生物炼制大宗化学品的研究现状与发展趋势

生物炼制大宗化学品的研究现状与发展趋势（李彦彬、郝俊冉）摘要：当前社会经济的发展面临能源资源短缺、生态环境恶化的空前挑战。能源的来源是多元化的，而材料的来源除化石资源外主要依靠生物质。以可再生的生物质资源替代不可再生的化石资源，建立能够生产各种大宗化学品的细胞工厂，是转变高污染高耗能的经济增长模式、实现社会经济的可持续发展的必由之路。本文对生物炼制大宗化学品的研究现状与发展趋势进行了简要介绍。关键词：生物炼制 大宗化学品 细胞工厂 可持续发展Abstract: Nowadays sustainable development of social economy is faced with the unprecedented crises of lack of resources and energy and the deterioration of the environment. The form of energy is diversiform, while the material resources still mainly come from biomass and fossil resources. The only solution for transforming the heavily polluting and high energy-intensive mode of economic improvement and securing sustainable development of social economics is to build cell factories ,which are capable of producing a variety of bulk chemicals,and substitute renewable biomass for unrenewable fossil resource. In this article, the Current Status and trends of bulk chemicals from biorefinery were briefly introduced.Keywords: Biorefinery, Bulk chemicals, Cell factory, Sustainable development.引言当前全球经济的可持续发展面临着节约能源、资源与保护环境的多重压力，因此当前首要的任务是寻找一种新的手段来替代或减少以大量能源资源消耗为代价的传统化工工业。近几年持续升高的油价敲响了后石油时代到来的警钟1，高油价已经影响世界经济的发展，而后石油时代到来，石油价格还会继续升高。能源的来源是多样化的 (风、太阳、水、核裂变与融合、生物质等)，但材料经济除化石资源外主要依赖于生物质资源，尤其是植物生物质资源。因此，可持续发展的目标要求我们尽可能最大程度地将当前社会的物质生产和生活基础从化石原料转向生物质原料。一、生物炼制的概念与优势1982年，Bungay在science上首次提出了生物炼制的概念2。NREL (美国国家再生能源实验室) 将生物炼制定义为：类似于石油炼制厂，以生物质为原料，将生物质转化工艺和设备相结合，用来生产燃料、能源和生物基化学品的过程。从本质上说，生物炼制细胞工厂就是通过一系列的生物化学途径，利用生物质原料高效地转化为燃料、材料或平台化合物等各类化学品的自然生产线。与石油炼制相对应，生物炼制利用多种生物质原料，通过不同技术过程的整合来生产多样的产品系列，为社会发展所大量需要的大宗化学品提供了全新的生产途径。生物炼制细胞工厂炼制大宗化学品有着巨大的优越性：（1）微生物具有优越高效的化学合成能力，几乎能合成地球上所有的有机化学品。（2）生物炼制由于其温和的反应条件及高度的手性选择性而受到人们的青睐，在生产含氧有机化学品（醇、羧酸和酯等）3和手型化合物(尤其是药物生产)上具有明显优势，能够免除传统化工工业中规模浩大的氧化过程和昂贵的手性催化过程。（3）与生物质能源工程不同，现代生物炼制平行于石油炼制，通过高效地制备能够替代石油化工原料的关键平台化合物，进而利用现有化工技术和化工产业，大规模生产各种大宗化学品，从而构建出一条可行的现代生物炼制之路。