〔提要〕最近几年，微生物学、生物化学、分子生物学和遗传学等生物学科的新成就同化学、化学工程、其它工程学以及数学的新成就相融合而产生一门新的独特的学科——生物工艺学。
本文简单地概述了生物工艺学诞生的一些历史发展过程，以及因为这些发展过程能很好地说明采用多学科方法解决问题时所产生的相互渗透的丰盛效果。作者力图明确说明生物工艺学核心作用的二个主要方面，即：谋求完成一项具体任务的最佳生物催化系统；设计、建造和管理使这种催化剂发挥其功能的最佳环境。
前言
近几十年来，科学技术发展的显著特点是日益求助于多学科方法来解决各种问题。如此产生的相互协合作用对参与的学科的发展速率有深刻的有利影响，并且往往导致新的跨学科领域的出现，最后形成具有独特、明确理论和方法的新学科。化学工程和生物化学就是这类现象的早期的、众所周知的实例，在这些具体例子中，新的智力工具和技术的产生对化学加工法的革新和发展以及对更好地了解生物系统的化学基础产生了强有力的影响。
许多作者已经讨论了多学科计划的性质、组织和管理：RalpH把多学科活动和跨学科活动的性质区分开来。RalpH的说法是：“多学科”和“跨学科”这两个词通常是几乎可以互换使用的，但是将它们区分开来可能也有好处。我愿把'多学科'这一词看成是表示对通常出现在某一领域以内的问题在解决途径上量的扩大，这意味着调动好多个可独立分开的现有学科的理论和方法，应用它们解决某一领域以内的一个特定问题。真正的跨学科活动是在多学科合作过程中所涌现的一些设想融合而形成具有本身独特理论和方法的新学科时才出现的。还可以进—步指出，多学科计划几乎总是定向研究，而当出现真正的跨学科综合研究时，这个新领域就会为好奇心所推动的不考虑利害的新型探索提供活动园地。本文的中心主题是，生物工艺学是一门新学科，它是生物和工程各分支之间又一相互影响的产物。
生物工艺学发展史上的重要事例
我不可能在这篇简短的文章中详述或记录一些使生物工艺学成为一门独立学科而作出贡献的许多相互作用，但有几个例子可以突出说明生物工艺学历史发展过程的特点。
在第一次世界大战期间，为了制造无烟火药，迫切需要丙酮，这就推动了一项多学科尝试以改进英国斯特兰奇和格雷厄姆有限公司操作的低产率和小规模的细菌发酵法。参加这次多学科试验的有钱姆· 韦茨曼（那时他是曼彻斯特大学生物化学的学者）和该公司的他的若干同事。尝试的结果出现了韦茨曼丙酮- 丁醇法，此方法的最重要特点是使用高产率的韦茨曼菌株（梭状芽孢杆菌），这种菌株对于一系列含淀粉基质都能发酵，能通过热震扰技术进行激活培养，能成功地扩大发酵桶体积、能在这种加工操作新水平上控制污染、随后，其它国家也广泛使用这种方法。
发明盘尼西林的神话般故事是第二个实例。据称，这是微生物学史上最有意义的事件之一，在医学史上仅次于哈维发现血液循环。这就是全部内容，但这也是最能阐明多学科相互作用导致诞生生物工艺学的实例之一。细菌学家弗莱明、化学家雷斯特里克、病理学家弗洛里和化学工程师钱恩所取得的基础知识后来由二十多个学科的许多专业人员加以扩大和补充，从而提出了一些其复杂化程度迄今在发酵工艺中无与伦比的大型发酵法，并为以后最多样化的形式提供了模式。在研制盘尼西林过程中所产生的附带成果是很多的，包括不断改进和保持生物体生产率、在对微生物的生理学和生物化学的认识中增加了严密的数学和物理化学成分，以及发现大规模处理和管理微生物加工中不同于化学加工的特有问题。
