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1、工业生物技术：现状与发展,欧阳平凯 南京工业大学,温室气体排放与全球变暖,温室气体及全球变暖已成为当前人类社会可持续发展的重大危机。近200年来，人类超量使用石油和煤炭作为能源是引发此类环境与资源危机的主因。,温室效应导致大量疾病发生和传播,使用化学能排放的废气会引发各种呼吸系统疾病，温室效应引起的气候变迁而引发各种流行性疾病。,大气中CO2浓度对气温的影响,大气中CO2浓度与气温的历史变化趋势,CO2浓度,气温,2007年，全球化石资源燃烧排放的CO2为276亿吨，其中中国67亿吨，世界第一。,CO2减排刻不容缓,目前，空气中CO2含量已达380 ppm（100年前为280 ppm），总量估
2、计有3.4104亿吨。据2009年Nature上一篇论文估计，如果人类社会排放的CO2总量达到3.67万亿吨，全球气温将可能上升2 C。,微生物拥有巨大的潜力,极端微生物,由于微生物的自然多样性，微生物细胞几乎是一个万能微型工厂。微生物在自然界物质和能量循环中发挥了极其重要的作用，在化石资源日益匮缺，温室气体危害日益严重的今天，其应用将日益重要，并将在低碳经济社会中发挥更加重要的作用。,微生物细胞工厂,原料,产品,生物制造与工业生物技术,生物制造及工业生物技术是依托微生物与酶的生物催化和转化的技术,原料,产品,生物制造过程,OECD提出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。,工业生
3、物技术将在节能减排中发挥极其重要的作用,工业生物技术与化学品制造,化学工业食品工业医药与农用化学品,工业生物技术将影响化学工业,2008年，我国石油和化工产业总产值达到6.58万亿 元，占国内工业生产总值20.8%利用生物制造可以在很大程度上解决当前化学品 制造的两大问题 节能减排：我国化学工业消费能源3.75亿吨标准煤，占全国能源消费总量的15.2%。每年排放的工业废水达60亿吨，占全国工业废水排放总量的20%产品结构调整，精细化是一种趋势（国外占65%）,生物制造（生物化工）与化学转化结合带动化工技术的革新,以微生物为催化剂的生物制造过程已在部分化学工业过程的技术革新中发挥了极其重要的作用
4、目前已有5%的化工产品涉及生物制造，并且这一比例正在快速增长生物制造精细化学品是目前国外重点发展且应用最大的领域，预期到2030年会达到3050%生物制造与化学制造的最优结合将解决精细化工流程长，污染严重的问题,工业生物技术将影响食品工业,2008年，中国食品工业总产值为4.2万亿，占国内工业总产值的13.27%，它的加工水平受食品添加剂影响重大,食品添加剂,防腐剂,色素,甜味剂,乳化剂,营养强化剂,“营养型”的生物防腐剂-聚赖氨酸的生物制造,日本于1989年实现了产业化。目前年产1000吨。前年通过了美国FDA许可，近年产品将进入美国、西欧。,高产菌株Streptomyces sp，补料发酵
5、产品达25 g/l,传统化学防腐剂一般只能用于酸性环境，有异味，且存在食品安全问题。聚赖氨酸可用于所有pH环境，安全性高。,抑菌谱广 热稳定性好 几乎可用于所有食品的添加,蔗糖型无热量甜味剂三氯蔗糖,甜度为蔗糖的600-650倍热量值几乎为零热稳定性好,三氯蔗糖粉末售价为300美元/公斤，近年将有1-2万吨/年的市场。由于性能优良，在市场上正在取代阿斯巴甜和其他甜味剂。随着无热量甜味剂的发展，市场潜力巨大。,南工大拥有国际独创的专利技术，大大降低了生产成本,结构式类同蔗糖,生物制造在手性药物创新方面将发挥重大作用,世界范围内，前100位畅销药品中50%以上为单一对映体产品单一对映体上市的手性药
6、物年增长率持续在13%2000年所销售的药物中40%为单一对映体，而1999年这一比率为l/3，预计到2005年将升至60%,积极开发手性药物将是今后的必然趋势。它将成为新药研究与开发的另一热点。我国应结合国情，力求在开发手性药物方面跟上世界步伐。,生物制造在手性药物及其中间体的制备中将发挥越来越重要的作用,药物作用的靶都是手性的,聚谷氨酸（-PGA）是以谷氨酸为单体的位羧基和氨基相缩合成的一种聚氨基酸。,-PGA结构式,生物制造还将影响农用化学品的生产,南工大973计划项目,-PGA肥料增效剂黑龙江857农场,可节约 15-50%的化肥,对照,75g PGA/亩减少15%肥料,生物制造与生物
