全 文 ：化学工程和生物工程
程 刚，林章凛 译!
（清华大学化学工程学院）
对化学工程来讲，生物相关的工程（!"#$#%"&’$
()%")((*")%）和生物工程（!"#()%")((*")%）已不是新话
题。然而，尽管这些术语在这个学科的字典里已变
得相当普通，相关概念的定义还不完全准确，往往较
含糊。毫无疑问的是，对于与化学工程相关的产业
来说，生物学作为支撑科学的关键作用在日益增长。
目前的当务之急是发起一场讨论，从讨论中对生物
工程的含义及其化学工程这一专业的关系上逐渐达
成共识。并基于这个共识，指导课程的改革、专业和
系名称的改变、学生和教授兴趣的重新定向、以及在
学术协会组织方面的相关工作。本文旨在提供一些
可能有助于上述目标的想法。
我想先指出，对一个专业而言，其最宝贵的是它
的知识体系核心。在一个产业和学科课程都飞速进
化的时代，一门学科必须定义自己的核心（"+, #-)
&#*(），并通过学术研究和各类的应用来强化这个核
心。过去 ./年里，我们看到学生和教员越来越被吸
引到化学工程在生物上的应用。与这一潮流平行的
是，化学过程工业（01(2"&’$ 3*#&(,,")% ")45,+*6）正转
变成以生命科学为基础的过程工业。相应的，我们
扩大了化学工程的基础，把生物学与化学和物理一
起作为化学工程的基础科学。然而，必须指出，在这
些工业界和教育界的巨变中，化学工程的知识核心
没有变，只是应用领域变了。
工业是所有工程学科起源程序的决定性力量，
化学工程也不例外，事实上，最初化学工程专业是在
诸如玻璃、肥皂、造纸、火药、皮革加工业和尼亚加拉
（7"’%’*’）的电化学加工业等基础产业中诞生出来
的。随后出现了重要的无机化学加工业（化肥所需
的硫酸、氨水的合成）和有机化学的应用（一战时及
其后）以及近期的石油化学加工业。为满足不断发
展的化学工业的需求，化学工程学的课程内容自然
地随之进化。当化学工业中的方法和产品变了的时
候，学术研究的热点也发生变化。不过在这些变化
中，从具体的应用中寻求和提炼化学工程的学科的
基本原理的这一抽象化过程也一直在进行。这个逐
步进化的过程的最重要产物就是化学工程的基本概
念，正是这些经典理论使得化学工程能够为大量的
传统和新兴的产业作出实质性的贡献。我想提出这
样的结论：化学工程职业的最宝贵财富是这些知识
的结晶。它是经过几十年过程的结晶。
但学科进化过程中有一个显著例外是生物工程
（!"#()%")((*")%），它不是一个新领域。它在四十年前
就出现了，当时主要在电子工程系，与成像、辐射和
信号处理有关。在一个长时间的潜伏期里，生物工
程（!"#()%")((*")%）涵盖了生物材料、生物力学、修复
技术和医学设备中一些研究。这些研究主要对象是
医学应用，缺乏共同的知识内容。至今，生物学工程
没能发展形成一个共同的知识核心体系，其教学体
系仍是以一成不变、墨守成规方式来对应种种不同
的研究方向的需求。再者，典型的与生物工程（按照
大多数美国院校的理解）的产业都是围绕着成像和
医学设备之类。
上世纪 89年代在 7:;极度慷概资助之下，生命
科学得以爆炸性地成长，但没能改变上述的基本事
实。生物工程成为学术界的焦点是因为私有资本的
大量资助，而不是因为由于生物工程产业的快速增
长，也非因为一个学术上的突破性进展，只是把生物
工程的各种概念合并成一个共同的知识核心体系
（如出版一本像 <=>的 ?*’),3#*+ @1()#2()’一样的启
蒙性基础教科书）。偶尔地，在一些试图解释生物学
工程进展的论述中，或在一些尚未成型的建立生物
工程 A的计划中，人们提到“生物学和工程学融合”
这一模糊的概念。但这个概念，缺乏与之相对应的、
与其他的工程学有本质区别的、能够服务于重要的
有明确范畴的课程体系计划。这样的概念由于缺乏
