先进生物制造战略性先导科技专项课件.ppt

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1、先进生物制造,汇 报 人：马延和,战略性先导科技专项,2009.12.15,提纲,一、战略定位与预期目标二、科技路线图三、必要性和基础四、核心队伍五、组织管理方案,一、战略定位与预期目标,加快调整经济结构、转变增长方式，节约发展、清洁发展、安全发展，是我国现阶段的历史使命。建立绿色、低碳与可持续的产业经济体系的核心科技具有重大战略意义。,我国现代工业化经济进程与能源、资源、环境形势的现实形成了剧烈冲突。到2020年要实现单位GDP CO2减排40-45%的目标，面临巨大压力和特殊困难,资源、环境形势需要新的经济发展模式,化石资源,可再生碳资源,生物燃料(醇、油、气) 生物材料,生物基化学品,燃

2、料(汽煤柴) 材料,化学品,生物制造是变革经济增长方式的战略选择,能源资源短缺我国原油进口比例已达51.3%,气候变化我国CO2排放量已成为全球最大,环境污染我国石化工业每年排放废水达60亿吨,生物制造是以可再生的碳资源为原料，利用生物机能生产燃料、材料和化学品的加工方式，能够显著降低对化石资源的依赖，减少CO2排放，从源头降低环境污染,生物制造,石化制造,生物科技将催生新的产业革命,生命科学在向系统化、定量化的方向快速发展。 设计、改造生物体功能，发展先进的生物制造技术体系，是生物科技发展的重大机遇，将催生新的生物产业革命，促进可持续经济体系的形成与发展,设计、构建、改造新型生物体，建立先进

3、、高效、绿色的物质生产模式，促进生物制造产业形成与发展,预期目标,可再生碳资源高效生物转化技术体系,生物质原料废弃物，CO2,生物基产品(化工原材料等),高能量密度生物燃料,精细化学品,绿色、高效的生物催化技术体系,高效、智能的生物系统与生物过程技术体系,1 形成可再生碳资源高效生物转化技术体系，逐步实现化石资源替代，促进工业原料路线的变革性转移与低碳经济发展,应用领域2万亿元 生物能源 柴油 高分子材料 塑料 合成纤维 橡胶 化工原料,可再生碳资源,生物质资源,城市废弃物,CO废气工业CO2,异丙醇丁二醇丁二酸异戊二烯长链醇苯,促进替代石油资源25%，育成生物新能源，生物新材料等产业，建设绿

4、色、低碳与可持续的产业经济体系,2020创新目标,设计和构建先进的能源和工业生物体,2 建立绿色、高效的生物催化技术体系，逐步实现化学加工方式替代，促进化工和医药工业的节能减排,应用领域5000亿元 医药化学品与中间体 农药化学品与生物农药 材料化学品与中间体 香精香料,有机原料,甾体激素手性胺手性醇-氨基酸手性香料,使精细化工产品的生物法替代化学法达到30%，促进环境改善与化学工业可持续发展,2020创新目标,筛选、改造和制备新一代生物催化剂,3 建立高效、智能的生物系统与生物过程技术体系，促进传统产业升级与新兴生物产业的形成与发展,应用领域2万亿元 发酵工业 医药工业 饲料工业 纺织工业

5、造纸工业 制革工业,工业原料,抗生素, 氨基酸,酶制剂 高值天然活性物质 生态工艺,新一代工程菌株和先进生物反应器,发酵工业技术水平提高20-30%，轻纺工业实现污染物源头控制，资源消耗与废水排放减少30%以上,2020创新目标,二、科技路线图,关键核心科技问题,可再生碳资源,生物制造产品,尽管将生物质资源转化成乙醇、聚乳酸、1,3-丙二醇等燃料、材料和大宗化学品的生物制造技术已经成为现实，但总体上，生物制造的社会和经济影响力还非常有限,生物质资源 城市废弃物 CO废气、工业CO2,生物燃料 生物材料 化工原料,1 可再生碳资源生物转化利用的效率与途径,生物质降解能力低，成本高,复杂生物质组分

