衡也難把握。②即使細胞質內甲硫氨酸過量積累，但其輸出體系不完善，產物被微生物自身再利用或直接傷害細胞。2005年，Trtschel等[25]在已經提高了胞內甲硫氨酸濃度的條件下，利用DNA微陣列技術識別出過量表達的膜蛋白基因brnF（編碼BrnFE中較大的亞基），之前研究表明其與異亮氨酸輸出體系有關。當BrnFE的合成被氯霉素關閉時，仍能觀察到大量甲硫氨酸輸出，只有極大提高氯霉素水平，其輸出才會減弱。這說明甲硫氨酸輸出體系不止一個，還存在不易被識別、但輸出能力高的其它體系。發掘并擴增輸出通道既可增加發酵液中甲硫氨酸產量，又能避免代謝物積累對微生物的損傷。
2.1.4發酵條件的相關研究
對于甲硫氨酸發酵，最特殊的培養基成分即硫和甲基。以谷氨酸棒桿菌為例，2006年，Krmer等[16]用計算機模擬了不同硫源在甲硫氨酸合成途徑中的應用。以硫酸鹽為硫源通過直接巰基化途徑生成1mol甲硫氨酸消耗8molNADPH，巰基轉移途徑消耗9molNADPH，而以硫代硫酸鹽為硫源，整個代謝過程只需要5.5molNADPH，以硫化物為硫源，NADPH消耗量僅為硫酸鹽的一半。但PPP途徑和TCA循環所能提供的NADPH是固定的，因此不同硫源的利用效率有待在實踐中考證。硫與甲基來源的結合可以考慮比較硫代硫酸鹽與甲酸鹽、硫化物與甲酸鹽及甲硫醇的利用情況。除了這兩種關鍵組分，2014年，Anakwenze等[26]從發酵的油豆種子中分離出甲硫氨酸產量為1.89mg/ml的赤云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis)EC1，對發酵總體積、接種量、碳源及氮源濃度、促生長物質均進行探索優化，最終赤云金芽孢桿菌EC1甲硫氨酸的產量可以達到3.18mg/mL。對于發酵工藝的探索一直是實際生產中的關鍵。Sharma等[27]研究了百合棒桿菌產甲硫氨酸中稀釋速率與溶解氧對甲硫氨酸產量的影響。最終確定當稀釋速率為0.16、溶氧為42%時，甲硫氨酸生產速率最大值為160mg/(L•h)。2012年，賈翠英等[28]研究了不同破壁方法對細菌甲硫氨酸產量的影響。結果表明，經堿破壁、溶菌酶破壁，超聲波破壁、堿與超聲波復合破壁、溶菌酶與超聲波復合破壁后，甲硫氨酸產量分別提高10.9%、12%、18.3%、19.6%、22.2%。這種工藝可以將胞內甲硫氨酸釋放出來，增加收率，復合破壁比單一破壁效果更顯著。
2.2酶法生產路線的相關研究
2.2.1外消旋混合物拆分生產甲硫氨酸
酶法拆分又分為兩種思路，傳統的拆分是消除外消旋混合物中的D-甲硫氨酸，另一種路線將D型轉化為L型，純化的同時也增加了產量無疑是更理想的選擇。2007年，Findrik等[29]利用原玻璃蠅節桿菌(Arthrobacterprotophormiae)中D-氨基酸氧化酶、過氧化氫酶、紅球菌(Rhodococcus)中L-苯丙氨酸脫氫酶、博伊丁假絲酵母(Candidaboidinii)中甲酸脫氫酶串聯實現D-甲硫氨酸向L-甲硫氨酸的完全轉化。更具意義的是，D-氨基酸氧化酶和L-苯丙氨酸脫氫酶可以作用于不同的底物，因此，該體系也適用于其它D型氨基酸及某種氨基酸外消旋體向L型的轉化合成。
2.2.2化合物酶解生產甲硫氨酸
2014年，Jin等[30]對大腸桿菌中經密碼子優化的腈水解酶基因進行重新合成和表達，從而有效利用2-氨基-4-甲硫基丁腈水解生產甲硫氨酸。并在催化劑充足的情況下，以固定的底物/催化劑比值探索底物最佳濃度。該課題組也對在填充床反應器中利用固定化靜息細胞生產甲硫氨酸進行了研究，結果顯示固定化腈水解酶100h后活性仍大于80%，甲硫氨酸總回收率達97%。該項研究表明，重組腈水解酶應用于甲硫氨酸生產具有巨大潛力，酶在微生物體內的過表達與酶的固定化技術相結合可能實現產量突破。
2.3發酵與體外酶催化路線相結合
發酵法即以培養基組分為原料，利用微生物自身體內代謝反應，將低成本原料轉化為高價值產品，是最經濟環保的氨基酸生產方式。發酵法之所以至今無法應用于甲硫氨酸生產，關鍵在于其合成途徑的每一步均受到嚴格地反饋抑制，經本課題組改造后的菌株GE37的甲硫氨酸發酵產量也僅為3.55g/L[20]。因此發酵法生產甲硫氨酸仍處于科研階段。體外酶催化反應目前并沒有一套完整的獨立生產體系，而是作為化學生產方法的輔助手段，2000年之前即用于DL-同型半胱氨酸向L-甲硫氨酸的合成及DL-甲硫氨酸的分離[31]。近年的研究也多屬于化學合成法的下游，目的是獲得高純度的L-甲硫氨酸。酶催化與發酵法相比，反應過程較短，反應體系及條件易靈活操控。因此，發酵與體外酶催化路線相結合可以回避微生物的部分反饋抑制，縮短發酵過程以得到產量較大的中間體，進而以此為底物合成L-甲硫氨酸。韓國杰希公司采用的發酵/化學法聯合生產工藝即為兩種路線結合的實例，并于2012年宣布在東南亞建立產能80000噸的甲硫氨酸加工廠。該路線以葡萄糖為基質，利用微生物發酵法生產琥珀酰高絲氨酸，隨后用酶將這一中間產物轉化成甲硫氨酸和琥珀酸。如圖3所示，經計算，這種全新的發酵/化學法聯合工藝生產的L-甲硫氨酸成本略高于化學合成法[6]。
3面臨的問題及展望
3.1發酵法生產面臨的問題和建議
甲硫氨酸與其他氨基酸相比至今難以實現發酵法生產，綜合上文所述，總結了以下三個方面原因和建議：
3.1.1硫源的利用效率
甲硫氨酸與其他氨基酸最大的不同即對硫源的需求，而發酵法應用最普遍的硫源為硫酸鹽，需消耗大量NADPH，但生物體能提供的NADPH有限；硫化物對NADPH需求量雖少，但因多有毒且穩定性差，不適用于培養基；硫代硫酸鹽兼具氧化性與還原性，應該對其進行進一步選擇和研究。甲硫醇作為硫和甲基的綜合供體，可以縮短代謝途徑并為最后一步提供更多甲基。因此，應該對硫代硫酸鹽與甲硫醇或二甲基二硫的復合使用進行新的嘗試。提高NADPH的供應量也是菌株改造的策略之一。
3.1.2代謝途徑調控的改造硫和甲基的參與已經使代謝途徑增長，而合成途徑中涉及到諸多反饋抑制性酶，進一步削弱了代謝流。如何確定關鍵酶、發現酶的活性中心及抑制劑結合位點，并進一步識別關鍵殘基成為一個艱巨的課題。通過半理性設計，本課題組已找出北京棒桿菌(Corynebacteriumpekinense)天冬氨酸激酶與抑制劑結合位點有直接或間接作用的所有關鍵氨基酸殘基，并通過突變解除反饋抑制得到高活力菌株。2013年，李慧穎[32]得到突變體R169H，酶活較突變前提高2.3倍；同年，郭永玲[33]得到突變體T361N、A362I，酶活分別提高47.99倍、34.60倍；2014年，任軍等[34]得到突變體G277K，酶活提高9.48倍；同年，朱運明等[35]得到突變體G377F，酶活提高9.3倍。此外，類似的單基因修飾研究缺少全面性和持續性，還應對改造前后的代謝流變化進行對比分析，嘗試針對改造后的缺陷進行多基因修飾，繼續對甲硫氨酸產量是否提高進行試驗。較成功的理性設計在甲硫氨酸同族氨基酸——賴氨酸生產中有成功的先例。2013年，SKind等人[36]根據TCA循環和賴氨酸合成途徑相關知識，通過敲除sucCD在琥珀酰輔酶A合成酶水平上有目的性地阻斷TCA循環，使其與賴氨酸合成途徑相結合，增加目的產物合成途徑代謝流，產量提高60%。由于理性設計需要大量全面準確的生物學信息，直接針對代謝流的整合在甲硫氨酸研究領域還需要嘗試和突破。
