新世紀的化學工程:化學工程在生物科技上的應用與發展 / 孫一明、朱一民

星期四 , 15, 九月 2016 Leave a comment

新世紀的化學工程:
化學工程在生物科技上的應用與發展

孫一明1, *、朱一民2

1元智大學化學工程與材料科學系
2
國立清華大學 化學工程系
*cesunym@saturn.yzu.edu.tw

n  前言

乍看之下,化學工程給大家的聯想是是用大量的化學物質來製造化學品或是塑膠類的產物,往往造成空氣、水與大地的污染。然而,化學品的使用卻是與人類生活所需息息相關,不但提供了最現代的衣物纖維原料,製造身上穿戴的涼感衣,也提供了最新手機內電子元件製造所需要的原料。若沒有化學工程,所有科技都失去進步的根基。就名詞上,很難想像生物科技與化學工程有任何關聯,但是現任的中央研究院廖俊智(James C. Liao)院長,確是以化學工程的背景與專長,在生物科技上做出重要的貢獻,而為科學界所肯定。或許大家都很好奇,也不甚瞭解生物科技與化學工程間的關聯,就讓我們來看看化學工程內所受的訓練是如何應用於生物科技上的發展。

n  生物科技與化學工程

首先,讓我們先瞭解生物科技的內容是什麼?有興趣的同學,可以在維基百科中查到:生物科技(biotechnology)是指使用分子生物的方法,於生物體(含動物,植物及微生物的細胞)中進行基因操作、蛋白質操作或是細胞的操作技術,以改良生物體的特性,生產有用的產物或是創新物種的科學技術。根據不同的工具和應用,它往往與生物工程和生物醫學工程的領域重疊;然而,這些技術的源頭,都是基於我們人類對於生物化學的瞭解所產生。

生物體內有無數個由生物酶所催化的化學反應,生物體內的各種器官或是細胞,就像許多大小不一的生物化學反應器所組合而成,將生物體內的化學分子轉化成生物體的組織結構或是運動的能量,以執行生命的功能;因此,任何生物體都是一個複雜的化學工廠。化學工程師的訓練,就是讓我們可以與生物科學家共同分析、瞭解與操控生物體內的化學反應,以改變生物體的行為與特性,這些研究發展所衍生的技術,均為生物科技的一環。這些技術的發展,可以讓我們應用於疾病的治療,製作生物感測器以用於醫療診斷,讓基因改良的黃豆植物不會受到除草劑的傷害,可利用生物酶在工業反應器中催化某些特定化學反應以產生化學品,經基因調控的微生物可以在工業反應器中生產生質燃料或是治療疾病的藥物,更有利用藥物控制釋放的技術將藥物或是基因遞送至所需治療的部位;這種種的技術,都可以看到化學工程訓練的實際應用。

n  新世紀的化學工程

一般而言,可以讓大學教育中化學工程學系與其他學系區分的主要科目為:質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程,而與化學系相重疊的無機化學、有機化學、物理化學、生物化學、儀器分析等科目,另外許多學校也提供了與材料相關的材料科學、高分子材料、無機材料等課程。這些基礎的訓練讓化工系畢業的學生有廣闊的發展空間,不但可以處理巨觀的工程問題,生產數以噸計的產品,也可進入微觀的世界,處理奈米尺寸的尖端科學問題。在就業上,除了一般化學工業所需的工程師之外,在國內重要的電子產業也發揮許多貢獻,而生技醫藥方面更是化學工程可以產生重要貢獻的新興產業。

舉例而言,微生物細胞內為了達成某一種化學物質的產生,往往經過許多一連串生化反應的步驟而獲得,這些一連串的步驟又可能不只一套,有可能是並行與相互影響的,因而形成一細胞內生化程序網絡。我們可以藉著反應工程與程序設計的觀念,將這些反應途徑的變化,用數學的模式予以描述分析,找出反應途徑中主要的限制因子,再利用基因工程的技術,修改某項調控基因的表現,進而改變這限制因子,使得我們可以得到專一與大量所希望獲得的化學物質(見圖ㄧ)。這相關的科技進步,建立了近三十年所發展的代謝工程(metabolic engineering)領域,使得化學工程師可以藉微生物由可再生的生質原料或是可造成溫室效應的二氧化碳產生有用的化學品與燃料,這項突破使得人類更有機會建構以生物科技為基礎的循環經濟(circular economy)。而代謝工程的鼻祖傑·貝利(Jay E. Bailey)教授與之前所提到的廖俊智院長等兩位,均是接受完整化學工程的訓練,並能在此領域中發揚光大的佼佼者。

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圖ㄧ:利用代謝工程的技術,可以調控微生物體內代謝的途徑,用以製造所需要的化學物質(化學品、藥物與燃料油等)。在此每一個微生物細胞即是一個反應器,若將此類微生物於大型反應器內大量培養,即所謂的發酵工程。