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第 C卷第 .期
C99F年 C月
生 物 加 工 过 程
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· . ·
万方数据
合理的知识核心体系（如教科书、经过考验的专业设
置、毕业生的业绩，产业界的接受等）而不堪深究。
往往被人们假设为能自然发展的所谓知识核心体系
只是将相关教学人员组合在一起冠以与“!"#”和
“$%&"%’’("%&”组合成的新教育单元名称罢了，没有任
何证据表明这种说法是正确的。
根据以上发展状况，探究化学工程在这个新兴
的生物领域应起的作用是很重要的。在探讨这个问
题之前，我想先说“!"#”不是一个几年以内会消亡的
短暂的潮流。我的这个观点是建立在研究界的四个
基本变化之一。第一，在过去 )*年内，生命科学享
用了联邦政府最优惠的资助。实际上，目前生命科
学领域所得到的联邦政府资助，比其他所有自然科
学的总和还要多许多倍，而且没有迹象表明，这一趋
势在可预见的将来会发生变化。第二，这种慷慨资
助的结果是生物学很大程度上成为分子科学，飞速
进步，并呼唤相应的工程学。此外，基因组学和基于
基因组学的测量胞内物质的高通量技术（如 +,-微
阵列）急需数据的整合，而这些正是传统工程学的强
项。第三，分子生物学的进步正使早先稀有的基因
实验快速地变成很普通的分子生物学实验。这种能
力使得我们能够把基因水平的控制用来制造更好的
生物催化剂、新产品、或开发新药品和新的疗法。而
新药品和新疗法是众多生物科学的应用的一个小例
子，也是第四个“."#”将存在下去的原因。我想提醒
大家，虽然在医学上的应用是生物学的最有显示度
的应用方面，而作为化学工程师不应该忽视将完全
相同的方法和试剂的制备应用来生产精细化学品、
药物（例如，手性化合物），还有材料、燃料、化学品。
总之，充足的研究资金和顶级的研究人员的结合最
有利于创造知识财富，刺激高利润的制造业的增长。
这一结合将使生物学成为现有的新型的化学品和药
物制造业的支撑科学。
下面来讨论化学工程，我们能否将化学工程的
基本概念用于生物学所有的应用领域呢？答案显然
是‘%#’。只是某些领域，如成像、辐射、假体、生物力
学（机械）、信号处理、某些医用仪器、生物医药控制
等等的研究，可能属于生物学工程的范畴或是通过
工程学科间的合作进行更好。另一方面，化学工程
的基本概念已经成功用于分析生物系统，或设计分
子、细胞和生物过程设备等层次的应用设计。这个
研究方向和化学工程师们在物理化学系统和生物系
统中推动的多层次分析和设计方法是一致的。这个
研究方面的成效已得到广泛的承认。
用以考虑化学工程师能否有效地应对上述科研
和教学挑战的一个基本事实是：分子水平上的生物
学实际上是一门化学。生命系统和过程之所以神奇
是因为其中发生的生化反应。基因表达的调控，通
过信号瀑布的细胞间通信，代谢工程产生的过量代
谢产物，蛋白质的实验室进化，单酶或复合酶的生物
催化，组织工程中的细胞表面相互作用，受控药物传
递，基因疗法中的细胞和组织靶定，细胞和组织工
程，以及其它相似的问题，都依赖于其中的化学反
应。因此，传统的化学工程方法如动力学、热力学、
传递学等，事实上能够用来也正被用于解析和优化
上述问题。这些正是化学工程师们在探索生物学在
分子和细胞水平上的应用扩展方面关键优势所在。
化学工程的知识核心体系几乎不需要修改即可
适应生物系统的要求，不过，引进相关的生命科学的
知识将对化学工程学科有良好的促进作用，尤其是
生物化学、遗传学、分子细胞生物学，这些知识是将
化学工程的核心知识顺利应用到生物系统的基础。
近年来生物学的飞速进展开辟了广阔的科学前沿，
科学前沿对新技术应用提出无止境的需求，而这些
