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1、,工业生物技术与生物炼制姜 岷Email:南京工业大学制药与生物工程学院,History of biotech.,生物技术的发展史 经验生物技术时期：天然发酵阶段（混合发酵）,近代生物技术建立时期：纯种培养、通风搅拌发酵技术,中国有着悠久的生物技术应用的历史,早期的作坊式生物技术代表：夏朝 酿酒 商朝 制酱 周朝 酿醋,现代生物技术进步的重要标志青霉素深层发酵,1928年，弗莱明爵士发现青霉素 1944年，辉瑞公司开发了青霉素大规模液体深层发 酵标志工业化生物技术的诞生,医药生物技术,人类基因组学及相关科学,农业生物技术,动植物基因组学及相关科学,工业生物技术,微生物基因组学及相关科学,推动,
2、推动,推动,拉动,人口健康,食品,资源能源环境,拉动,拉动,科学,技术,社会需求,Red Biotechnology,Green Biotechnology,White Biotechnology,现代生物技术的发展历程,医药生物技术,现代生物制药发展包括两个方向：“采用基因工程的加工技术来生产蛋白质”和“将基因和分子生物学领域先进技术作为研究工具”。前一类药品仍将是未来5-10年生物技术药品市场的主流，后一类药品代表着生物技术行业的研发方向，主要指靶向性药物，包括治疗型单抗和治疗型疫苗领域。,抗生素：青霉素等生物法制备的药物及其衍生药物,农业生物技术,农业生物技术是指运用基因工程、发酵工程、
3、细胞工程、酶工程以及分子育种等生物技术，改良动植物及微生物品种生产性状、培育动植物及微生物新品种、生产生物农药、兽药与疫苗的新技术。,Industrial biotechnology,以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。,依赖化石资源的工业文明利用不可再生的化石资源，集中的生产方式，高的生产效率，创造了大量的物质财富，丰富人类的物质社会，创造了当今繁华盛世。工业文明在科学技术上取得巨大的进步，是未来人类物质文明的科技基础。,基于化石资源的工业文明的巨大成就,化石经济，付出了巨大的环境代价（白色污染
4、、水污染、空气污染、臭氧层空洞、全球变暖等）,工业文明的恶果：环境污染,文明的困惑：资源能源短缺,化石资源的替代,远古生命体是今天化石能源的来源,煤炭,石油,天然气,植物,藻类,动物,今天的煤、石油、天然气是远古时动植物、藻类死后沉积后经过亿万年物理化学变化形成的。,远古生命体是生物固定CO2的产物,早期地球，CO2占空气量的80%，氧气不多，温度达460 C温室效应严重,当今地球，蓝色星球拥有防辐射的臭氧层，CO2占空气量0.038%，氧气21%,植物,消除大量CO2,海藻,今天的蓝色星球，源于生命的拓荒,混沌世界,生态乐园,温室气体排放导致的地球温室效应带来严重的灾害性气候,北极冰融化,飓
5、风肆虐,冰灾突袭,干旱频发,当使用石油与煤炭时，就意味着将远古时期埋藏的CO2释放出来，由于人类超量使用化石资源排放大量温室气体，带来严重的温室效应，导致灾害性气候频发，已造成农业减产、绝收，引发粮食危机和社会危机。,洪水爆发,荒漠推进,大气中CO2浓度导致气温上升,CO2浓度,气温,目前，空气中CO2含量较100年前已提升了35.7%，并导致了约1 C的温升。气温上升1.5 C，20%物种将面临灭绝。气温若升高2 C，海平面则可能上升0.4-1.4米，我国东南沿海部分城市将不复存在，如上海,我国的CO2排放问题已相当严峻,我国的发电、钢铁、水泥、汽车造成的工业排放总量已超过美国，居世界第1位
6、，人均已超过世界平均水平，实际远不止这些我国的单位GDP能耗是世界平均水平的3.1倍。比美国高5倍，比日本高8.2倍，甚至比菲律宾还高3.52倍中国单位GDP的二氧化碳排放量是美国的5.5倍，日本的13.8倍，高收入国家平均水平的7.9倍，世界平均水平的4.6倍,CO2排放问题将可能引发政治危机,Carbon tariff,面对国际金融危机的严峻形势，欧美国家已提出碳关税。面临这一形势，我国将如何应对？,低碳经济：我们必须的选择与重大机遇,现代人类活动与化石能源引起的温室效应、干 旱、洪灾、冰川融化，我们已不能承受 21世纪末温升可能超过5 C西方经济与科技模式的问题低碳：未来经济的核心，未来