6、利用能力低,合成代谢受到调控，水平低,合成途径局限，不能合成,构建新型生物体，提高原料利用能力和产品合成能力,途径的重组与延伸,解除代谢调控,增强5C糖转运和代谢能力,强化纤维素酶的组分与活力,新型生物体能够媲美化学催化剂，变革化学催化过程,2 有机化学品生物催化合成的能力与范围,我们对生物催化剂的了解远远不及对化学催化剂的了解,化学合成,生物合成,生物催化剂,种类少,稳定性差,选择性差,催化活性低,成本高,工业生物过程(20多年历史),石油化工过程(90年历史),生产费用,3 复杂生物系统的工程效率,与石油化工过程相比，生物过程的成本高，效率低。基于三传一反的化工理论不能完全指导复杂生物体系

7、的过程优化,从细胞、多细胞到系统过程多层次上揭示其调控与应答机制，解决生物过程中的物质与能量转化规律、多相传递、工程放大原理等问题，将提高生物体的实际应用能力，并有助于构建多物种的生态体系与生态工艺,发酵罐,模拟计算平台,流场测试与分析,放大,分子层次,细胞层次,生物系统层次,生物固碳转化技术,可再生碳资源生物转化利用的效率与途径,关键核心科技问题的关联性,有机化学品生物催化合成的能力与范围,复杂生物系统的工程效率,人工设计、构建新型生物体，突破自然局限,系统风险评估,可能的多条技术路径及风险分析,可再生碳资源,生物基产品,酶分子催化技术,生物固碳转化技术,细胞工厂,生物催化剂,固碳分子机器与

8、生物系统,细胞代谢转化技术,有机原料,生物质,CO、CO2,以手性醇、手性胺、甾体激素等高值精细化学品的生物合成转化为目标。筛选、设计新生物催化剂改造优化：生物催化剂的体外分子进化、计算机辅助理性设计构建蛋白质高表达体系 建立工业催化过程介质工程技术和反应控制技术，优化生物合成反应过程,技术路径1 酶分子催化生物催化剂,单步催化反应风险小，多步、复杂催化反应难度大,生物催化剂,设计合成,筛选,改造,表达,反应体系,催化过程,高值精细化学品,技术路径2 细胞代谢转化-细胞工厂,以生物质原料转化长链醇、琥珀酸、化工醇等为目标选择大肠杆菌、棒杆菌、丙丁菌及新微生物等为操作体系。筛选新的微生物细胞体系

9、基因组测序与组学分析，系统生物技术改造 系统代谢工程遗传改造与基因组水平遗传工程 以合成生物学技术，合成生物元件，组装新的细胞工厂 发酵过程的计算仿真放大，自动化、智能化的过程优化控制技术,精细原料风险小，复杂原料难度大；筛选风险小，设计难度大,细胞工厂,组学分析,筛选,遗传改造,模块合成,发酵,过程优化,生物基产品,群落固碳风险小，分子机器和细胞难度大,技术路径3 生物固碳转化-固碳体系,多酶体系的纳米分子机器构建，实现CO2固定生产甲醇等化学品 微藻的筛选和遗传改造，提高光合作用对CO2的固定能力及油脂合成能力 多物种生态体系的构建，利用工业废气及生物质合成气，生产甲烷、乙醇等化学品,生物

10、燃料和化学品,CO废气工业CO2,细胞,群落,分子机器,发酵过程,阶段目标,构建2-3个细胞工厂模式，生物质丁醇和异戊醇等长链醇小试。构建工程微藻,形成高效的细胞工厂系统，丁醇和异戊醇产率完成工业化试验，建立CO/CO2生物固定多细胞体系,生物燃料,精细化学品,大宗生物基产品,产业技术提升,获得2-3个优良生物催化剂，实现甾体激素、手性胺等合成的生化工艺,获得3-5个高效生物催化剂，甾体激素新工艺达到5吨生产规模，形成手性醇生物合成新工艺,获得2-3个重组工程菌，抗生素新菌种投入使用。丁二酸、丁二醇等完成小试,获得新的工程菌株，丁二酸产率达到120 g/L，聚氨基酸、二元醇、己二酸等实现中试,