3.1.3關鍵酶在代謝過程中的穩定性
在大腸桿菌和根癌土壤桿菌中均證實了高絲氨酸酰基轉移酶(homoserinetranssuccinylase,HTS)的不穩定性，這可能也是賴氨酸和蘇氨酸易發酵生產，而同一途徑下游的甲硫氨酸卻一直難以實現發酵生產的重要原因。其極端不耐熱和易被蛋白酶分解這兩大特性，是發酵法面臨的難題。對Biran等人發現的四種可能分解HTS的蛋白酶進行修飾，或與嗜熱菌關鍵基因整合都是菌株改造可以嘗試的方向。此外，甲硫氨酸向胞外輸出的研究尚不成熟，可在菌株改造后，對胞內組分進行量化分析，以探索胞內甲硫氨酸產量最大時的條件，以及能分泌到胞外營養缺陷型菌種選育。
3.2酶法生產面臨的問題和建議
【關鍵詞】含油廢水；生物技術；過程；深度處理
一、生物處理技術的概況介紹與應用實例
（一）概述
生物處理技術處理含油廢水指的是利用在微生物代謝作用下，將分散到水中的原油、有機污染物進行降解處理，使有機污染物質轉化為穩定的無害物質，最終完全無機化。近來較普遍應用且相對成熟的生物處理工藝包括好氧生物處理技術和厭氧生物處理技術兩大類。顧名思義，所謂好氧生物處理技術，是指利用好氧微生物代謝作用處理含油廢水的技術，按所選材料，分為活性污泥法、SBR法、生物膜法、氧化塘法、AB處理法等形式；而厭氧生物處理技術，則是利用厭氧微生物作用進行含油廢水處理的技術，按處理設備，分為厭氧接觸法、厭氧生物濾池、升流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧生物轉盤等處理方法。這兩類生物處理技術在有機物負荷、污泥產率，能耗、營養物需要量、應用范圍，對水溫適應性、啟動時間以及處理效果各方面作用不同，相對來說，好氧生物技術在處理效果上較厭氧處理技術好，但兩者各有其優缺點，單純采用一種技術難以達到理想效果。因此，結合使用兩種處理技術進行含有廢水處理變得較為普遍，遵照分級處理程序，先采用厭氧技術進行初步處理，利用好氧工藝進行處理檢驗和再處理，以確定合理的技術過程。
（二）實例
學者對含油廢水處理技術的綜合研究表明，油田污水的處理方法很多，如物理法、化學法等，這兩種方法都能夠獲得一定的處理效果，但存在較多劣勢，前者成本高，后者由于投入了化學藥劑極易產生二次污染。相比之下，生物處理技術的經濟性、適用性最強，對于大規模污水處理收到較好效果。在國內許多油田得到應用，以下對應用該技術的油田及其廢水處理工藝作基本介紹：1.勝利油田王家崗廢水處理站，該站點建成投產于2002年，利用美國公司菌種，由油田自行設計完成占廢水總量約為70%的含油廢水處理工程。其技術處理過程為：含油廢水—接收罐—兩級大罐沉降—溶氣浮選—混合池—接觸氧化池—沉淀池—計量排放。該站經過生物處理技術的廢水指標滿足國家廢水排放標準。2.大港油田東二廢水處理站，該站用美國公司RBC菌種，借助容積為2700m3的接觸氧化池每天處理上萬立方的廢水。其廢水處理技術過程為：兩級沉降—過濾—隔油—接觸氧化池—緩沖池—氧化塘—排放。經處理后的廢水符合國家要求排放標準。3.冀東油田高一聯廢水處理站；該站同樣建成并投產于2002年，該工程采用石油大學技術每天實際處理的廢水量約3600m3，僅小于設計處理能力400m3，其廢水處理技術過程為：兩級大罐沉降—過濾—緩沖罐—泵提升—冷卻塔—均質池—厭氧池—中沉池—接觸氧化池—二沉池—緩沖池—提升—排放。對外排水質的驗收報告平均數據進行處理，表明廢水排放符合國家標準。
二、含油廢水生物處理技術方法
隨著油田開采力度加大，采油技術也在不斷發展，前后經歷了天然能量動力、人工注水方式、改變注入水特性這三次采油變化。目前較普遍采用以人工注水方式保持地層壓力，以及通過改變注入水的特性提高采油率的后兩種采油方式。由于經電脫水、分離出來的“油田污水”成分復雜，除含原油以外，還溶有各種有害雜質，因此，選取生物處理技術對廢水進行處理，方法有：1.曝氣生物濾池組合工藝法，該方法是在微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和食物鏈分級捕食作用以及反硝化作用下共同完成的。相比傳統的活性污泥法，具有生物濃度、有機負荷高，占地面積小，過程簡單，成本投入低，抗溫性好，菌群組成合理，耐沖擊性等優點。包括：1）膜生物反應器—曝氣生物濾池法，它能夠高效快速過濾超濾膜，同時有效降解高濃度活性污泥生物，且不借助二沉池和污泥回流系統，具有成本小、能耗低以及處理效果好等優點。2）超聲氣浮—BAF法，在羥基自由基氧化、氣泡內高溫熱解和超臨界水氧化三種因素作用下，利用聲化學這一邊緣科學，在大于20Hz的超聲波條件下，提高化學反應速率，超聲波有促進有機污染物降解和提高廢水的可生化性的功能，但單獨應用時去除廢水中有毒物質的能力不高。3）A/O—BAF法，此方法模式是“隔油/氣浮/二級生化”，處理效果不甚理想。2.氧化溝，氧化溝是在20世紀中期由荷蘭開發的一種污水處理工藝，它是在傳統活性污泥法的基礎上進行改造生成的，污水和活性污泥的混合液可在溝渠形的曝氣池中循環流動。其技術過程簡單，處理效果良好，排放水達標。3.人工濕地，該方法處理污水最初是借助蘆葦之類的人工濕地凈化污水，去除其中大量有機和無機物。經過發展，演變為利用基質、微生物和植物，在生態系統的物理、化學和生物協調作用下，通過過濾、吸附、吸收和分解等一些列過程來凈化廢水，實現廢水無害化處理目標。同時通過生物地球化學循環，有利于綠色植物生長。它在出水水質、營養物質去除能力、成本費用、技術含量、綜合管理方便等方面具有明顯優勢。4.氧化塘，將各類微生物和藻類置于氧化塘中，發生氧化反應后，去除有機污染物，使其轉變為無機物。研究表明，它對油、酚類有機物、硫化物等的去除效果都較好。5.特種菌類處理，在污水生物處理中，很多細菌具有特殊功能，這些菌類經過分離、培養后，對有機物處理有良好效果。
三、生物處理技術的主要問題及趨勢
目前采用高效降解菌的生物深度處理技術在含油廢水深度處理領域的研究已取得很大進展，但未來發展中仍存在以下問題，需要重視。體現在：1.由于含油廢水所含有機物復雜、繁多的特性，需要結合各種方法，優化各步處理技術，再找出一套綜合工藝，滿足深度處理技術高效處理廢水的要求。2.提高含油廢水深度處理器殊菌的濃度與活性。在了解含油廢水成分組成的基礎上，分離、培養各篩選優勢菌種，監測該菌的最佳降解條件。根據反饋信息，提高凈化效率。3.基于生物工程技術的處理效果，創新技術。提高更有效處理含油廢水的可能性。
國外處理采油廢水的技術已經由單一利用一種方法轉變為多種方法結合使用，出現了物理化學方法與生物技術綜合運用，提高了廢水處理效率和達標度。而國內多利用二次、三次采油工藝處理廢水，相對較落后，不能達到理想的處理效果，為對油田中這種難降解含油廢水進行處理，生物深度處理技術成為國內油田采油廢水處理技術的發展趨勢。
參考文獻
[1]陳進富.油田采出水處理技術與進展[J].環境工程，2000，18（1）.