7、科技的特征,低碳经济模式,经济转型的若干问题：能源工业和材料工业是基础工业转型的核心 工业与经济核算的模式变更 全生命周期的质量、能量、成本、效益分析 全生命周期的碳排放分析,据估计，全球每年能产生相当于650亿吨碳的生物质，仅需利用小于 10%生物质资源，即可替代化石资源。,生物质资源：永不枯竭的金矿,产品化学品和能源,植物生物量,阳光,过去,化石资源,石油路线,现在和将来,生物可再生资源,生物路线,原料和加工路线的变更,微生物代谢途径,石油路线,生物路线,粗原料,终产品,原料中间体,平台化合物,衍生化学品,合成中间体,生物能源,精细化学品,生物基材料,微生物工业制剂,大宗化学品,超过GDP
8、约40%的工业是生物制造发展的空间,生物制造是全球战略性新兴产业,生物高分子材料生物基单体聚合物生物质加工材料,食品与配料,大宗发酵产品,化工醇、酸、溶剂、涂料、表面活性剂,抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶制剂 等,甾体激素、手性胺、手性醇、医农化产品,发酵食品、功能食品、添加剂、功能菌剂 等,生物冶金、生物造纸、生物制革、生物纺织等菌剂,工业生物技术是生物质资源利用的关键,OECD提出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。,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,生物
9、制造已显示出巨大潜力,生物制造已经成为世界各经济强国的国家战略重点，工业生物技术正在育成一场新的产业革命,世界各国在行动，美国2020年制造业挑战的展望明确将工业生物制造技术作为战略技术领域，并列为2020年制造技术挑战的11个主要方向之一。,美国：2005年，美国农业部以及能源部的报告均提出了发展生物基能源和生物基产品，逐步实现有机化学品和石油燃料的生物基替代。,欧盟：“生物炼制细胞工厂”关键行动,日本：“阳光计划”,印度：“绿色能源工程计划”,1989年，成立了国内首家工业生物技术研究所1995年，成立国家生化工程技术研究中心“十一五”期间，提出了利用生物质生产大宗化学品工业生物技术列入国
10、家中长期科学和技术发展规划(2006-2020年)2003年和2006年国家“973”项目立项,世界各国共同掀起工业生物技术的热潮,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,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,平台化合物系列,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
11、丙酸,乙醇、乙烯,微生物,现代化学工业体系,木质素,油脂,生物质能源现状,生物质能是优质的可再生能源：生物质合成是地球上最大的CO2固定途径,生物通过光合作用固定CO2制造生物质为我们提供了可观的能源来源,CO2,陆生植物1100亿吨生物质,海洋藻类600亿吨生物质,固定1600亿吨CO2,固定880亿吨CO2,光合作用,产生大量O2改善大气环境,生物质能是相对稳定的再生能源,温室效应带来其他可再生能源的不确定性，如水电，而生物质能源来源可能增加,第一代生物质能：燃料乙醇,美国：玉米，占全球52%，产值约200亿美元（大量）巴西：甘蔗，车用燃料主体（大量）中国：粮食安全、耕地、水资源（少量，难
12、以普及）,秸秆生产纤维素乙醇（第二代）的困境,目前纤维素转化为葡萄糖的成本依然是主要障碍自然界没有能利用木糖产生乙醇的微生物构建的同时利用木糖和葡萄糖产酒精的工程菌依然还不是很成熟纤维素酶2000元/吨产品，补贴近3000元/吨产品,木糖葡萄糖,乙醇,第一代生物质能：生物柴油,中国：利用废弃油脂、非食用油脂资源（少量，难以普及）,各国国情不同欧洲：菜籽美国：大豆南美：棕榈油,（大量）,生物柴油B10率先商业化推广,常州市新北区60辆环卫车辆使用B10常州卡特新能源的B100已公路试验2年，即将商业推广种植万亩蓖麻，开发新型植物基润滑油、增塑剂、聚氨酯等生物可降解材料,废弃油脂,生物柴油,利用边
13、际土地和沿海滩涂的潜力不小,中国生物质能源之路：利用低劣生物质积极稳妥推广生物燃油和生物燃气及发电,战略应该是分步走台阶式的积极战略：基础技术和应用基础研究大力发展利用沿海优势和能源作物大力发展低劣生物质利用中国有农作物秸秆、废弃林木和生物炼制加工剩余物的木质纤维等材料7亿吨,我国每年会产生极其可观的低劣生物质,目前中国低劣生物质利用概况,生活固体垃圾填埋，产生的甲烷排放问题 秸秆大量焚烧产生气体污染与大规模还田可能引发的甲烷排放问题 大量粪便（14亿人口；约占世界一半的养殖业粪便）排放江河，少量被城市污水站曝气处理，消耗大量能源，排放CO2,我国低劣生物质利用的特点,资源高度分散 我国小城镇