11、构建1-2个酶高表达系统，建立生物制革、生物纺织新工艺，实现节能减排,获得3-5种新工程菌株与表达系统，氨基酸、酶制剂、棒酸等产率提高30%以上,中期目标,远期目标,获得3-4个重组工程菌株，生物法长链醇实现10万吨级，实现藻类油脂规模化,开发一批新催化剂。手性胺与手性醇实现产业化，实现节能减排30%,获得一批生物炼制细胞体系。实现万吨级丁二酸，百万吨级化工醇生物制造,获得一批基因工程菌株，全面改造大宗发酵工业，提升生产水平30%以上,近期目标,2012,2015,2020,战略任务,核心技术,目标,高通量分子探针筛选技术,蛋白质体外分子进化技术,计算模拟与理性设计技术,蛋白质高表达体系和技术

12、,甾体激素,手性胺生物合成,生理组阵列针筛选技术,遗传操作系统和系统代谢工程技术,智能、自动发酵过程技术,进化工程和生理工程技术,丁醇、异戊醇工程菌,万吨级丁二酸10万吨级长链醇,多物种生态体系构建技术,CO废气制乙醇,藻类油脂,可再生碳资源生物转化利用的效率与途径,有机化学品生物催化合成的能力与范围,复杂生物系统的工程效率,生物固碳技术,抗生素工程菌,化石资源替代,加工方式替代,传统产业提升,科技路线图,模块设计与合成生物学技术,异戊二烯工程菌,手性醇生物合成,科技问题,酶制剂,三、必要性和基础,合理性、必要性和紧迫性,2004年“新一代工业生物技术”已经列入国家中长期科技规划发展纲要,“工

13、业生物技术”公众关注的频率,已经设立了新药创制，重大传染病和转基因作物重大科技专项。生物制造是现代生物产业发展的五个重点领域之一，但还没有设立相应的重大计划 紧迫性：中国提出的2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%的目标，压力巨大，急需改变经济增长方式,国际上布局情况,美国2020年制造业挑战的展望明确将“生物制造技术”作为战略技术领域，列为2020年制造技术挑战的11个主要方向之一,发达国家都制定了雄心勃勃的战略目标与重大行动计划，以加速发展清洁、高效和低碳的生物制造技术，促进形成与环境协调的战略产业体系,欧洲工业生物技术2025远景规划，期望于2025年取得向基于生物

14、技术型社会转变的实质进展,生物制造相关路线图,美国：生物质发展路线图 美国：GTL-路线图 欧洲：21世纪可持续化学工业路线图 加拿大：基于生物的基础原料、燃料及工业产品科技创新路线图,OECD预测：至2030年，将有35%的化学品和其它工业产品来自生物制造,我院高度重视，前瞻布局。在三期创新10+1基地中成立了“先进工业生物技术创新基地”，新建2个研究所，和相关20多个研究所形成了南北中心 生物资源学科优势明显；结构生物学、基因组学等生命科学基础雄厚，用生物学思想和技术解决生物制造的核心问题生物体设计集成能力强 与院外单位形成了互补性强、先导性强的合作格局,研究领域布局,国内相关优势单位：清

15、华大学、北京化工大学、天津大学、江南大学、南京工业大学、华东理工大学、山东大学等,中国科学院应用微生物研究网络,2009年10月启动，设置总中心+6个研究中心，15个网络实验室，涉及生物口、资环口和高技术口15个研究所 实现了我院应用微生物相关研究力量的整合，同时启动了“生物制造”预研 为开展“先进生物制造”专项奠定了生物资源基础和队伍基础,现有设施情况,科学设施 国家蛋白质科学设施（上海、北京中心） 基因组分析平台（基因组所，天津工业生物技术所 ，青岛能源所） 代谢组研究平台（大连化物所，武汉物数所） 国家重点实验室 微生物资源前期开发国家重点实验室 生化工程国家重点实验室 工业酶国家工程实

16、验室 院重点实验室合成生物学院重点实验室系统微生物技术院重点实验室（筹）生物燃料院重点实验室（筹）,高效能低成本多尺度离散模拟超级计算应用系统,基因组、蛋白质组、代谢组分析能力,多种微生物的高效遗传操作工具,承担国家科技任务和国际交流情况,生物催化(南京工大),生物过程(北京化工),细胞工厂(微生物所),极端微生物(微生物所),秸秆利用(过程所),973计划我院主持工业生物技术领域3/5的项目,863计划工业生物技术领域我院承担项目和经费最多,开展广泛的国际交流,微生物所筛选、改造获得了-氧化酶/-氧化酶活性比高的微生物，能将C9C18的正构烷烃发酵得到相应碳数的长链二元酸，替代化学合成路线，