生物技術已經深入中藥研究和開發的各個領域，在高質量中藥天然藥物原料的研究生產及中藥材資源可持續利用中發揮著極大的作用。
【關鍵詞】 生物技術；中藥現代化；應用；綜述
Abstract：Biotechnology has entered all fields of TCD research and development， exerting great function in research and production of highquality natural medicinal raw materials and sustainable utilization of Chinese herbs resource.
Key words：biotechnology; TCD modernization; application; review
中醫藥學是我國在自然科學領域最有特色的學科之一，中藥現代化就是將傳統中醫藥的優勢和特色與現代科學技術相結合，把中藥推向國際化。生物技術作為一種綜合了生命科學與多種現代科學理論與研究手段的高技術，在21世紀將對生命科學的各個領域產生十分深遠的影響。
1 生物技術在高質量中藥天然藥物原料的研究生產及中藥材資源可持續利用中的應用
生產具有國際競爭力的現代中藥，其前提是有高質量的中藥原料。現代中藥必須嚴格保證所用的藥材原料無污染，農藥殘留和重金屬含量在十分安全的范圍內，藥效物質基礎的含量穩定、可靠并有嚴格的質量標準。我國中藥資源達1.2萬余種，這些中藥材中部分涉及到珍稀瀕危物種，因此對珍稀瀕危中藥材的挽救、保護與合理利用迫在眉睫。遷移珍稀瀕危動、植物至飼養地和植物園是保存物種的重要方法，建立相應的基因庫用于保存動植物的基因，考察物種的變異具有重要意義。
就中藥材栽培而言，GAP的實施已成為業內共識。基因技術在這方面正在逐漸發揮重要作用，如中藥材優良品種選育、道地性藥材遺傳特征分析、抗性基因的轉基因藥用植物等。
應用RAPD技術對南北蒼術間的差異進行了分析，認為蒼術的道地性是在遺傳和生態兩因素長期復雜作用下形成的遺傳和化學成分有穩定差異的居群［1］；李萍等將5srRNA基因間區序列的變異用于對金銀花藥材道地性的分析［2］。有報道用轉基因植物可生產外源基因編碼的產物（如a栝蔞素、干擾素等），隨著表達效率的提高和受體植物范圍的不斷擴大，將有可能在傳統中藥材中加入有用的新遺傳特性，增加植物的抗病能力等，這將為中藥材的綠色栽培奠定良好的基礎［3］。
2 細胞工程技術為中藥人工資源的開發提供了有效途徑
作為中藥和天然藥物發揮藥效活性的物質基礎，天然活性成分往往含量很低，而天然野生資源隨著藥物的開發利用儲存量不斷下降，其原料來源能否滿足批量化生產的需求，是所有天然創新藥物開發所面臨的重大難題，也是高水平中藥能否廣泛應用并走向世界的瓶頸。因此，針對特定有效成分或組分生產的中藥人工資源開發生產技術引起了研究者的極大關注。為合理利用其資源，可利用生物技術的方法和手段進行一些珍稀瀕危品種的快速繁殖，研究其在自然或人工控制條件下個體更新的速率及規律等，如石斛試管苗的快速繁殖。
發酵工程利用生物細胞在人工條件下的快速增殖與次生代謝產物的產生，為人工資源的生產提供了技術平臺。目前，以冬蟲夏草菌發酵生產的菌絲體及產物已形成產業化規模，并有相應的下游產品暢銷。
以微生物、植物、動物細胞為反應器，進行天然活性物質的生產和加工，也已引起研究者的極大興趣，以此推動的天然產物的生物轉化和生物合成研究與開發，在國內中藥研究和開發中的作用正為更多的研究和生產部門所重視。許建峰［4］等利用高山紅景天培養細胞生物轉化外源酪醇生產紅景天苷。紫杉醇作為一種作用機理獨特的天然抗癌藥物，自發現以來受到了人們的廣泛重視，但其在植物紅豆杉中的含量極低，而紅豆杉生長緩慢，資源匱乏，因此嚴重限制了紫杉醇的進一步開發應用。為此，近年來各國科學家在尋找及擴大紫杉醇的藥源途徑上進行了大量的工作。甘煩遠等對紫杉醇的研究進行了綜述，通過兩篇綜述所反映出的研究內容可以看出為解決紫杉醇的資源問題。全世界的科學家分別從篩選高產紅豆杉栽培品種、微生物生物合成、化學合成、生物合成途徑探索、生物合成關鍵酶的發現及其基因表達等多途徑進行資源研究，而這些研究中生物合成與生物轉化技術起著極為重要的作用。
3 酶工程是中藥活性成分生產追求的最佳技術手段之一
就療效確切的單一天然活性成分而言，能夠通過工業化生產獲得天然結構復雜的單一產物是人們追求的目標，但天然化合物結構復雜，常有多個不對稱碳原子，合成難度較大或合成條件苛刻；而酶工程為這類成分的獲得提供了新的途徑。如金東史等利用酶轉化方法將人參中的主要皂苷成分轉化成含量只有十萬分之幾的人參皂苷Rh2，并達到了月產30kg的生產規模［5］。
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4 生物技術為提高中藥品質評價水平提供了新的實驗方法
中藥材是中藥研究開發的基礎，基礎的質量標準無法控制，以后的研究和開發均屬無本之木，其質量標準的制定也就失去了意義。中藥材的質量控制主要應包括兩個方面的內容，一是品種的控制，主要是解決真偽的問題。其二中藥材的有效物質是次生代謝產物，其積累主要與其合成關鍵酶的表達及表達量等有關。因此建立合理中藥材的生產和質量評價體系將對中藥現代化尤為重要。
基因分子標記技術在中藥品質評價中的應用，使中藥材鑒定的方法從傳統的形態表征分析推進到對生物遺傳物質的分析。在中藥的分子鑒別研究中目前主要有以下一些方面：（1）基于PCR方法的DNA分子標記技術，如RAPD、AFLP等；（2）基于分子雜交的DNA分子標記技術，如RFLP；（3）基于DNA序列分析的分子標記技術，如DNA直接測序法、PCRRFLP法［6］。利用這些基因鑒別方法對了解和分析藥用動（植）物的遺傳特性、基因與藥材產地、化合物積累的相關性等均具有重要意義。
5 生物技術為中藥和天然藥物新藥研究與開發提供了新的工具和途徑
中藥新藥的研發是中藥現代化和國際化的關鍵，要研制符合國際標準規范的現代中藥，應用現代先進的科學技術勢在必行。
5.1 生物芯片為中藥新藥分子水平的機理研究提供依據：中藥鑒定基因芯片，可以對中藥材的產地、質量進行鑒定；可以搞清楚中藥作用的分子機理，篩選出中藥有效成分。
5.2 生物轉化及生物組合化學為以天然活性成分為先導化合物發現新藥提供了新的思路與方法：生物轉化技術可以彌補化學合成的不足，1997年Khmelnitsky利用鹽活化生物催化劑脂酶，成功地在有機相中進行了紫杉醇系列衍生物的生物合成。由此可見，生物轉化技術在以天然活性成分為基礎的創新藥物研究與開發中具有重要的意義。
5.3 生物技術為天然微量活性成分的生產提供了新的技術平臺：中藥中微量高效成分的研制開發一直是困擾醫藥產業界的核心問題，利用定向生物轉化技術可將天然藥物中的高含量成分轉化成微量高活性成分，因此大大提高微量成分的含量，使其達到產業化的要求。如研究發現多種微生物能定向地將含量較高的喜樹堿轉化為10羥基喜樹堿。丁家宜等利用人參毛狀根成功地實現了對羥基苯醌生物合成天然熊果苷。
5.4 物技術實現天然結構復雜活性化合物的結構修飾：天然活性成分的研發中還有一個難以解決的問題，即天然活性成分常常體內外藥效學活性差異較大，其中一個重要因素是其在體內吸收不好，導致生物利用度太低。利用生物技術實現天然結構復雜活性化合物的結構修飾，對提高這類成分的生物利用度，進而實現產業開發具有重要意義。
綜上所述，生物技術已經深入中藥研究和開發的各個領域，雖然大多數研究尚處于起步階段，但其影響正在不斷擴大，所顯示出的潛在社會價值和經濟效益也日益得到重視，生物技術將深入到中藥新藥研制的各個環節。正確利用現代生物技術合理地解決中醫藥現代科學研究和產業開發中的重要問題，必將有力地推動我國的中醫藥現代化和國際化進程，為加入WTO后的中國民族產業的國際競爭注入活力。
【參考文獻】
［1］郭蘭萍，黃璐琦，王敏等.南北蒼術的RAPD分析及其劃分的初步探討［J］.中國中藥雜志，2001，32（9），32（9）：834837.