14、和农村及农业污染占污染总量的90%以上；全国4.1万乡镇、69万行政村。收集、运输过程导致集中传统处理成本高昂。适合采用生物转化 粪便、生物垃圾中有机质、氮、磷、COD含量极高，只能采用生物转化处理。农业秸秆糖化难度大；秸秆还田产生大量沼气毒害土壤和作物秸秆燃料硫化物、温室气体 污染空气秸秆堆沤腐熟转化生物甲烷，难度较小。,低劣生物质利用同时解决水污染和水资源问题,生物质,能量耗散排放CO2,环境污染水体富营养化,不利用,利用,清洁能源无CO2净排放,极大地降低水污染,最大的节能减排,厌氧发酵系统：采用我校江浦校区植物秸秆、人粪尿、餐余垃圾等作为厌氧发酵原料，采用全混合、中温厌氧消化工艺 设计
15、规模：日处理约量30吨，物料TS约为5%，可实现日产生物甲烷200 m3,生物甲烷示范工程,生物甲烷示范工程装置系统,厌氧反应器,储气柜,脱硫塔,沼渣过滤,沼气燃烧,发电机组,抽粪车,粉碎堆沤,先进生物甲烷净化装置,通过利用先进生物燃气甲烷技术，将生物甲烷提升至甲烷含量97%，达到民用天然气标准,生物甲烷试验车,利用低劣生物质生产生物燃气,CH4,发酵残渣（腐殖质）,土壤改良,有机废弃物农业生物质,动植物,氢气发酵,H2,甲烷发酵,生物燃气,利用低劣生物质，经两阶段厌氧发酵生产生物甲烷，可在提高理论能量回收率至99%的同时加快反应速度，效率高。,若将我国的低劣生物质全部转化为生物甲烷，可年减排
16、CO2约25亿吨,产气池,腐熟井,生物燃气,对农村低劣生物质利用的设想,液化,沼液沼渣还田,气化,燃气总管、集中收集,通过各村镇建设低劣生物质资源化处理系统，就地转化秸秆、粪便等为生物燃气，剩余物就地利用。提高能源和资源的利用率，降低成本,对农村低劣生物质利用的设想,通过管道运输，集中收集燃气用于供热或发电，达到能量的集中使用与城乡一体的目标,乡镇,城市,生物甲烷的应用十分广泛,直接用于燃料，热值高，污染极小 用于生产合成气，进一步生产甲醇和乙醇 等多种能源与化学品我国低劣生物质资源用于生物燃气生产年所产生的能源量相当于35亿吨标煤,甲烷经济：现实和未来结合的模式,煤炭,天然气,粪便,甲烷气体
17、储存,工厂,电厂,居民生活,汽车,秸秆,甲烷经济模式,第三代生物能源：微藻生物柴油,生物柴油(Bio-diesel)生物航空煤油(Bio-jet fuel)(Bio-kerosene),2007年，美国启动了微型曼哈顿计划，预计到2010年实现藻类产油工业化，达到每天产油百万桶的目标。,微藻通过光和作用固定CO2的效率比陆生植物更高,反应物浓度更高产物浓度更低,1 L空气中含有约5.910-4 g CO2,1 L水中含有约1.7 gCO2,1 L空气中含有约0.3 g O2,近3000倍,1 L水中含有约0.008 g O2,1/40,光照几率更多,微藻通过光和作用固定CO2的效率比陆生植物更
18、高,折射,衍射,水,散射,由于水对光具有折射、衍射、散射等效应，使得微藻所有表面都有可能受光照，然后陆生植物只有向光面才有可能受光照。,等量,树叶比表面积:10-3 m2,微藻比表面积:1.3103 m2,相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3106倍，比表面积越大，受光面积越大，越有利于光合作用。,比表面积更大,微藻通过光和作用固定CO2的效率比陆生植物更高,1 g干物质,微藻具有高效的产油能力,微藻能源与化石能源的结合,我国水泥行业 年排CO2亿吨,微藻约年产亿吨藻粉相当于亿吨煤炭产.13热量,微藻培养和我国水泥、火力发电等重污染行业联产，实现CO2及余热的综合利用，以及微藻生物质燃料联产。
19、,CO2,排出,吸收,低碳工业,微藻能源与生物甲烷的系统工程,有机废弃物,污水处理厂,厌氧消化器,高含油微藻,生物柴油,高含量N、P、K废水,生物甲烷,有机肥料,蛋白饲料,温室气体,污泥,废水,发电,余热,光生物反应器,绿色大庆的低碳生物经济构想,大庆油田年产3000万吨汽柴油,绿色大庆约年产3000万吨生物柴油产5亿m3生物甲烷产3700万吨蛋白饲料产800万吨肉,等面积,饲养业、微藻工业和生物甲烷联产，实现食品、副食、生物甲烷、生物柴油的多联产，基本上消除了水污染，每年可净减排CO2约2亿吨。,CO2,排出1亿吨,吸收1亿吨,生物基材料,生物基材料 以可再生生物资源为原料生产的高分子量的聚
