1.1 生物技术的属性生物技术是一个属于应用生物科学和技术的一个领域，它包含生物或亚细胞组分在制造行业、服务也和环境管理等方面的应用。
生物技术利用细菌、酵母菌、真菌、藻类、植物细胞或培养的哺乳动物细胞作为工业过程的组成成分。
只有将包括微生物学、生物化学、遗传学、分子生物学、化工原理在内的多种学科和技术综合起来才能获得成功的应用。
生物技术过程通常会涉及到细胞的培养和生物量，并得到所需的产品，后者可进一步分为：生成所需产品（如酶、抗生素、有机酸和类固醇）；原料的分解（如污水处理、工业废料处理和石油泄漏处理）。
生物技术的反应过程是分解过程，即把复杂化合物分解为简单化合物（如葡萄糖分解为乙醇），也是合成或同化过程，即把简单的分子合称为复杂的化合物（如抗生素的合成）。
分解过程通常释放热量，而合成过程通常吸收能量。
生物技术包括发酵过程（如啤酒、果酒、面包、奶酪、抗生素和疫苗的生产）、供水与废物处理、食品技术以及越来越多的新应用，包括从生物医学到从地品位矿石中回收金属各个领域。
由于生物技术的普遍性，它将在许多工业生产过程中产生重大的影响。
理论上，几乎所有的有机物都能用生物技术来生产。
到2000年，生物技术在未来全球市场的潜力预计接近650亿美元（表1.1）。
然而，我们必须意识到，许多重要的生物产品仍将利用现有的分子模型通过化学方法合成。
因此，应该从广义上来理解生物化学和化学以及他们与生物技术的关系。
生物技术所采用的众多技术通常比传统工业更经济、更低能耗、更安全，而且生产过程中的残留物都能够通过生物降解而且无毒。
从长远来看，生物技术提供了一种可以解决众多世界性难题的方法，尤其是医药、食品生产、污染控制和新能源发展领域的问题。
表1.1 全球生物技术市场在2000年之前的增长潜力摘自Sheets公司（1983n年）生物技术通报11月版。
1.2 生物技术的历史发展与人们的普遍看法相反的是，生物技术并不是新兴起的，事实上，它已经有很长的历史了。
实践证明，现在的生物技术体系是经历了四个主要的发展阶段后形成的。
利用生物技术生产食品和饮料人类从事烘焙、酿造以及果酒酿造的活动可以追溯到数千年前，古老的苏美尔人和巴比伦人喝啤酒的历史可追溯到6000年前，埃及人在4000年前就会烘焙面包，《创世纪》诞生时，葡萄糖就就开始在中东地区流行。
这些过程都在受生物体、酵母菌的影响，但直到17世纪安东尼·列文虎克做了系统阐述之后，人们才认识到这一点。
1857年到1876年间，巴斯德的开创性研究证明了这些微生物具有发酵能力，他理所当然地被称为生物技术之父。
其他的微生物过程，如奶酪和酸奶等发酵乳制品的生产，以及酱油和豆豉等各种东方食品的生产，都同样有悠久的历史。
最近引进的蘑菇种植可以追溯到数百年前日本的shii-ta-ke种植，如今在温带地区广泛种植的巴西蘑菇也有三百年左右的历史了。
我们无法确定这些微生物生产过程的出现是源于偶然还是主观实验，但其进一步不断发展的早期实例证明了人类能够利用微生物的生命活动来满足自己的需要。
近年来，这些生产过程更依赖于先进的技术，其与世界经济的贡献也与日俱增，远远大于初期阶段的作用。
最初在有菌条件下发展的生物技术直到19世纪末，许多重要的工业化合物，如乙醇、乙酸、有机酸、丁醇、丙酮，都是在开放的环境里利用微生物发酵进行生产的，而对微生物污染的成功控制是通过认真的控制生态环境而不是通过复杂的工程来实现的。
然而，进入石油时代，这些化合物都能够从石油的副产品中得到，使得它们更廉价，而这些新兴产业也黯然失色。