(圖片來源:http://science.sciencemag.org/content/sci/330/6009/1355/F1.large.jpg

此外,不知道同學們是否聽說過在老鼠身上長出耳朵的故事(見圖二),那是組織工程學(tissue engineering)中為人所津津樂道的例子。組織工程學是利用細胞(通常為幹細胞),藉由支架(scaffolds)的支撐與構建,在生長因子(growth factors)的刺激下,通過體外培養的方法,誘導細胞成長以再造或修復器官及組織的技術,目前已經有再造骨、軟骨、皮膚、腎、肝、消化道及角膜、肌肉、乳房等組織器官的可能。組織工程學的發展包含許多跨領域的訓練,對於組織成長環境(生物反應器)內養分與代謝物的物質傳遞(mass transfer)與流體力學(fluid mechanics),會利用到化學工程中輸送現象與反應工程課程所討論的觀念;而支架所需的材料,多為可生物降解的高分子材料所構建。現代化學工程的進步,也推動組織工程學的發展,而其中最重要的先驅者鮑勃·蘭格(Bob Langer)教授就是任職於美國麻省理工學院的化學工程學系;他所主持的研究室,有一百多位博士級研究員,所產生的研究成果,均在生技醫療上有著重要的影響。

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圖二:老鼠身上的耳朵。

(圖片來源:http://openwetware.org/wiki/Ear_on_a_Mouse,_by_Brittany_Forkus

又以生質能源而言,利用可行光合作用的植物與水中的藻類,吸收太陽所釋放的能量,將二氧化碳與水轉化成有用的澱粉、纖維素、半纖維素、油酯或木質素等有機物,可以經過轉化(包含生物催化、熱裂解與化學催化)或是萃取生產燃料(見圖三),能夠部分解決能源匱乏問題。雖然目前成本仍高,難以與當前低價的石油能源競爭,但是若要降低二氧化碳排放,生質燃料仍是一個必然的選項。這裡面的生物催化過程或是藻類養殖顯然用到生物科技的基本原理,但是實際的大型生產系統卻是不折不扣的化學工程問題,所有質能均衡、輸送現象、熱力學、反應工程、程序設計等核心課程的訓練都會充分被應用到。

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圖三:收集農業廢棄物(玉米桿、稻稈、芒草等),經酵素水解與微生物發酵將纖維素與半纖維素轉化成酒精,以成為生質燃料的化工製程。

對於一化學工程學系的學生而言,對於生物科技的初步學習會來自於「生化工程」(biochemical engineering)這門課程,一般而言,教師們會以生物科技上中下游產業鏈中各種生化製程為例,介紹大規模生產生技產品所需的生化工程科技。課程中會引入生物分子及細胞的知識、生化反應動力學、基因工程等,與介紹生化程序工程的主要技術,包括固定化生物酵素、微生物醱酵工程、生物反應器、動植物細胞培養工程、生技產品的分離與純化工程、生化程序工程的設計與經濟評估等等。有些學校會特別提供生物化學相關的課程,強化生物分子(氨基酸、蛋白質、醣、脂肪、核酸、基因等)的訓練,建立同學對於生物科技基礎的認識。也有些學校也會提供生醫材料、藥物控制釋放與生物醫學等相關的課程,介紹材料於生物醫療器材、藥物傳遞系統設計與組織工程學上的應用。若是有志於就讀研究所的同學,將會發現各校的教師們也有很多從事生技醫藥主題相關的研究;對於生物科技有興趣的同學,可以在化學工程的訓練中找到許多發展的機會。

n  結語

綜合而言,以化學工程的專長投入生物科技產業,是一個相當具有挑戰性的工作,許多發展中的技術,有待年輕人投入。但就現實面,目前國內化工相關的畢業生,能夠進入生物科技相關產業的比例並不高。根據一些非正式的調查,各大學化工系畢業生僅約百分之五會從事生技醫藥相關的工作,而絕大部分(約百分之五十)受到電子與光電相關產業的吸引。主要仍是因為國內缺乏大型的生物科技企業,許多生技醫藥公司,仍屬於中小規模,所需的專業從業人員總額有限。即便如此,只要是以生產藥物為主的公司(非研發型公司)都必須許多化學工程師參與藥物生產、分離純化,及品管分析等工作。過去一百年以來,石油所主導的經濟發展(petro-based economy)已經達到飽和,為了追尋永續的發展,生物經濟(bio-based economy)將逐漸興起,無論是醫療健康的紅色生物科技、農漁牧的綠色生物科技或是工業應用的白色生物科技方面,倘能有突破性的發展,均將主導未來世界經濟發展的走向。能夠掌握生物科技生產技術的個體、企業與國家,將會是影響未來的大贏家。若是以生物科技為職涯發展的化學工程師,我們的優勢是能夠處理宏觀的經濟分析、巨觀的生產操作與微觀的科技研發;這是一條艱辛的路,含有許多未知與風險,但也充滿了機會與追求永續發展的意義。

n  附註

本文內之專有名詞與人物,均可透過網路檢索,做延伸閱讀。

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