17、2006年获得国家科技进步二等奖 山东莱阳瀚林生物项目一期工程已投资7亿元，计划总投资30亿元，将建成世界上产量最大的长链二元酸生产和研发基地，年产能将达到6万吨，预计产值近40亿元，利税约10亿元,生物法长链二元酸实现产业化,开辟了长链二元酸的新来源，为尼龙工程塑料、热熔胶、涂料和香料等十几大类高档产品的化学合成提供了丰富的原材料,利用基因组规模DNA大片段敲除技术，以质粒为标记的基因组改组技术，构建了多拉菌素工程菌，30吨大罐发酵单位约1200 mg/L，达到了大规模工业生产的水平我国抗生素工业第一株自主产权基因工程菌,多拉菌素是新型阿维菌素族中最好的驱虫药 该技术长期为国外企业垄断，我国

18、企业无法获得生产菌株,海正药业集团近期开始生产多拉菌素，预计年销售收入6亿元，利税总额1.8亿元。目前已投资9亿元，新发行股票5000万股,基因组改造技术实现多拉菌素规模生产,生物产业科技创新联盟,在国家发改委的支持下，2008年首先成立了中国工业生物技术产业科技创新联盟 2009年发展成为中国科学院生物产业科技创新联盟 联盟企业共130余家，年产值超过2000亿元，共吸引意向性的企业科技创新基金约30亿元,经国务院批准，牵头实施“生物技术创新与生物产业促进计划”,四、核心队伍,领军人才,马延和研究员973首席，863专家,苏志国研究员国家杰出青年,覃重军研究员国家杰出青年,咨询专家,核心骨干

19、50人,杨胜利院士,张树政院士,赵国屏院士,匡廷云院士,陈洪章 研究员973首席,姜卫红 研究员杰青,马光辉 研究员杰青,许国旺 研究员杰青,龚为民 研究员杰青,赵进东院士,徐旭东 研究员杰青,拟聘的主要研究方向带头人情况,集中了我院生物制造相关研究方向的核心科学家，涉及20余个研究所和技术中心，学术带头人中共有国家杰出青年基金20人，百人计划50人,精细化学品：国家杰出青年6人，百人计划11人 生物燃料：国家杰出青年6人，百人计划17人 大宗生物基产品：国家杰出青年2人，百人计划7人 生物固碳：国家杰出青年6人，百人计划15人,学科方向涉及微生物学、基因组学、分子生物学、分子遗传学、生物化学

20、、分析化学、有机化学、植物化学、化学生物学、计算生物学、材料学、纳米科学、发酵工程、代谢工程、生物化工、化学工程等,创新团队建设计划,拟组建15个团队(系统生物技术、合成生物学技术、代谢工程、酶工程、发酵工程、过程工程等) 具有多学科交叉背景，35岁以下约30%，35-45岁约60%，45岁以上约10%,积极创造条件，加速培养具有多学科交叉背景的优秀青年人才。 加速队伍结构调整，培养复合型领军人才和优秀技术支撑人才，提高团队的国际影响力,着力引进具有国际视野的领军人才 引进30-40名“百人计划” 引进3-5名“千人计划”人才,团队组建计划,人才培养计划,人才引进计划,五、组织管理方案,专家系

21、统组织方案,管理系统组织方案,基础条件平台建设方案,工业微生物菌种保藏库、功能性基因资源库、代谢网络数据库,高通量筛选技术平台,组学技术平台,生物信息学分析平台,发酵工艺与过程平台,5-10个技术研发基地,生物医药中间体,工业蛋白质,疫苗、抗生素,生物农药,生物材料,依托中国科学院生物产业科技创新联盟,拟建设生物转化过程仿真科学设施在线快速取样、高通量分析设备和发酵系统的耦联、组学分析数据的整合和仿真模型训练装备体系,依托“应用微生物研究网络”总中心和工业微生物中心，已经启动建设,经费需求与集成方案,十二五期间总经费的集成方案和配置方案,企业匹配不低于1:1,建议国拨总经费20亿元我院投入2亿