作为第三个例子，可以简略地评论一下推广莫诺德· 诺维克和西拉德对微生物连续流培养的观察结果的多学科计划。捷克斯洛伐克的马利克小组和波顿的赫伯特小组分别以大规模培养细菌用于生物战和用于工业生产为目标的定向研究，结果促进了对微生物生长动力学的精深研究，设计了连续流培养的重要方法，并推动了以数学模拟作为强大工具用于更好地了解和控制微生物加工。
所有这一切发展的共同特点是采用从多种学科引入的基本知识、技术和方法，而这些多学科的输入最近已经形成跨学科领域-称为生物工艺学，其过程与生物化学产生于化学、医学和生物学以及食品工艺学产生于化学、化学工程、微生物学和其它生物学科的输入相同。
生物工艺学作为一门学科的特点
在新的跨学科领域中，重要的事情是使其倡导者清楚看到他们承认的这门新学科的特点，看到供他们在特定的研究和研制项目中应用的理论和方法是适合需要的。以生物化学为例，虽然生物化学家在所用的方法中有许多是属于化学的，然而他的任务是说明生物过程而不是化学过程。食品工艺学家的最初任务不是了解化学或食品微生物学，而是为人类消耗设计出可以加工和保存动植物可食用部分的方法和工具。虽然生物工艺学家常常采用化学、生物化学、微生物学、化学工程和计算机科学等衍生的技术，但他的主要任务是革新、发展和最佳操作生物？催化剂能起无法替换作用的加工方法。
生物工艺学有双重中心任务，一方面是为某一具体加工过程谋求最佳催化剂，另一方面是创造和控制最佳环境使这种催化剂发挥其功能。
1. 谋求最佳催化剂：
在大多数情况下，生物化学加工所用的催化剂最有效、最稳定和最方便的形式是全生物体。正是由于这个原因，生物工艺学很大部分是涉及微生物加工。这一领域现已掌握的方法就是那些能从天然环境池中选择优等生物体，能通过变异改良生物体，以及近来运用分子生物学基础研究所产生的一大批新技术来通过遗传控制制造生物体的方法。这些方法只能在了解微生物生理学和生物化学以及时常观察它们探测目标的背景下才能得到合理的应用。一旦获得优等的生物体，就必须使之保持基本上不变的形式，而这种必要性已经引出一系列在高标度操作时保存及适当管理生物体的技术，还引出了一系列连续鉴定生物体的生存能力和特殊本领的方法。
分离与纯化形式的催化剂往往效用最大，已经积累了大量有关大规模生产、分离和纯化个体酶及其人工稳定的资料。
2. 生物化学加工环境的设计和最佳化：
生物工艺学的第二个方面包含：反应器设计的各个方面；催化剂必然对原料产生作用的最佳加料技术；提供能保持和控制诸如温度和pH值等物理化学参数的装置；确定最适合的操作方式（分批作业还是连续作业）。所有这些事项的考虑必须同回收产品和处理加工过程废物的技术上和经济上合理的路线无矛盾。
可以把生物工艺学中心任务的这两个方面看成互相支持的应用生物学分支和生物化学工程学分支，而所有生物工艺方法或多或少依靠这门学科的这两个主要方面所蕴含的大量知识。显然，在研究生物工艺学的新问题和新发展时，这两个主要部分将具有不同的分量和重要性，而且在生物工艺学中，如同在一切学科中一样，都将分为各种专业，它们的提倡者将需要大量汲取一门以上的输入学科的知识。
生物工艺学的应用领域