［2］李萍，蔡朝輝，邢俊波.srRNA基因間區序列第變異用于對金銀花藥材道地性研究初探［J］.中草藥，2001，32（9）：834837.
［3］Kuehne，A.R.，Sugii，N.Transformation of dendrobium orchidusing particle bombardment of protocorms［J］.Plant Cell Reports，1992，11（8）：484488.
［4］許建峰，蘇志國，馮樸蓀.利用高山紅景天培養細胞生物轉化外源酪醇生產紅景天苷的研究［J］.植物學報，1998，40（12）：11291135.
論文關鍵詞：固定化微生物技術,污水處理,方法分類,載體
由于固定化微生物技術可固定經篩選出的能降解特定物質的優勢菌屬，因此該技術的應用能使污水處理系統專一性、耐受性增強，處理效果穩定，運行管理簡單，降解效率明顯優于傳統。因此，近年來固定化微生物技術已成為各國學者研究的熱點課題，并且已有部分研究成果由實驗室走向實際應用階段。本文就現有的固定化微生物技術進行了分類，介紹了各種固定化微生物技術所常用的載體在污水處理中的研究與應用，對各種固定化微生物技術的優劣性和適用范圍進行了比較與總結，最后對該方法在污水處理中的實際應用進行了展望。
1 固定化微生物技術及分類
作者簡介：夏冰，(1985-)，男，江西南豐，青島大學在讀碩士研究生,主要研究方向為環境生物技術。E-mail:meilisanzhu@yahoo.com.cn
固定化微生物技術是從60年代開始發展起來的新型技術。固定化微生物技術是指用物理或化學方法將游離微生物細胞、動植物細胞、細胞器或酶限制或定位在某一特定空間范圍內，保留其固有的催化活性，并能被重復和連續使用技術。采用固定化微生物技術有以下優點：有利于提高生物反應器內微生物濃度和純度，縮短反應所需的時間，降低處理設施的工程投資和造價；有利于反應器的固液分離，反應易于控制，污泥產生量少；有利于除氮和除去高濃度有機物或其他難降解的有毒有害物質，可免除污泥處理的二次污染等。由于其在廢水處理方面的獨特優勢，在近十幾年獲得了迅速的發展。它已由原來的單一固定化酶、固定化微生物細胞發展到固定化動植物細胞、固定化細胞器、固定化原生質體、固定化微生物分生孢子以及酶與微生物細胞、好氧微生物與厭氧微生物的聯合固定化[1]等。
目前固定化微生物技術的方法分類多種多樣，根據微生物細胞與載體的作用力及作用形式、微生物細胞被固定的狀態以及載體的性質將固定化微生物技術分為以下五類：吸附法、包埋法、交聯法、自固定化法和介質截留法。
1.1吸附法
吸附法在固定化微生物技術處理污水中是研究最早、應用較廣泛、技術也較成熟的方法。在大多數生物膜反應器啟動的早期，所應用的都是吸附法的原理。吸附法包括物理吸附和離子吸附兩類。物理吸附是使用高度吸附能力的硅膠、活性炭等吸附劑將微生物吸附到表面使之固定化；離子吸附則是根據微生物在解離狀態下因靜電引力的作用而固著于帶有相異電荷的離子交換劑上。該方法操作簡單,微生物固定過程對細胞活性的影響小,條件溫和。但這種方法結合的細胞數量有限,反應穩定性和重復性差,所固定的微生物數目受所用載體的種類及其表面積的限制[2]，所以需要進行改進。同時微生物與載體間的吸附強度也不夠牢固,故載體的選擇是關鍵。
1.2包埋法
包埋法是將微生物細胞截留在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網絡空間中,通過聚合作用,或通過離子網絡形成,或通過沉淀作用,或改變溶劑、溫度、pH值使細胞截留。凝膠聚合物的網絡可以阻止細胞的泄漏,同時能讓底物滲入和產物擴散出來。包埋法又可分為高分子合成包埋、離子網絡包埋及沉淀包埋。該法操作簡單，對微生物活性影響小，可將微生物鎖定在特定的高分子網絡中，因此制作的固定化微生物小球的強度高。包埋法是目前制備固定化微生物最常用、研究最廣泛的方法。
1.3交聯法
交聯法是利用兩個或兩個以上的功能基團，使微生物菌體相互連接成網狀結構，即使功能基團直接與微生物細胞表面的反應基團如氨基、羥基等進行互聯，形成共價鍵而達到固定化的目的。使用該方法,微生物細胞間的結合強度高,穩定性好,經得起溫度和pH 值等的劇烈變化。但是由于在形成共價鍵的過程中反應條件過于劇烈，往往會對微生物細胞的活性造成較大的影響，而且適用于此類固定化的交聯劑大多比較昂貴，因而其在實際應用中受到一定的限制。
1.4自固定化法
自固定化法又稱為無載體固定化法，這種方法是一種全新的概念:在自絮凝顆粒形成過程中,同時形成了微生物的適宜生態環境,使之有利于微生物代謝之間的協調或者說有利于微生物之間生物信息的傳遞[3]。這種方法與其他的固定化方法相比，具有傳質擴散阻力小，細胞顆粒整體活性高，固定化方法簡單等優勢，將在環境工程中的污水處理領域得到廣泛的應用[4]。
1.5 介質截留法
介質截留法是通過特殊的孔網狀結構將酶、微生物或動植物細胞等固定截留在具有特定功能的載體內，或將酶、微生物或動植物細胞限制在一定的空間范圍內，微生物細胞不能透過此孔網結構，但底物和產物可以通過，從而實現廢水的生化反應和分離同時進行。介質截留法可以通過控制介質的孔徑選擇性的控制底物和產物的擴散，防止微生物細胞的泄露，可以使基質與微生物細胞充分接觸，從而有效的反應。所以介質截留法是一項很有發展前景的工藝。
2 載體的特點
要完成微生物的固定化，關鍵是要選擇一種合適的微生物載體。不同的固定化微生物技術方法需要不同種類的載體。雖然隨著材料學與生物學的不斷發展與結合，關于各種固定化微生物方法的最適載體有待進一步的研究與討論，但所有載體都應具備如下特點：（1）具有抗物理降解、抗化學降解、抗生物降解的穩定性，具有一定的機械強度和結構穩定性。在一定PH值和溫度下，不容易被破壞。（2）固定化方法簡單、易行，固定化條件盡可能溫和。（3）能夠控制固定化微生物顆粒的大小和孔隙度。（4）載體所使用的材料價廉易得，固定化成本低。（5)固定化系統使底物、產物和其他代謝產物能夠自由擴散。（6)載體對微生物來說是惰性的，不會損傷細胞。（7)單位體積的固定化系統擁有盡可能多的微生物，以便更好地起到生物催化作用。
3 固定化微生物技術的展望
各種固定化方面都有自身的優缺點，沒有一種在所有污水處理中都適用的方法，在實際應用中要根據污水水質、水力負荷、操作條件等情況選擇合適的方法。表一列舉了各種固定化方法的比較。
表1 各種固定化方法的比較
Table 1 the comparison of immobilized microorganisms manner
性能 吸附法 包埋法 交聯法 自固定化法 介質截留法
固化成本 低 低 適中 低 適中
制備難度 易 適中 適中 易 適中
穩定性能 低 高 高 低 高
結合能力 弱 適中 強 適中 高
存活能力 高 高 低 適中 高
活性保留 高 適中 低 高 高
適用性能 適中 大 小 大 適中
摘 要：隨著國民經濟的不斷發展，各行業排放的工業廢水的量也與日俱增。其中，對水環境污染尤為嚴重當屬造紙工業了。統計顯示，我國現有的10000多家大中小型的造紙企業，就能到達40多億t的年廢水量，是全國廢水排放總量的十分之一。廢水對生態環境造成了一定的影響。該文綜合闡述了目前造紙廢水生物治理中好氧技術、厭氧-好氧組合處理技術以及厭氧技術的應用和進展；對國內外生物處理造紙廢水技術的研究進展進行了總結和分析，包括應用白腐真菌降解造紙廢水、生物酶技術和生物固定化技術。
關鍵詞：造紙廢水 好氧 厭氧 白腐真菌 生物酶 生物固定化
中圖分類號：X793 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00
隨著國民經濟的不斷發展，各行業工業廢水的排放量也在逐漸增加。其中，造紙工業排放的廢水對水環境造成了嚴重的污染。統計數據顯示，我國10000多家的大中小型造紙企業，每年就會排出40多億t的污水，占到了全國廢水排放總量的十分之一[1]。2010年，造紙廢水CODCr排放95.2萬t約占輕工行業CODCr排放總量47%[2]，對生態環境造成難以想象的破壞后果。對此，對新型的有效治理造紙廢水污染的方法以及途徑進行探索和研究，是非常具有研究意義和現實意義的。
