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【黃島講壇(第48期)】鄭裕國院士論生物精細化工發展與實踐
發布時間:2019-07-26 17:27:35點擊數:字號:
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會議報告人 審核人 蔣大森
學術報告 簡介

鄭裕國院士論生物精細化工發展與實踐

【本站訊】7月21日,中國工程院院士,生物化工專家鄭裕國教授做客第48期黃島講壇,為師生做題為“生物精細化工發展與實踐”的學術報告。

鄭裕國從國內外精細化工行業發展趨勢、精細化工面臨的挑戰與生物制造的優勢及產業化開發、生物精細化工技術展望等幾個方面詳細講述我國精細化工發展狀況,并結合具體的藥物說明了腈化合物、環氧化合物以及雙手性二醇的酶法合成方法,闡述了生物化工方法在精細化工領域的重要意義。

鄭裕國表示:“精細化工是石油和化學工業的深加工產業,是當今化學工業中最具活力的新興領域之一,與目前的化學工業、醫藥工業、健康產業密切相關,是國民經濟的重要組成部分,精細化學品的制造水平是衡量一個國家化學工業集約化程度的重要標志。”他強調,精細化工率的提升是實現2030年進入精細化工強國的一個關鍵指標。21世紀初期,歐美發達國家的精細化工率已達到70%,瑞士更是高達95%,而我國精細化工率在48%左右,與發達國家相比存在較大差距。我國的精細化學品工業雖已具有相當規模,且部分產品的產量和技術水平已成為世界第一,但仍存在精細化程度不高、原料型產品多精加工產品少、中低檔產品多高檔高附加值產品少、在國際市場上缺乏核心競爭力等諸多問題。技術創新能力不足是導致上述問題的主要原因,這就需要加強技術創新,調整并優化產品結構。

鄭裕國分析,精細化工生產具有特定應用性能的精細化學品,其合成工藝步驟多、反應復雜、品種多、產品附加值高,面臨反應冗長、收率低、連續進行保護/去保護和拆分反應、多次富集、高光學純度要求等難題。他提出,傳統合成過程難以滿足精細化學品分子結構日趨復雜的需求,亟需進行過程替代,并以普瑞巴林、卡托普利、立普妥、達菲等重要藥物為例,提出利用生物組織或生物體作為催化劑的構思。他談到,利用生物手段可制備出更多結構復雜、分子量大、手性中心多、活性官能團豐富的精細化學品,如生物法制備的稀有糖等,純度可達國家標準食品級要求,而且在壓強、溫度等過程控制方面具有低能耗優勢。

鄭裕國指出,生物精細化工是化學化工與生命科學交叉的新興科學,是當今化學化工的前沿學科。生物精細化工技術的發展重點在于生物催化工業化,通過生物與化學的優勢互補,實現從傳統精細化工到生物精細化工的跨越,實現綠色資源、綠色產品的精細化工產業,進而實現精細化工產業根本性變革。他總結到,“生物精細化工以生物技術為核心,融合化學工程、有機合成的原理和方法,實現醫藥、農藥等精細化學品的高效綠色生產。”因此,通過生物催化等新一代加工手段對生產過程進行綠色改造,對產品結構進行精細調整,是精細化學品行業實現轉型升級的重大機遇。

鄭裕國指出,傳統化學合成過程原料消耗量大、三廢排放量大、環境污染嚴重。如何充分利用原材料,從而得到好的環境效益,是精細化工專家和工程技術專家必須面臨的問題。生物制造通過微生物細胞和酶的生物催化技術,實現燃料、材料、醫用化學品的生物轉化。生物催化是精細化學品合成的重要方法,與傳統化工合成技術相比,具有選擇性強、催化效率高、反應條件溫和、環境友好、催化劑制造成本低、反應范圍廣等優點,并可用于非天然、人工合成的化合物,已成為有機合成最重要和不可或缺的手段之一。同時,生物催化能更好地解決資源、能源與環境方面的壓力,維持和諧的生態環境,促進工業可持續發展,并已廣泛應用于傳統化學方法不能或不易合成的手性化合物生產過程,已成為化學合成方法的重要補充。