新技术的发展都基于化学和生物学。对新技术应用
发展直至进化到“化学和生物工程”这一新学科过程
中化学工程自然地充当了先锋。
有必要指出，化学和生物工程的内容和前景并
不是激进地脱离现实，而是向着充满希望的前途进
展。这并没有改变化学工程的知识核心，相反的，一
个个非常振奋人心的科学的应用例子说明是强化了
这一核心。新学科的建立并不意味着化学工程师们
过去作出巨大贡献而现在正领导着的领域将被抛
弃，相反，它丰富了化学工程教育和科研的知识内
容，并在生物学和传统化学工程领域的交叉面上创
造出空前的发展机会，如聚合物（生物材料），反应工
程（代谢工程），计算机和系统（系统生物学），热力学
（大分子热力学），分离（蛋白质组学的肽链分离），控
制（代谢途径），催化（生物催化），流体力学（分析应
用中的微流），等等。
发展生物工程最好的方法是什么？
目前国内（美国国内）的现状表明有两个模式可
走。第一模式：化学和生物工程，和生物工程（如早
期的定义）按平行和互利的方式继续。后者围绕着
医学设备，成像，生物力学和生物物理，假体和辐射
方面的研究。前者围绕着以化学反应为基础要素的
· ) · 生物加工过程 第 )卷第 /期
万方数据
生物系统在医学和工业上的应用，它包括从分子水
平、细胞水平到设备水平的多层次的生物知识系统
及其应用，例如，生物技术、生物过程工程、代谢工
程、由平衡或速率（反应和!或传递）过程决定的分子
"细胞水平的生物医学应用。为与我们对整合和量
化的关注相一致，针对描述细胞功能和生理的研究，
我还将把生物信息学中与数据整合方面的工作也包
括在其中。
第二模式是从不同学科体系（包括化学工程）播
撒种子，生长成新的不同知识单元，彻底摆脱历史的
镣铐，促进全新的生物工程的发展。这个途径完全
与历史上工程学科和工业协调发展的经验背道而
驰。尽管如此，总还有人和某些机构热衷于把零散
的生物工程整合成一个独立院系，而不顾及教员和
吸收相关毕业生的产业部门对一个完整的知识核心
的需求。
直到近期，有些化学工程院系在接受和向生物
工程靠拢上的动作缓慢。几乎毫不例外的，他们乐
意看到这样的模式：几个寥寥的生物工程教授在一
个稳态的、定位于过程的、以石油为中心的模式里运
转。就如已经充分表述的那样，这个模式不再适用。
根据其空前增长的重要性，生物工程不能仅仅看作
化学工程的众多分支之一。生物学应当被视为化学
工程学科的一门基础科学，就像物理和化学一样。
必须进行课程改革来反映这一观念的改变，向化学
工程师介绍遗传学、生物化学、分子细胞生物学的基
本概念。这一课程改革将丰富化学工程的内容，作
为学科和职业的化学工程，将更好地服务于新的化
学、生物技术和制药产业。我们必须努力把这些概
念融合进我们的教学和科研中去，并且让人坚信化
学工程知识核心的模式是在细胞和分子水平上生物
学知识体系进行教学和研究的最好载体。
毫无疑问，如果化学工程没能很好回答这一挑
战，别的学科就会填补这一空白。所剩时间不多。
尽管新组建的生物学工程（#$%&’($’&&)$’(）院系目前
主要着眼于这一领域更加经典的方面，不用多久，他
们的兴趣就会转移到生物学和生物技术在细胞和分
子水平上的应用研究上来。很可能是这样一些化学
工程师推波助澜，他们不是发展出一个新的生物工
程，而是简单地把很成功的化学工程模式移植到生
物学工程领域。我想指出这种发展就像是把化学工
程中最宝贵的财富———其知识核心抢走了，这对化
学工程专业有破坏性的后果。
人们已经在谈论化学工程的分裂。这个分裂一
种可能的结果是化学工程的衰败和灭亡。一个分裂
的化学工程不会是我们将为之骄傲的历史遗产。我
们必须立即开始一次严肃的课程改革，做到真正地
融合生物学知识和化学工程核心，把我们的学科发
展成“化学和生物工程”。
*++,年 *月 程 刚等：化学工程和生物工程 · - ·
万方数据