本文的主要目的是阐明生物工艺学的特点及在整个现代工艺技术中的地位，应当简明扼要地指出，可以应用这门学科的比较重要的领域。它们是：（ⅰ）发酵工艺。从历史上来看，发酵工艺在生物工艺学领域中是最重要的，并具有广阔的发展前景。（ⅱ）酶工艺。酶工艺的发展速率已经受到立法障碍而减慢，它的潜力在化学- 酶的混合法中还没有充分发挥。（ⅲ）废物工艺。这是生物工艺学另一个历史性领域，很可能越来越重要，把资源节约与资源再循环结合在一起时尤其如此。（ⅳ）环境工艺。在解决环境问题方面，生物工艺学将有广泛的用武之地。这一方面很可能成为生物工艺学家大显身手之地。（ⅴ）可更新资源工艺。这是最近发展起来的领域，生物工艺学类似于食品工艺学的地位在这一领域中为更好地利用作物非食用部分（农业的和非农业的）作为新的化工原料源和能源提供工艺方法。
我们可以将生物工艺学应用的起因、中心和领域设想为一棵茂盛的大树（图1）、其丰硕的果实如附图及附表所示。
生物工艺学的生长点
以下简单地描述作者认为是生物工艺学的生长点并预测不久将来将投入主要精力的领域。
1. 应用分子生物学的潜力。从头解决生物工艺学问题的第一步就是探求合适的生物体或生物催化剂；如果没有最好的催化体系；那么在设计适应这种体系的加工方法时可能徒劳地耗费大量的时间和精力。对第一步重要性的认识日益加深：最近几年分子生物学家和微生物遗传学家参加许多闻名的生物工艺学研究小组，并转向以生物工艺学为目标，大量积累近期来自这些基础学科的资料和技术可以证明这一点。从历史上看，从天然环境中选择生物体以及采用随意突变和随意选择起到了使微生物方法发展的作用，但现在掌握了以更合理得多的方法来获取“特定目的”生物体或衍生的分离催化剂的手段。像质体传递和原生质体合成这一类技术以及许多其它高度想象化的重组遗传物质的方法为工业微生物的遗传工程开辟惊人广阔的前景。这无疑是生物工艺学中最重要的发展领域，它提供了各种方法，使人们能用以生产迄今认为通过微生物控制不可能获得的化学物质。例如色氨酸和蛋氨酸一类的氨基酸、种类大大扩增的酶系、各种各样的抗菌素、抗肿瘤剂和烃类等等。
2. 重新考虑现有的方法。有迹象表明，生物工艺学用综合法整体地来考虑现有方法的能力已开始受到重视，并在使这种能力转向对现有和过时的发酵法作严格的重新评价。发酵生产乙醇就是一个最好例子，这可能是最古老的发酵方法，是一个长期来未受到重视的方法。烃燃料即将告缺和价格上涨已促使人们对以乙醇作为一种液体燃料产生兴趣。有些国家用传统方法逐步增加乙醇生产已取得进展。世界各地有几个小组建议要长期地、认真地研究微生物生产乙醇，并且提出了一些很基本的问题。酵母是否最适用的生物体？有些菌种生产乙醇似乎比酵母更快。能否对这些生物体进行遗传控制以提供更好的性能？通常所用的乙醇发酵及反应器是否最合适？连续流方法和生物体更有效的再循环能否改进加工作业？有没有切实可行的方法克服由产品禁止所形成的限制？能否用一种能量效率更高的方法回收乙醇以取代耗能的蒸馏法？或许一切问题中最有说服力的是：如果研究活动的目的是取得一种替用液体燃料，那么乙醇是否真正最理想的最终产品呢？能通过简单化学反应排除氧的丙酮或许是一种更好的产品，或者说，用光合成有机化合物直接生产烃的目标收获更大。
生物工艺学全面解决这些问题的能力大于任何其它可能解决具体问题的学科，而且它的这种作用还没有充分利用。
3. 反应器设计。在天然环境中研究控制微生物加工过程的那些人们清楚地体会到，这种加工过程在速率上和程度上受环境限制通常大于受生物体本身的限制；换句话说，进行加工的天然反应器的特性阻碍生物体充分发挥其潜力。虽然人们久已了解到反应器的设计限制了微生物加工能力的充分发挥，但大多数工业发酵仍然是在比较简单的、基本上可互换的搅拌桶反应器中进行的。这种装置的不足之处已经妨碍了一些加工方法的发展，过去几年，在反应器设计方面还有大量革新、其中包括帝国化学有限公司设计的甲醇生物量加工循环反应器，塔式反应器以及在肉汤很稠的发酵过程中输送养分和氧气用的改良装置。这最后一项发展有可能迅速发展成生产微生物胶浆和较高分子量粘性物质的方法。