鄭裕國談到,生物催化以酶為催化劑,其溫和的反應條件使傳統催化易發生的分解、異構、消旋和重排等副反應大為減少,滿足低污染、低能耗、高經濟性需求,且幾乎能催化各種類型的化學反應,所以生物化工將會給化學工業帶來一次技術革命。“生物催化技術在物質加工過程中的應用呈現3個層次:在高端領域,發揮立體、區域和化學等選擇性優勢,拓展在醫藥中間體等高附加值精細化學品制造中的應用;在中端領域,生產生物材料,實現CO₂減排,減緩溫室效應;在低端領域,利用低劣生物質資源生產生物能源,減少污染、變廢為寶,實現節能減排。生物催化是環境友好的綠色制造技術,是綠色化學。”鄭裕國表示,精細化學品生物制造已成為世界各國優先發展的科技和產業重點,通過生物催化方法制造手性醫藥化學品受到普遍關注,并已成為發達國家重要的科技和產業發展戰略。

鄭裕國提出,生物催化反應具有的多樣性、立體和區域選擇性強的特點,可以開辟新工藝并利用廉價易得原材料和緊湊的反應步驟滿足途徑需求,可以對含2個及以上手性中心的手性化合物進行選擇性催化滿足質量需求。鄭裕國以抗癲癇藥物普瑞巴林為例,列舉了生物制造的諸多優勢,如反應條件溫和可以滿足藥物過程中適應性強、環境友好的需求,可以重構、定向、改造過程實現藥物制造的不定需求等。“因此,生物制造對藥品的質量和成本,對環境的效益都起到非常重要的作用。”鄭裕國說。

鄭裕國指出,以生物催化為技術手段的手性醫藥化學品綠色制造已成為諸多跨國公司的發展戰略制高點。生物催化與化學催化的整合,為精細(手性)化學品的合成提供了環境友好、成本低廉的強有力工具,代表綠色化學的發展趨勢,被稱為“第二代”加工手段。生物催化和化學催化的交叉需要生物學家和化學家緊密合作,著重解決生物催化和化學催化反應的相容性、生物催化反應類型的拓展及其分子催化機理、生物催化劑的快速商品化和工具化等問題。他指出,生物制造技術的關鍵在于將合成生物學與高效生物催化運用到產業化當中。

鄭裕國列舉了他汀藥物的發現、發展過程,中國率先實現了阿托他汀的合成,掌握了他汀藥物的話語權,更體現了生物制造的重要性。鄭裕國強調,生物制造是生物醫藥發展的一個方向,怎樣構建高效生物催化劑或構建高效細胞工廠從而滿足生物制造需求,是工程技術專家非常重要的責任,怎樣實現生物催化劑快速改造與規模化智造,是醫藥化學品、功能營養化學品、農藥化學品未來的重點問題。他還就“生物催化劑與化學催化劑的反應體系、負載形式、反應條件差異大,如何使二者無縫對接,實現一鍋法合成?”“如何通過蛋白質改造和挖掘,發現更多新生反應?”等相關問題,解答了生物精細化工的新發展思路。

此外,鄭裕國還對腈化合物生物催化與轉化,雙手性醇化合物、環氧化合物生物制造,“手性源的合成”等精細化學品生物制造關鍵技術進行了介紹。

鄭裕國,中國工程院院士,生物化工專家,現任浙江工業大學生物工程學院院長,長期從事醫藥和農藥化學品生物制造工程技術創新,建立了以生物技術為核心,融合有機合成、化學工程原理和方法的生物有機合成技術新體系。發明了最大假糖類農藥井岡霉素高端品種及其衍生物生物合成新技術,實現了井岡霉素的綠色化和高值化;開發成功最大糖苷酶抑制劑類降糖藥阿卡波糖生物合成新菌種和新技術,通過工程技術全程創新,打破了其長期依賴進口的局面;發明系列生物催化劑篩選、改造和工業應用新技術,實現醫藥、農藥化學品生產過程重構、強化和替代。授權發明專利90多件,發表SCI收錄論文200余篇,主編出版教材、專著3部。以第一完成人獲國家技術發明二等獎2項、國家科技進步二等獎1項、省部級科學技術一等獎6項和二等獎1項。2017年當選中國工程院院士。


【 作者:淡天俊 李玉琪 孫偉 來自:化學工程學院 科技處  責任編輯:姜洪明 審核:蔣大森】

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