22、元先期启动,企业匹配不低于1:1,企业匹配不低于1:2,3000万元,3000万元,3000万元,3000万元,3000万元,5000万元,中试平台和技术研发基地10%,平台和创新能力建设20%,人才引进和创新团队10%,项目事业部60%,Refineries to Biorefineries,从生物制造到生物经济,石油经济,生物经济,生物制造,可以预见，生物技术将满足许多需要可以预见，生物技术将帮助我们创造可持续的工业活动,谢 谢！,资料来自EuropaBio主席Sijbesma F报告,生物制造已显示出巨大潜力,原料降低65 能耗降低65 成本降低50,头孢菌素,原料降低37% 能耗降低3

23、0% CO2减排63%,1,3-丙二醇,OECD对6个发达国家进行分析的结果表明：生物制造技术的应用可以降低工业能耗15-80%，原料消耗35-75%，空气污染50-90%，水污染33-80%，生产成本降低9-90%,精细化学品,大宗化学品,糖平台 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖,高分子材料,平台化合物,基础原料,成份分离,SG,C2,C3,C5,C6,C4,淀粉,半纤维素,纤维素,蛋白质,碳水化合物,热化学平台合成气,生物炼制,生 物 质,H2、甲烷混合醇,衣康酸乙酰丙酸,富马酸丁二酸天冬氨酸苹果酸,柠檬酸葡萄糖酸山梨醇,乳酸、甘油丙烯酸3-羟基丙酸,乙醇、乙烯,微生物,现代化学工业体系,木质

24、素,油脂,裂解,生物燃料,C1-C6平台化合物,高分子聚合物,芳香族化合物,生物炼制细胞工厂,转移,ADP,ATP,还原,NADH,NAD+,氧化,Pi+O2,CO2,还原,NADH,NAD+,氧化,CO2,NADH,NAD+,转移,C3,酸P,转移,裂解,H2O,异构,NAD+,NADH,ADP,ATP,转移,氧化,ADP,ATP,异构,裂解,NADH,NAD+,还原,ADP,ATP,转移,NADH,NAD+,还原,H2O,裂解,转移,ADP,ATP,转移,ADP,ATP,转移,转移,还原,NADPH,NADP+,裂解,异构,还原,裂解,NADH,NAD+,裂解,氧化,CO2,H2,合成,裂

25、解,还原,还原,NADH,NAD+,聚酮,合成,转移,聚羟基烷酸,合成,CO2,转移,氧化,NAD+,NADH,CO2,氧化,CO2,合成,六碳糖(葡萄糖甘露糖),五碳糖(木糖、阿拉伯糖),转移,分解酶系,水解,水解,将生物质原料各类组分，高效、定向合成燃料、材料与各类化学品,减压,精馏,氧化,氧化,丙烯酸,建筑、纺织、包装 目前国内需求55万吨， 产值88亿,生物质,生物炼制细胞工厂,生物炼制细胞工厂的生产模式,实现One-Pot反应，缩短石油化学品生产的工艺流程，减少原油资源消耗，降低投资成本，减少污染与CO2排放。,裂化,选择性 高效性 含氧原料 手性特征,3-羟基丙酸,石油,模式细胞工

26、厂构建,生物质原料(碳水化合物)：含5C糖、6C糖,阻断竞争途径优化单产品途径,导入新的合成途径实现碳链的延伸,合成途径互补、易于分离的多产品途径重组,OECD预测：至2030年，将有35%的化学品和其它工业产品来自生物制造,工业39%,农业36%,医药25%,2030年：生物技术的经济贡献与环境效益,任重道远,而目前生物技术领域中，不到10%的R&D用于工业生物技术,代谢途径,基因电路,启动子、核糖体结合位点、蛋白编码序列、终止子、质粒骨架。,组装,组装,人工细胞,生物制造,Chassis,合成生物学,以工程学理论为依据设计和合成新的生物元件设计改造已经存在的生物系统,能源,化工,材料,药物,1 可再生碳资源生物转化利用的效率与途径,2 有机化学品生物催化合成的能力与范围,3 复杂生物系统的工程效率,关键核心科技问题,