近些年来，石油价格的不断上升使我们重新考虑启用早期的发酵工序，已恢复商业化生产。
与前面提到的食品发酵相比，这些物质的发酵方法相对简单，能够进行大规模生产。
其他成功的有菌微生物发酵例子有废水处理和城市固体废物堆肥，人们一直利用微生物来处理和净化生活污水，以及简单的处理工业有毒废料，如化工厂（排放的）废水。
在目前世界上实施的发酵过程中，利用生物技术处理污水的规模最大（但对其了解最肤浅）。
表1.2 英国发酵能力统计摘自Dunnill (1981)。
生物技术过程无菌技术的引进 20世纪40年代，随着微生物培养中复杂工程技术的引进，一项新的技术诞生了，以保证每个生物反应过程都不受到杂菌的污染。
因此，要预先对培养基和生物反应器进行灭菌确保反应其中只留有已选定的生物催化剂。
抗生素、氨基酸、有机酸、酶、类固醇、多糖和疫苗的生产代表了生物技术水平的不断发展，这些生物产品的生产过程是复杂的，成本高，只适合高价值产品的生产。
虽然很多产品的需求量很大，但由于设备和资金的限制，工厂仍然采用用于食品和饮料生产的传统生产体系（表1.3）。
表1.3 英国发酵工业销售额摘自 Dunnill (1981)。
生物技术产业的新前景和预测在过去的十年里，分子生物学和过程控制有了突出发展，这不仅为开辟新的发展方向创造了新的机会，也为生物技术产业提高效率和增加经济效益创造了新机遇。
从生物技术的兴起和发展可以看出他对未来世界经济的重要性。
那么，这些创新有指什么？（表1.4）表1.4 促进生物技术发展的技术（1）基因工程对工业上重要的重组和/或突变体基因的操控一直是工业遗传学家的创新性研究的一部分。
新的DNA重组技术包括活细胞的轻微破碎、DNA提取、DNA纯化和高度专一酶的选择性破碎；分类、分析、筛选并纯化目的基因；将DNA与载体结合并导入受体细胞进行细胞繁殖和细胞合成。
重组DNA技术使基因的操控更加容易，能够避免种间和属间的不相容。
人的胰岛素和干扰素基因已经被转入到微生物细胞中并得到成功表达。
原生质体融合、单克隆抗体以及广泛使用的组织培养技术包括植物细胞悬浮培养技术，对生物技术的发展产生了深远影响。
（第3章）（2）酶技术分离酶长久以来都用在生物生产中，它们的催化能力也在进一步被开发利用，固定化技术迅速发展得以使酶能够重复使用，如采用固定化葡萄糖异构酶生产高果糖将（年产30万吨）具有重要意义。
将整个细胞固定化作为生物催化剂是下一步的发展方向。
（第5章）（3）生化工程生物反应器在生物技术反应过程中具有重要作用，是起始原料转化生成最终产物的重要场所（图1；第4章）。
在生物反应器设计过程控制技术和发酵过程的计算机控制方面已经取得了重大进展。
但是，生物技术产业的过程控制应用要比化学工业落后几年。
生物产品（下游）采用的新工艺流程将改善所有生产过程的经济状况。
人们越来越需要设计一种有效的回收工艺，尤其是对高价值产品的回收，如大肠杆菌产物的回收成本与发酵成本比值：L-天冬氨酸在3.0左右，乙醇是0.16，但下游加工还是没有收到重视。
图1 生物工程进程原理图(图略，流程图画好了，但是传不上来，下同）（4）工程产品/系统大量生产生物分子抗体和酶的能力以及蛋白质和细胞固定化技术的成熟，使得应用于生物诊断，生物解毒和目的基因的新型传感器得到发展，这种系统可与微型电子设备相结合并最终通过电脑编程控制使其应用于更多的生物技术工业和服务业。
生物技术有两个特点：联系实际应用和跨学科合作，生物技术产业的从业人员采用化学，微生物学，遗传学，生物化学，化工原理和计算机科学的技术，主要任务是创新，发展和优化操作工艺，这使得生物催化剂具有普遍性和不可替代的作用。