1 造紙廢水的來源和特點
其生產的各個環節都會產生廢水，但主要來自于中段水、紙機白水以及蒸煮液[3]。提取黑液后漿料在洗滌、篩選、漂白的過程中排出來的廢水，就是中段水，這種廢水成分復雜，且富含對環境危害較大的有機氯化物。紙機白水中主要有細小纖維、填料和膠料（松香等）。酸法制漿的紅液或堿法制漿的黑液叫蒸煮液，在整個造紙工業污染中占90%。堿法制漿是我國造紙業普遍采用的，其主要成分是纖維素、木質素、半纖維素、單糖、有機酸和碳水化合物的降解產物等。
2.造紙廢水生物處理技術
化學方法、物理方法、生物法、物化方法等，是目前國內外造紙污水處理的主要方法。近幾年，得到人們重視的膜分離、超臨界分離、磁分離、超聲波分離等物化處理法因比較昂貴，處理效率不高，應用比較有限。而操作方便、運行費用相對較低、沒有二次污染等優點的生物處理法，則越來越受重視。
2.1好氧處理技術
指借助于好氧或兼性厭氧微生物在有溶解氧的情況下來分解、吸收有機物，使之被氧化成簡單的無機物，污水得到凈化。當前，活性污泥法和生物膜法等好氧生物法是國內外用來處理造紙廢水的方法。
處理效果較好且成本低的活性污泥法既能去除部分色度，還能分解大量有機物質，易于管理是我國最常用的好氧處理方法。崔延瑞等[4]采用序批式活性污泥法處理堿法草漿造紙廢水，COD的去除率高達80%。張述林[5]等采用混凝與低氧―好氧兩段活性污泥法來處理某造紙廠COD為6230mg/L的綜合廢水，可達93.8%的COD去除率。
生物膜法是指微生物附著在介質表面上形成生物膜，且在不斷繁殖生長的同時，還能對污水中的有機污染物進行降解吸收，將其轉化為穩定的無機物和原生質，從而達到凈化污水的作用。此方法剩余污泥量少且不會產生污泥膨脹，占地少，運行管理方便。Chandler等[6]通過塑料填料，利用兩級生物膜反應器中試處理造紙廠廢水。結果顯示，水力有3h的停留時間，可減少93%的BOD5，出水BOD5達到7.83mg/L的平均濃度。張苗等[7]采用混凝沉淀協同好氧生物膜技術深度處理造紙廢水，結果顯示，效果最為顯著的就是以FeCl3為混凝劑的協同好氧生物膜技術，最高可達69.30%的色度去除率，比單獨的混凝沉淀高了3.72 %的去除率。
2.2厭氧處理技術
在專性與兼性厭氧菌的條件下，通過發酵和分解對有機物進行降解的處理技術稱為厭氧處理技術。與好氧處理技術相比，其污泥產量小、節省動力能耗、對營養物質需求不高，且能更好地降解某些難降解有機物。殷承啟等[8]采用上流式厭氧污泥床（ UASB）處理二次纖維造紙廢水。UASB 穩定運行時對COD的去除率可達90%以上，總硬度在50%以上以及硫酸根離子80% 以上。劉峰等[9]研究了預酸析―多孔高分子載體固定化微生物厭氧流化床（AFB）處理堿法草漿黑液的效能，結果證明，AFB對黑液進行直接處理時，發揮了其活性生物量濃度大、傳質能力強的特點，可有效地去除COD，色度亦有所下降。采用酸析預處理利用AFB的厭氧消化功能，可去除黑液中大部分難生化降解的高分子物質。
2.3 厭氧-好氧處理技術
造紙廢水因難降解有機物成分多、污染物濃度高、廢水流量和負荷波動大、有較差的可生化性能等，用好氧處理效果不好且能耗大。因此，利用厭氧-好氧組合處理工藝進行處理。首先，能使厭氧處理技術的優勢充分發揮，水解、酸化廢水中生化性很差的高分子物質，成為易于進行好氧處理的較小分子或分子結構。同時，也可對回流到厭氧池的好氧階段污泥進行較為徹底的厭氧消化，減少整個系統的污泥排放。該工藝結合了厭氧與好氧處理技術的優點，具有占地面積少、處理效果好、能耗低、節省藥劑以及運轉、管理方便等優點。
丁志芬[10]對某造紙廠應用厭氧-好氧組合技術處理廢水的情況進行了介紹，且和好氧工藝作了比較。結果證明，厭氧-氧工藝運行電費可降低50%，且運行穩定，其COD有機物85%都轉化為甲烷氣體了，剩余污泥量也減少了60%以上。李巡案等[11]分析了萬隆造紙廠廢水處理工程改建為厭氧-好氧工藝以及實行清潔生產后，污染物質排放總量明顯減少，水質可達到GB18918- 2002一級A標準，與原有的好氧生物處理工藝相比可節省動力約55%。
3 生物處理造紙廢水技術的研究進展
3.1 應用白腐真菌對造紙廢水進行降解
造紙工業排放黑液COD和色度形成主要是因為木質素，其異質多晶三維多聚體結構是由甲氧基取代的對-羥基肉桂酸聚合而成，分子間的醚鍵、C-C鍵很穩定，是當前公認的微生物難降解芳香化合物之一[12]。目前，國內大部分工廠處理造紙廢水采用傳統生物法應用的微生物主要以細菌為主，并不能有效去除造紙廢水中的木素衍生物以及漂白過程中產生的氯酚類物質，這便成為造紙廢水達標排放的主要障礙。
白腐真菌是目前所發現的對木質素及其衍生物降解最有效的微生物。多數白腐真菌屬于擔子菌綱，少數為子囊菌綱。其中，黃飽原毛平革菌（Phanerochaete Chrysosporium）是已被廣泛研究的典型白腐真菌。
3.1.1 白腐真菌的降解機制及優勢
白腐菌降解木質素通常分兩步進行[13]：第一，菌體利用菌絲吸附木質素；第二，白腐菌分泌出的酶催化氧化木質素等污染物，主要分為細胞內和細胞外兩過程，整個降解系統在主要營養物質（ 碳、氮、硫） 限制條件下才得以啟動形成[14～16]。錳過氧化物酶（ Mnp）、漆酶（La）、木質素過氧化物酶（ Lip） 均合成于細胞內，通過分泌到細胞外對污染物進行降解。前兩者均須以H2O2為底物，漆酶以氧氣作電子受體催化形成醌及自由基。故降解污染物時，白腐菌需借助H2O2激活，由酶觸發啟動自由基鏈反應，產生具有超常的氧化能力的細胞外?OH，對芳香化合物有很好的降解作用。
故白腐菌在降解污染物上所有具有的優點是其他生物系統尤其是細菌沒有的[14]：（1）特定污染物不需要預條件化：處理系統以細菌為主的，誘導合成所需的降解酶須預先置于一定有效濃度的污染物。白腐真菌降解酶的誘導與降解底物的有無多少無關。（2）動力學優勢：細菌對化學物的降解多為酶促轉化，遵循米氏動力學。初始氧化反應的酶經白腐真菌催化啟動對底物沒有真正意義上的Km值，對氧化產物的形成有利。（3）產生氧化能力極強的?OH （4）有毒污染物不必進入細胞內代謝而在其細胞外即可有效降解。可忍受高濃度有毒污染物的同時，避免有毒污染物對細胞的毒害。（5）非專一性降解的特性：能降解大量結構不同的化學物質。（6）對營養物的要求低。
3.1.2 白腐菌在造紙廢水中的應用
從上述可知白腐真菌在治理造紙廢水方面有極大的研究價值。吳涓等[17]比較了幾株白腐真菌在造紙黑液廢水中的掛膜生長狀況及其對黑液廢水的處理效果。黃孢原毛平革菌、側耳菌和S22菌都可以在較強堿性的廢水中生長掛膜，且對木質素有顯著的降解作用，有很強的適應廢水的能力。李雪芝等[18]用8株不同的白腐菌對造紙廢水進行處理，選出的白腐菌L02處理效果是最好的。該菌株可直接應用于造紙廢水的處理，大幅度降低廢水CODCr含量（降低84%以上）、廢水的色度（降低93%以上）以及廢水的pH值。路忻[19]采用序列間歇式活性污泥法（SBR）法利用白腐菌共代謝理論分析及處理試驗研究含木質素的造紙廢水。結果表明，相同進水COD濃度和水力停留時間，與單純好氧生物處理相比，共代謝作用下好氧處理的COD去除率要高得多，有約30%的提高率。
3.2 生物酶技術
白腐菌降解木質素，是通過其分泌的酶的作用來實現。相較于錳過氧化物酶、木質素過氧化酶，在白腐菌木質素降解酶系統中，漆酶的實際應用價值更大一些。首先，木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶產生的條件是限碳和氮的。而漆酶可在碳和/或氮存在條件下由菌體分泌[20]。其次，木質素過氧化物酶和錳過氧化物酶只在系統存在H2O2時，才可降解有機污染物，這在現實情況下很難實現的。最后，重要的還在于漆酶具有780 mV氧化還原電位，在不存在H2O2和其它次級代謝產物時，有機污染物的氧化也能夠被催化。所以，在環境保護和生物技術方面，漆酶的應用潛力是非常巨大的。