20、合物特点：可具有生物降解性，为环境友好型 可缓解材料工业对石油的依赖性,生物基材料,生物降解材料的用途,包装材料（垃圾装、食品容器）消费品（手柄、玩具）医药、卫生化妆品涂料,生物基材料的优势,1,融入地球系统的碳循环 低二氧化碳排放 全生命周期分析,生物材料是CO2减排的一个重要方向,早期地球，CO2浓度高温室效应严重,当今地球，蓝色星球生态乐园,生物材料,CO2,固定,若利用生物质资源生产生物基材料，进而料替代我国每年使用的三大合成高分子有机碳材料，则可实现数千万吨的CO2减排。,生物基材料CO2减排的重要手段,生物材料/单体,生物催化,生物基材料路线图,无甲醛生物质板材,Renewable
21、BiodegradableFormaldehyde-free Environmental-friendly,聚谷氨酸是以谷氨酸单体的位羧基和氨基相缩合成的一种聚氨基酸。,-PGA结构式,聚谷氨酸,理想的稳定性和增稠性,耐酸、耐盐的增稠稳定剂,满足三次采油需要增强石灰泥浆的流动性,与增塑剂混合使用，使混凝土不易泛浆和分裂,威兰胶,聚羟基脂肪酸酯(PHA)是细菌体内广泛存在的一种细胞内聚酯目前发现的PHA有150种在生物体内主要作为细胞内碳源和能源的贮藏性物质而存在通常在胞内是以一种无定形态、包涵体的形式存在 具有很好的机械性能和加工性 能,聚羟基脂肪酸(酯),聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）,聚对
22、苯二甲酸丙二醇酯,PTT是一种新型聚酯材料，在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景。1998年，PTT被美国评为六大石化新产品之一，被认为是将来尼龙(Nylon)的替代品。,离子束诱变选育D乳酸高产菌,Sporolactobacillus sp 10keV,N+离子束诱变 0.41015-6.61015ions/cm2,（溴酚绿指示剂）,（wild type 40 g/l）,突变筛选,Y1Y10,（88 g/l）,10keV,N+离子束诱变 0.41015-6.61015ions/cm2,Y11Y20,（溴酚绿指示剂）,低能量离子注入机,（120140 g/l）,突变筛选,D-乳酸生物制造,D-
23、乳酸,聚乳酸,衣料,塑料制品,医用材料,快餐饭盒,农药前体（骠马、威霸）,拟建设起亚洲最大以生物质为原料的年产100吨D乳酸的中试生产线,聚乳酸制备和加工技术,新工艺+新装备,卡宾衍生物催化的环状化合物可调控开环聚合方法.PCTCN2009073675.2009-09-01.一种用卡宾衍生物催化制备聚乳酸的方法.PCTCN2009073677.2009-09-01.一种用双螺杆挤出机制备聚乳酸及其制品的方法.PCTCN2009073674.2009-09-01.,形成系列专利技术,生物法生产丁二酸,玉米、大麦、木材可再生资源,淀粉/葡萄糖,丁二酸,固定CO2,C6H12O6+2CO2,2C4H
24、6O4,利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄糖理论质量收率为131%。,生物固定CO2生产丁二酸,生物质资源,糖类化合物,聚合级丁二酸,传统石化法,原料替代,路线替代,产业升级,现代生物法,生产1kg 丁二酸，固定0.37kg CO2,亚洲最大以生物质为原料的年产1000吨丁二酸的产业化示范线,聚合级丁二酸,120 m3发酵罐,PBS类聚酯的合成,60 天降解,1,4-丁二醇,丁二酸,熔融缩聚Ti(OBu)4,PBS,对苯二甲酸,三元共聚 Ti(OBu)4,PBST,CO2,H2O,降解,降解,CO2,聚丁二酸丁二醇酯（PBS）,具有优良力学性能，接近聚丙烯和ABS塑料；成本仅为聚乳酸、P
25、HA等降解塑料的1/3；热变性温度接近100 C，改性后使用温度可超过100 C；在目前降解塑料中加工性能最好，被认为最有发展前 途的生物可降解塑料产品之一；据估计全球市场规模在100万吨/年。,+,丁二酸,1,4 丁二醇,PBS,生物基材料的商业化,Dupont-PTTProctor&Gambles-PHACargill PLA“technology-push”BiotechnologyNanotechnologyChemical Engineering,生物基材料的市场发展前景,欧洲生物塑料协会预计2020年将会达到200400万吨全球生物基材料将有可能达到传统聚合物总量的10%,OECD报告：展望2030年的生物经济,未来和谐可持续发展社会时代,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