生物技术不是一个学科，而是在这一项目中来自不同学科的专家能够做出自己的贡献。
必须明确区分生物科学和生物技术，生物科学重在掌握生物学的理论知识，而生物工程重在理论知识的实际应用。
大多数情况下，生物技术反应过程在低温下，耗能量低，而且只需廉价的原料就可以维持反应进行。
生物科学家和来自不同领域的工程师为生物技术做出了自己的贡献。
生物技术一词已经悄悄走入了我们的词汇表，它是对科学家或工程师运用自己技能来处理生物问题的一种描述。
但是，由于这个词条的使用会使人产生困惑，我们应该禁止使用。
相反地是，生化工程师做为过程操控员，他的任务是把生物学知识转变为实际应用。
完美的生物技术学家是不存在的，因为没有人能够同时掌握微生物学、生物化学、分子生物学、化学和处理工程等方面的技能。
但是，对于这一领域的学者来说，必须不遗余力的学习其他学科的知识。
不同学科的专家没有共同语言，这无疑是权力开发生物技术潜力的重大障碍。
1.3 生物技术的应用生物技术产业可根据其产品产量和价值来衡量。
因此，高产量低价值的产品或服务包括水净化，废物处理和生产沼气、乙酸、生物量和动物饲料；较高产量中间价值的产品包括氨基酸，有机酸，面包酵母，丙酮，丁醇和某些聚合物；低产量高价值的产品包括抗生素，干扰素，疫苗，单克隆抗体，抗体，酶和维生素。
生物技术也可以根据发酵过程所需的科技水平来划分（表1.5）。
抛开产量大小，从工业规模来看，现在和未来的生物技术产业可以简单的分为三大类：（1）小规模生物技术主要通过生物学方法生产生化产品来创造经济效益。
这种类型的生物技术产业由来已久，并且发展迅速，特别是在新产品开发领域，但与工业之间存在激烈竞争，如抗生素、单克隆抗体和抗生素的生产。
表1.5 生物技术：以科技水平为基础（2）中等规模的生物技术则与石油科技和农业竞争，生产日用化学品和自然产品，包括蛋白质和脂类。
（3）大规模生物技术将代替石油和煤工业，为燃料和高吨位产品提供有机基础原料。
虽然目前大中等规模的生物技术产业没有取得可观的经济效益，但毫无疑问，在未来20年将会建立一个以植物为原料的大型微生物行业（图1.2）。
这些产品的市场已经形成，这将刺激微生物工业的发展。
1.4 生物技术进展生物技术能够成功地持续发展，在很大程度上取决于三个前提，即：从传统和基因系统扩大高价值产品范围：利用再生资源获得原材料；越来越多的人意识到，在很大程度上，生物技术产业比传统工业更经济。
大中型生物技术产业能够发展的一个最为重要的方面就是工程所需的原料和底物能够及时供给。
底物成本占最终产品成本的30%～70%，底物供应取决于技术和政治因素。
因此，以各种有机底物生产天然气虽然不会有很好的经济效益，但至少可以在石油进出口上与政府做些商讨。
从农业、林业和工业废料中获取再生资源变得日益重要，因为它们通过生物技术提供了食品、饲料、基础化学品和能量。
然而，为了达到这一目标，不能局限于在生物技术方面寻求方案，土地管理方面也有所需。
1.5 生物技术的发展前景每一个生物技术工序都要对其现有资源、经济效益进行估算，并评估其对环境，以及人类健康、工作人员和用户的安全的影响。
如果正确的运用生物技术，会有助于实现大自然，人类所需和环境之间的平衡。
培养一个训练有素的工作人员是生物技术发展的重要方面。
1.6 综述生物技术可以看作是生物有机体和生产工序的应用，它涵盖了众多的学科和领域。
虽然活动是当今高度复杂和新颖的许多程序的根源在于历史的黎明。