據林鹿等人[21]研究通過漆酶進行去除桉木硫酸鹽漿CEH漂白廢水時發現，它可以把廢水中有毒物質去除掉40%以上。造紙廢液中有機氯化物用漆酶處理，具有高效能的催化作用，反應條件溫和，對反應設備和反應條件要求也不高。謝益民等[22]采用雜色云芝發酵產生的漆酶液深度處理造紙廠二沉池出水，結果表明，經催化氧化作用，漆酶及其介體體系可氧化聚合廢水中的大部分殘余木素。在最佳實驗處理條件下，木素、CODCr和色度的去除率分別達到82. 0%、76. 9% 和84. 9%。同時，紙漿生物漂白上的研究熱點也包括漆酶。通過酶法漂白紙漿，脫氯效果更好[23]，相對于傳統的氯氣漂白法所產生的有毒的氯酚類化合物而言，其避免了對環境的污染。
3.3 生物固定化技術
微生物固定化技術是通過化學或物理的方法，把游離酶或細胞限定在一定的空間區域內，使其能反復利用且保持活性，利于除去高濃度有機物或某些難降解物質。Messner等[24]利用生物滴濾器原理而開發的MYCOPOR反應器，在多孔的載體填料上把白腐菌固定好，廢水由從頂部到載體的這個過程就能夠得到凈化了。處理6～12h，87%、80%和40%的色度、AOX和COD可去除。李朝霞等[25]采用一種新型海藻酸鈉/殼聚糖/活性炭生物微膠囊固定化白腐菌和懸浮態白腐菌，在不同接種量下降解造紙廢水。結果顯示，白腐菌在不同的兩種狀態下均能對造紙廢水進行降解，不過在代謝穩定性和降解木質素能力等方面，固定化白腐菌比懸浮態白腐菌明顯要強。劉帥等[26] 用固定漆酶和游離漆酶對造紙廢水進行深度處理。通過對廢水處理的效果對比，固定漆酶的優點在于達到最佳效果的反應時間短， 酶的穩定性高， 溫度耐受性強，pH適應性顯著增強。
4 結語
作為一種處理難、成分復雜的工業廢水，通過傳統的處理技術造紙廢水已很難滿足如今的排放要求。因此，要實現極大減少造紙廢水的排放或者實現零排放，需大力發展微生物處理技術。使微生物與處理技術相結合，為造紙業的綠色發展鋪平道路。
參考文獻
[1] 王暉，付斌.造紙廢水處理方法現狀及展望[J].中國資源綜合利用，2005（2）：21- 24.
[2] 洪衛，劉勃，等.制漿造紙廢水深度處理技術解析[J].中華紙業，2009，30（7）：76-81.
[3] 閆一野，喬麗潔.新型分離方法在造紙污水處理中的應用[J].環保與節能，2012 （2）：30-33.
[4] 崔延瑞，胡蘭群，等.序批式活性污泥法處理堿法草漿造紙廢水的研究[J].河南師范大學學報（自然科學版），2003，31（4）：61-64.
[5] 張述林，羅啟芳，趙金輝，等.混凝與低氧―好氧兩段活性污泥法處理造紙廢水的研究[J].同濟醫科大學學報，1998，27（3）：196- 198.
[6] Chandler H， Cornelis D. Treatment of recycle paper mill wastewater in moving bed biofilm reactors[C].TAPPI Proceedings Environmental Conference & Exhibition v 2.TAPPI Press， 1997.
[7] 張苗，黃少斌.混凝協同好氧生物膜技術深度處理造紙廢水的實驗研究[J].造紙科學與技術，2010，29（1）：84-88.
[8] 殷承啟，洪建國.上流式厭氧污泥床處理造紙工業廢水的研究[J].南京林業大學學報（自然科學版），2004，28（5）：41-44
[9] 劉峰，楊平，方治華等.預酸析-厭氧流化床處理堿法草漿黑液的研究[J].環境科學學報.1999，19（2）：214-217
[10] 丁志芬.厭氧-好氧組合生物技術在廢水處理中的應用[J].化工設計.2003，13（5）： 26-28.
[11] 李巡案，賀延齡，等.厭氧-好氧工藝處理造紙廢水工程實例及清潔生產[J].環境工程學報.2012，6（8）：2595-2599.
[12] 王海磊，李宗義.三種重要木質素降解酶研究進展[J].生物學雜志，2003，20（5）：9-
11.
[13] 黃丹蓮，曾光明，等.白腐菌的研究現狀及其在堆肥中的應用展望[J].微生物學通報，2004，31（2）：112-116.
[14] 李慧蓉.白腐真菌的研究進展[J].環境科學進展，1996，4（6）：69-77.
[15] Andre F， Jaime R， Juani ta F， et al. Biodegradation of Pinus radiate softwood by white- and brownrot fungi[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology2001， 17： 31-34.
[16] Pavel K， Alena K， J aroslav V， et al. Degradation of polychlorinated biphenyls by extracellular enzymes of Phanerochaete chrysosporium produced in a perforated plate bioreactor[J]. World Journal of Microbiology & Biotechnology1999， 15： 269-276.
[17] 吳涓，肖亞中，等.掛膜生長的白腐真菌處理草漿造紙黑液廢水[J].應用與環境生物學報.2004，10（3）：370～374.
[18] 李雪芝，趙健，等.白腐菌處理草漿造紙廢水研究[J].中國造紙學報，2005，20（1）：
88-91.
[19] 路忻，等.木質素真菌降解造紙廢水的試驗研究[J].河南科學，2008，26（12）：
1550-1554.
[20] Munoc C. Laccase isoenzymes of Pleurotus eryngii：characterization，catalytic properties，and participation in activation of molecular oxygen and Mn2+oxidation [J].Appl Environ microbiol，1997，63：2166-2174.
[21] 林鹿，陳嘉翔，等.白腐菌對紙漿CEH漂白廢水的脫色、消除毒性和芳香化合物的降解[J].中國造紙學報，1996，11：69
[22] 謝益民，瞿方，等.制漿造紙廢水深度處理新技術與應用進展[J].中國造紙學報，2012，27（3）：56-61.
[23] 宋美靜.紙漿氯漂廢水的處理[J].纖維素科學與技術，1999，（2）：22- 25.
[24] Messner K，et al.Treatment of bleach plant effluents by the MYCOPOR system [M]. Biotechnology in pulp and paper manufacture Butterworth -Heninemann.1990： 245.
關鍵詞：生物基聚酰胺；聚酰胺纖維；可再生資源；生物技術
中圖分類號：TQ342+.1 文獻標志碼：A
Latest Technology Developments of Bio-based Polyamide and Its Fiber
Abstract： In recent years， the constantly growing public awareness and interests in bio-based plastics around world has improved the development of several kinds of bio-polymer including polyamide. This article reviewed the development status-quo of global polyamide industry， and gave a detailed introduction on the latest R&D developments of bio-based PA6， Pa66 and long-chain polyamides as well as their down-stream products.