7、基材料,取代化石原料大幅度降低温室气体排放,若利用生物质资源生产生物材料，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。,生物材料产品,丁二酸、乙烯,PBS、聚乙烯,生物基乙烯,石油乙烯路线,催化,裂解,乙烯,生物乙烯路线,脱水,发酵,乙醇,木薯、甜高粱、木质纤维素等非粮食可再生资源,石油,石脑油,乙烯,催化,乙烯被誉为“石油化工之母”。2007年我国乙烯生产能力达到1048万吨，总产能世界第二，导致我国对石油资源的依存度越来越大，危及国家安全。因此，寻求一条可持续发展的道路，发展生物乙烯是实施石油替代战略是必然选择。,南工大863计划重点项目,丁二酸的生物制
8、造,玉米、大麦、木材可再生资源,淀粉/葡萄糖,丁二酸,固定CO2,C6H12O6+2CO2,2C4H6O4,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%。南京工业大学联合江苏常茂生化已进行了年产500吨的中试实验。,南工大973计划项目,利用复杂糖原料生产PBS塑料,利用复杂糖原料经生物转化生产丁二酸，同 时固定CO2。PBS是丁二酸和1,4-丁二醇共聚酯。PBS具有优良的热塑和可加工性能。Bionolle的核心组分为PBS。,我国年产混凝土8.6亿吨，而世界年产量18亿吨。随着我国在金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等流域巨型水电站的建设，对用于水电站及大坝的高品质混凝土的需求将
9、会剧增，因而威兰胶的应用前景十分广阔，潜力巨大。,混凝土添加剂威兰胶的生物制造,添加0.01%的威兰胶，即可制造能用于水电站和大坝的高质量混凝土，可大大增加其稳定性和强度。,筛选的产碱杆菌，威兰胶产量高达22 g/l,生物材料的知识产权竞争问题,各国PBS的专利申请情况统计分析,发达国家在生物材料领域的专利封锁，使得我们需要考虑我国的生物材料产业如何发展。,专利数,专利数,各国聚乳酸的专利申请情况统计分析,聚乳酸的关键中间体丙交酯专利由国外垄断,第一代：粮食法生产乙醇 菜籽油生产生物柴油第二代：生物丁醇,生物制造与新一代生物能源,我国农业与生活排放的低劣生物质资源概况,利用低劣生物质生产生物燃
10、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燃气，可在提高理论能量回收率至99%的同时加快反应速度。,据估计，2010年欧盟的生物燃气产量将达到780万吨石油当量,生物燃气的发展作用及潜力,除去蚊虫繁殖的媒介切断病菌与病毒的源头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7亿吨标煤,生物燃气可解决生物能源原料分散、储存困难的矛盾,生物燃气的装置自动化程度高、成本低、效率 高，特别适合在草类纤维和低劣生物质资源产地 大量分散部署，减少原料运输成本，生物燃气发 酵对原料要求低，解决了
11、储藏的矛盾 生物燃气可用管道输送，成本极低，易形成网络 体系，将其集中使用 分散的生物燃气过程的排出物是高效有机肥，有 利于氮磷钾（化肥）的自然循环,生物燃气的应用十分广泛,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 用于合成GTL燃料，热值比柴油略高，但 辛烷值高，废气排放低,生物燃气产业发展模式,秸秆奶牛场废水食品加工厂废水城市生活垃圾等,厌氧共消解,发电机,气体分离,小型液化器,生物肥料,热电联产,供气站,管道供气,液化气罐,瑞典的生物燃气已准备接入天然气管道,燃气的分散消费模式可与生物燃气分散型产业完美结合,生物燃气具有高经济性,生物燃气发
12、电与油藻联产,低劣生物质,生物燃气发酵,燃烧发电,以禽畜粪便为原料，当总固体浓度8%时，连续运行容积产气率达1.0以上。,南工大973计划项目,生物燃气发酵废水生产油藻,生物量最高可达3 g/L油脂含量达40%左右利用废水中的氮磷钾等，进一步降低COD,利用微藻生物技术开发生物柴油,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。,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生物燃气产3700万吨蛋白饲料产800万吨肉,等面积,饲养业、微藻工业和生物燃气联产，实现食品、副食、生物燃气、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,生物制造推动生物化工与生物能源创新发展,优点：极大地改善环境，减少温室气体排放，取代部分化石资源，有利于人口与健康问题：发展模式：生物经济的乌托邦?绿色GDP？公众意识与公众参与？,预计到2030年：35%的化学品和其它工业产品将来自工业生物技术 生物技术对GDP的贡献将达到2.7%,OECD报告：展望2030年的生物经济,谢谢大家！,