目前对于用光合成生物体直接生产原料可能性的兴趣突出说明了作为生物反应器的传统坑洼系统不合适。设计更有效的光生物反应器系统或许会为一些很重要的新发展开辟道路。
4. 微生物加工的自动控制。虽然微生物受到了它们工作所在环境特性的深刻影响，但它们也通过本身的活动改变环境的特性，称之为生物学莱查特利埃原理（Le Chatelier's Principle）。要保持一种使微生物生产率经常达到最佳的环境是很困难的，这是因为许多起作用的因素和这些因素之间相互作用的复杂性造成的。解决连续自动保持微生物加工的最佳环境条件所涉及的问题是目前集中研究的一个课题。内容包含：发现最重要的参数，制造合适的加工模型、设计有充分特色与快速反应的探测技术以便连续监测加工过程，将加工信息连接到计算机系统上，设计程序用以解决数据和指挥适当的调节装置。扩展研究涉及加工过程各个方面，例如，配制原料、原料和设备的消毒以及回收产品。
发展这一领域最大的障碍也许在于传感器的有效性。对于使遥测系统缩小到微生物细胞大小的可能性已经提出一些有趣的推测。
5. 可更新资源工艺的发展。这是生物工艺学与之发生关系日益密切的领域，也是将来可能作出一些最重要贡献的领域。这一领域从各方面来看是一个超多学科领域，在这一超多学科领域中生物工艺学同植物栽培和农业土壤学、土地利用和水资源工艺学一样是一门出成果学科。目前，重点放在以下几方面：
（A）更完全地利用传统的农作物，先将纤维素、半纤维素和木质素降解成它们的单体，随后通过微生物转化成有用的产物。
（B）借助于以下方法直接生产烃或生产容易转化成烃的物质：改进植物品种（银胶菊和其它大戟科）控制其它植物品种的代谢作用（通过注射阻碍植物生长的化学剂提高放射形松树“Pinus radiate”的树脂产量，提高桉树和有关品种的香精油产量）以及养殖淡水藻（葡萄藻）和盐水品种（海洋浮游植物）。
（C）使用各种各样藻类品种作为生产原料（如淀粉）的植物以补充传统的农作物。这些发展包括利用不宜于种植传统作物的土地、设计珍奇的光生物反应器、更加广泛地循环废二氧化碳、设计能通过循环保存营养物（特别是磷）和水的加工方式。
6. 地质环境的利用。有些使化学元素通过地球化学作用循环的机理是生物学机理一如元素从含量很稀薄的地壳和地水层的水池集中到矿体的某些过程一样。人为的干涉可以加速这种天然的浓缩过程，往往带来灾难性的环境后果，但有时在精选用其它方法回收不经济的主要金属有很大好处。在这个领域中主要的研究和发展活动在于：
A. 模拟矿体的生源说；
B. 用细菌沥滤法从低品位硫化物矿中回收金属；
C. 用有机废物或向光生物和异养生物的混合群体向异养生物体提供营养，从低品位非硫化物矿中回收金属和其它元素；
D. 根据生物工艺学原理，发展控制摄生法，以最大限度减少由于金属溶解和采矿废物产生的酸而造成的环境损害。
结论
很可能，涉及到充分供应食物、原料和能源方面的人类首要生存问题将通过比目前广泛得多的技术选择得到解决。生物加工方法的广泛革新和多样性将导致新工艺出现，在这一部分发展中，生物工艺学新的跨学科领域所拥有的理论、方法及其前后一致的研究方针无疑将起着重要和重大的作用、
〔Chemistry in Australia 1979年2月Vol. 49 No. 2〕