Key words： bio-based polyamide； polyamide fiber； renewable resources； bio-technology
1 全球聚酰胺材料的發展概況
根據統計，聚酰胺（PA）材料的38%用作纖維，46%注塑成型，14%擠壓成型，其余深加工制品大約占2%左右。PA纖維（主要包括PA6和PA66）是僅次于聚酯纖維的第二大合成纖維品種。在過去的10年中，全球PA纖維生產呈持續下滑趨勢，2010 ― 2012年間西歐地區的PA市場下降了6%，美國下降了9%，2012年全球PA纖維產量維持在400.81萬t。
與此同時，中國PA纖維的產能不斷拓展。據統計，2005― 2010年期間的年增長率一直保持在17.69%，這在一定程度上緩沖了全球PA及其纖維制品的下跌形勢，2012年國內PA纖維產量達到181.46萬t，其中長絲紗173.0萬t，短纖維8.44萬t，設備的運轉率視品種不同在70% ～ 83%之間。
全球性經濟減速影響下的PA纖維產量的變化，主要對PA長絲紗和短纖維的市場供給產生了較大影響，同時產業用紗的生產亦受到明顯波及。期間己內酰胺及其樹脂的價格不斷上漲，2011年我國進口的己二酸己二胺鹽價格上漲了24.22%，己內酰胺價格上揚了31.70%。
PA地毯紗產量下跌明顯，年下滑速率達9%，作為地毯重要市場的美國其產量下降了16%，相繼關閉了Shaw等多家地毯紗工廠。地毯市場的變化亦與聚酯BCF量化及其替代PA地毯絨頭紗的趨勢日益明顯有關。期間美國的聚酯BCF份額由2002年的1.1%升至目前的30%；歐洲地毯生產亦出現了相似的狀況，其出口中東地區的地毯紗受阻，市場持續蕭條，需求萎縮，地毯紗產量的下降幅度也超過了10%。同時全球PA短纖維產量下跌了約1/4，作為PA短纖維生產的主要國家之一美國也出現了大幅減產。
2.1 生物基PA66
生物基己二酸（ADA）的制備，可選用葡萄糖為原料，在酶菌的環境下經發酵轉化，進而在壓力條件下加氫制得。生物基己二酸與己二胺可按常規聚合工藝制得PA66，生物己二酸制造工藝如圖 1 所示。
美國Rennovia公司采用空氣氧化工藝，即葡萄糖原料在催化條件下氧化得到葡萄糖二酸（glucoric acid），用其做中間體經催化加氫得到己二酸。該公司選用非糧食木質素為原料，第一個商業化的生物基ADA裝置產能13.5萬t/a，擬于2018年完成生產性運轉。Rennovia公司聲稱可以生產100%的生物基PA材料，也具有將生物基ADA轉化為己二腈（AND）技術和生物基己二胺（HMD）的技術，用以生產100%生物基PA66聚合體。
Verdezyne公司合成生物基ADA的研究亦從實驗室進入批量生產試驗階段，并在美國加州建設了商業化試驗裝置。該項技術采用糖類、植物油為原料，通過變性酶工藝對葡萄糖施以發酵處理以制得ADA。該生物基己二酸的商業化裝置預計2014 ― 2015年完成。加工成本較傳統石油基ADA要低20% ～ 30%（基于原油價格40歐元/桶）。Verdezyne公司生物基己二酸技術的原料選擇為非糧食生物質，即使用大豆、椰子油或棕櫚油生產中的副產品作原料 。
2.2 生物基PA6
美國Michigen大學研究人員利用葡萄糖發酵技術制得賴氨酸，進而成功合成了生物基己內酰胺，純度高于99.9%。圖 2 為生物基己內酰胺的制備工藝。
YXY技術是利用可再生植物原料經催化脫水、氧化制取2，5-呋喃二羧酸（FDCA），進而催化聚合可得到100%生物基2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯，其中的FDCA亦可用于制備生物基PA。Solvay公司使用YXY技術生產出了PA工程塑料，Rhodia公司利用FDCA制得了PA及其纖維，日本帝人公司擬以FDCA為原料開發環境友好型芳香族聚酰胺纖維。
YXY技術的核心是FDCA的合成，其商業化試驗中使用的第一代原料是糖類或玉米淀粉，目前在原料的可利用性方面取得了巨大進步，已開始采用非糧食生物質資源。
Avantium公司在規模為 5 t/a和40 t/a的試驗設備的基礎上，于2012年又建成了1 000 t/a的FDCA試驗裝置，預計工業化后FDCA工廠的產能在 1 萬 ～ 10萬t/a之間。
荷蘭Utrech大學基于YXY技術的生命周期（LCA）分析認為，和傳統石油基產品相比，其CO2排放可降低50% ～70%，且生產鏈具有原料可再生和產品可回收再利用的優點。目前YXY技術的200 ～ 450 t/a的半生產性設備已在運轉中，預計2015年 3 萬 ～ 5 萬t/a的生產線可投入運營。
2.3 新型生物基PA4及其纖維
PA4是γ-氨基丁酸的線性聚合體（GABA），具有同其他PA材料相似的一系列優越性能，包括非常高的熔點和良好的生物可降解性能。生物基PA4的原料取之于可再生生物質。通常生物質經糖化處理得到葡萄糖，后經過酶處理工藝得到谷氨酸，二氨基戊二酸再經脫羧基反應得到GABA，用作PA4的單體，通常可在室溫條件下完成聚合反應。表 2 為生物基PA4同其他聚合物的基本技術特征比較情況。
據測試，生物基PA4纖維的吸濕特性與棉花相近，且纖維的染色性能良好。目前，日本國家工業科學技術研究所（AIST）已在生物基PA4的研究上取得了進展；20世紀70年代中期，我國吉林紡織研究設計院在PA4紡絲成形工藝方面也進行了較為系統的探索性試驗，取得了不錯的實驗室成果。
2.4 生物基長鏈PA
據統計，目前生物基PA610的市場需求量在2.5萬t/a左右，源于天然植物油原料的PA11（Rilsan）已有50年的制造歷史，與傳統PA6相比其環境友好特征更明顯，CO2排放量更低。據了解，Arkema公司的PA12系列（Rilsamid）的聚合生產能力已達到6 000 t/a規模，該公司已在我國江蘇常熟合作建設了PA11生產工廠。蘇州翰普公司利用可再生原料，開發了生物基長鏈PA系列，包括PA610、PA1010、PA11等的工程塑料，其生物組分在40% ～ 100%之間。
2007年DuPont（杜邦）公司開發的商品名為“Zytel？”的長鏈生物基PA即PA1010和PA610使用的癸二酸來源于可再生資源，其中PA1010的100%、PA610的70%組分使用非糧食生物質原料。DSM公司開發的生物基高性能工程塑料“EcoPaxx”即長鏈PA410聚合物的70%原料取材于蓖麻籽油。
EMS公司開發了商品名為“Grilamid”的生物基PA系列，包括PA1010（生物基組分99%）、PA610（62%）等。該公司開發的生物基長鏈PA系列聚合物的生命周期分析結果如表 3 所示。
2.4.1 生物基PA11
Arkema公司開發的生物基PA11選用蓖麻籽原料，制得了11-氨基十一酸，經 3 段聚合得到聚11-氨基十一酸。與環氧樹脂類產品相比，生物基PA11對環境的危害性可減輕一半，CO2排放量下降40%，其熱塑性樹脂亦可回收再利用。利用生物基PA11纖維及其樹脂可以制得100%的生物基復合材料，密度1.16 ～ 1.22 g/cm3，熱分解溫度230 ℃。PA11纖維的體積添加量橫向（UD）為30% ～ 35%，縱向（MD）為30%，目前已在飛機和運輸車輛的部件上使用。
2.4.2 生物基PA610
Rhodia公司開發的生物基PA610，使用了60%的可再生資源，年產量為2.5萬t，已大量用作生產單絲或牙刷鬃絲。德國Evonik公司開發了Vestamid生物基PA系列產品，主要包括PA610（HS）、PA610（DS）和PA610（DD）產品。部分產品的技術特征如表 4 所示。
2.4.3 生物基PA56
Ajinomoto公司利用天然植物油制備的氨基酸/賴氨酸，通過賴氨酸脫碳及酶工藝加工得到1，5-戊二胺（1，5-PD），用以合成生物基聚酰胺PA56。我國上海凱賽生物產業公司生物基PA56的研究與開發亦取得了進展，據悉商業化的裝置正在實施中。2.4.4 生物基PA69
生產PA69使用的二元酸單體可以通過油酸經化學合成的方法得到。十八烯酸-9（油酸）屬單一不飽和脂肪酸，具有十八碳。油酸可以資源豐富的動物或植物油脂為原料，利用動物油脂合成生物基壬二酸的加工工藝如圖 3 所示。
油酸在高錳酸鉀條件下可氧化制得壬二酸。目前油酸氧化而產生的分子鏈斷裂是在絡酸條件下實現的，亦可采用臭氧分解的方法制得壬二酸。生物基壬二酸與二元胺合成PA69的階式聚合反應與傳統PA66有許多相似之處，僅在聚合物黏度和熔融溫度上存有差異。目前PA69聚合體已成功用于非織造布網材的加工。
3 生物基PA的成本結構及發展
依據歐洲生物塑料協會的統計數字，2010年歐洲生物基聚合物的產能約72.45萬t/a，生物基PA為3.5萬t/a，占生物基聚合物產能的5%。預計2015年歐洲生物聚合物材料的產量將達到170.97萬t，屆時生物基PA的狀況與市場份額將如表 5 所示。
3.1 生物基PA的原料資源
在生物基PA的研究開發中，常用的可再生原料資源包括蓖麻油、油酸與亞油酸以及葡萄糖等。如BASF（巴斯夫）公司開發的生物基PA610使用了60%的來源于蓖麻油的癸二酸；杜邦公司開發的生物基長鏈PA即Zytel-RS系列中，PA1010和PA610兩類材料中的生物基癸二酸含量分別為100%和60%，產品具有優良的熱性能。
作為重要的可再生原料，蓖麻籽是一種生長迅速的作物，其季度莖高增長速度可達 2 m，并可在貧瘠的土地上栽植，不存在與糧食作物爭地的矛盾，每公頃蓖麻的產量可達到10 t左右。據統計，目前全球蓖麻產量約120萬t/a，但相關蓖麻籽油的產量僅為植物油產量的1%。此外，其他可用的可再生資源還包括棕樹油、椰油、油菜籽等。
Arizona公司利用制漿造紙工業的副產品妥爾油（tall oil）提取不飽和脂肪酸，通過二聚反應形成了脂肪酸二聚體，再經聚合得到了生物基PA。
評估生物基PA產品，其相對于傳統石油基PA的加工成本是關鍵點之一。依據DSM公司的可行性研究報告，隨著時間的推移，微生物與低價高得率糖發酵技術的進步和量化，生物基己內酰胺的單體價格可降低至75歐元/kg，較之于21世紀初期的成本下降了50%。而當裝置規模達10萬t/a以上時，則無需像傳統石油基PA生產那樣再為“三廢”治理支付費用。
當今市場中，生物基PA的價格主要為：PA11在9.82 ～11.30歐元/kg之間，PA610在4.32 ～ 4.73歐元/kg之間，比石油基PA6/PA66的平均價格（2.1 ～ 2.4歐元/kg）要高。而如從基本原料考量，生物質原料價格較具優勢，如葡萄糖原料價格在300美元/t，石油基環己烷則高達1 250美元/t（2012年市場水平）。
3.2 生物基PA纖維的開發與應用
Rhodia公司研究中心與Fulgar公司合作，將商品名為“Emana”的生物基PA66纖維供給歐洲紡織品市場。據介紹，由該纖維制得的服裝面料可通過織物與人皮膚間的作用，明顯改善人體血液微循環和細胞組織代謝的狀況。來自2013年Dornbirn-MFC（多恩比恩人造纖維大會）的信息顯示，未來 7 ～ 8 年全球生物基PA66纖維的產量有望達到102萬t/a。另外Radici公司生產的生物基PA6短纖維也已在針刺非織造布產品上使用。
美國Invista（英威達）公司開發的環境友好型PA地毯紗采用三組分混合技術（Trublend），即將PA66和回收再利用的PA66，以及5%的生物基PA11混合制得地毯絨頭紗，已批量投放市場。該產品的生命周期分析顯示，其CO2排放量減少了21%。
日本尤尼契卡公司使用Arkema公司的生物基PA11成功制得了紡織用纖維，纖維難燃性好，符合FAR25853的要求，LOI指數達35，燃燒時無煙、無有毒氣體釋放，主要用于高端服裝面料和運動服裝；Greenfil公司使用Arkema公司的生物基PA11紡制的長絲襪，耐用性比常規尼龍襪要高 5 ～ 10倍，但售價要高 2 ～ 3 倍。
昆士蘭大學（澳）使用蓖麻籽為原料制得PA11纖維，用作增強復合材料的增強相，其短切纖維長度為 3 ～ 7 mm，單纖直徑在10 ～ 35 μm之間。工業用絲束纖維長度在150 ～500 mm之間，單纖直徑為15 ～ 25 μm，伸長率低于30%。
依據法國紡織與服裝研究所（IFTH）的研究試驗結果，PA11纖維及其織物有許多特點，包括較高的耐磨性、良好的耐氯性能、非常低的霉菌繁殖速率和速干性等。IFTH將PA11長絲織物與PA6、PLA、棉和再生纖維素纖維（Modal）產品進行對比，結果顯示，前者的霉菌繁殖速率幾乎近于零（依據ISO20743），且洗滌干燥速度明顯優于傳統細旦PA66織物。
日本帝人公司利用YXY技術開發的生物基芳香族聚酰胺產品，賦予了芳香族聚酰胺纖維更高的附加值，目前該項目的實驗室研究階段已經完成。該公司在開發生物基對位芳香族聚酰胺Twaron的過程中，利用非糧生物質原料制備了生物基Twaron單體，用以替代石油基單體。該芳香族聚酰胺產業鏈的環境友好分析顯示，可降低14%的碳足跡。預計到2016年生物基Twaron的生產工藝過程的碳排放將減少8%，單體制備成本可降低4%。
日本東麗公司利用1，5-戊二胺原料制得的PA56纖維在手感、強力和耐熱性方面與石油基PA纖維相似，而吸濕性則與棉纖維接近；德國巴斯夫公司開發的生物基PA610單絲目前已用于紙機長網、工業用鬃絲產品。
此外，我國的北京服裝學院最近也成功開發了一項生物基PA纖維的制備方法；中國臺北紡織研究所在生物基PA纖維的研究中，使用64%的PA610組分制得了PA中空纖維，纖維的中空度為20.2%，密度為0.86 g/cm3，纖維的斷裂強力為5.5 g/D，伸長率為28%，該纖維適宜用于織制輕薄織物如風衣等。
3.3 關于生物基PA技術進步的思考
隨著生物技術的不斷進步以及生物聚合物材料在常規和高性能產品領域的日益拓展，業界普遍認為，生物基聚合材料替代常規石油基聚合物比以往任何時候都更加接近于人們的期望。換言之，持續發展的生物技術與生物基聚合物將會不斷進入更多新的應用領域，依賴石油資源的傳統制造業將面臨生物技術的挑戰，生物加工工藝將會更多地替代某些制造業的化學合成過程。
和其他生物基聚合物一樣，生物基PA的生產技術也面臨著諸多不確定性，比如生物質原料管理、生物聚合物的性能和產品成本等，此外生物基單體及其聚合生產裝置的經濟性和規模亦是重要的制約因素。具體來說，面臨的挑戰包括生物質原料資源與供給；生物基聚合物的技術途徑，是否可達到現有石油基聚合物加工工藝的生產效率；新型微生物與酶制劑；生物聚合物及其制品的回收利用技術途徑等。
目前，生物基聚合物占世界塑料市場的份額不足1%，但生物技術吸引了全球諸如杜邦、巴斯夫、Evonik、DSM等國際著名企業的濃厚興趣，它們爭相投入了巨大的人力和財力，并取得了長足的進步。目前在數十種已商業化使用的PA材料中，取之于可再生資源的生物基PA系列產品，包括PA6、PA66、PA69、PA11、PA610、PA1010及其制品的研究與開發均已相繼展開。美國Rennovia公司基于全球葡萄糖類原料的供給現狀以及通過化學催化技術制備生物基己二胺及己二酸技術的商業化現實判斷，2022年全球生物基PA66纖維產量將突破100萬t大關。
對于我國而言，近年來生物基PA在品種、技術及產品的應用研究中取得的驚人進步，無疑在客觀上將促進尼龍產業的持續發展，同時也將強化行業對于PA產業鏈生命周期研究的重視。