（4）生物炼制细胞工厂炼制大宗化学品符合环境友好可持续性发展的要求。总之，生物炼制技术不但可以逐渐减少人类社会经济发展对化石资源的依赖，而且能有效地减少温室气体的排放，维护人类赖以生存的地球环境，因此生物炼制是符合可持续发展要求的典范4。二、生物炼制大宗化学品的研究现状与背景以生物催化为特点的工业生物技术应用于大宗化学品的生产已初见端倪，近年来该行业呈现快速增长的趋势。据预测，化工领域20%30%的化学工艺过程将会被生物炼制技术所取代5，生物炼制产业将成为21 世纪的重大化工产业。通过生物炼制细胞工厂生产生物基甲醇、乙醇、乙酸、1，3-丙二醇、丁醇、丙酮、聚乳酸、丙烯酰胺、纤维素衍生物等，各有万t到上千万t的市场规模6。世界各国竞相开展生物炼制的研究开发工作7，在政策上、资金上给予大量支持。美国在2002年提出了发展和推进生物质基产品和生物能源报告和生物质技术路线图，成立了生物质项目办公室和生物质技术咨询委员会，计划到2030年用生物基产品替代25%的有机化学品8。美国能源部近日颁布了20092014年6年总额达2亿美元的招标声明（FOA），以支持生物炼制工厂的中试和规模化示范项目9。日本政府从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划10，重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系，将生物催化和生物炼制技术视为能够形成与环境协调的产业体系的现实技术。欧盟通过法规和资金支持生物炼制产业的发展， 2006年欧盟提出的欧盟生物燃料战略，确立发展生物炼制技术和生物燃料的目标和主要政策措施。在欧洲，传统化工产品市场正逐渐被生物炼制的生物基化工产品所取代。发展中国家中最令人关注的是巴西，巴西充分发挥本国的地理资源优势，其生物炼制产业一直走在世界前列。目前巴西政府规定，在柴油中添加2%的生物柴油，到2013年将增加到7%，巴西的生物炼制柴油每年能够节约进口资金约4.25亿美元11。与此同时，许多大型的国际化工企业也投入巨资和庞大的科技力量进行相关技术的研究。生物炼制基础研究上的持续高投入和大批科研人员的技术创新正在使生物炼制从概念逐渐变为现实。最值得称道的是美国杜邦公司研发了以葡萄糖为原料，通过微生物发酵生产1，3-丙二醇（1，3-PDO）的技术，采用此技术生产1，3-PDO的成本比化学法降低了约25%。其在美国伊利诺斯州迪凯特建有1座产能为20万t/a的PDO工厂12。以甘蔗、玉米等为原料生产的生物乙醇是目前全球产量最高的生物炼制产品，年产量达2600 kta-113。以玉米为原料生产可降解塑料聚乳酸的技术已经成熟，已广泛应用于服装、建筑、农林业等，聚乳酸的上市标志了生物炼制技术的核心工业生物技术（White biotechnology）的兴起14。三、生物炼制大宗化学品的关键技术生物炼制细胞工厂的构建和低成本原料的高效综合利用是生物炼制生产大宗化学品的关键。生物炼制细胞工厂生产大宗化工产品与以往生产的高附加值精细化工产品（蛋白质、药物等）不同，其低附加值要求必须要降低原料成本。目前，木材、秸杆等木质纤维素原料是生物炼制生产的最廉价来源15,16。木质生物资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木素。其中，纤维素、 半纤维素是可发酵糖的来源，含量占66%75%（纤维质原料的绝干重量）17。木质纤维素不仅廉价可再生，而且有巨大的开发潜力。现存的木质纤维素如杂草、农作物残体，森林木材等若能被有效利用以生产乙醇，将能够替代当今30%的石油消耗18。1、重构生物炼制细胞工厂代谢网络生物炼制生产大宗化学品依赖于微生物细胞工厂的构建。拥有约40亿年历史的微生物在漫长的进化过程中形成了的基因库种质资源极其丰富，几乎可以分解利用所有的生物质资源，将其转化为各种可利用的大宗化工原料。但是自然界中的任一种微生物由于自身酶系的限制，不能按照人类的要求大量且高效地生产大宗化学品，从而满足工业化生产大宗化学品的需要。因此要取得生物炼制技术的重大突破，微生物细胞工厂的成功构建将是至关重要的核心。生物炼制细胞工厂的基本原理是经过人为的重组、优化，利用微生物的糖酵解途径，以丙酮酸、乙酰辅酶A等关键中间代谢产物为调控节点， 重新分配微生物细胞代谢的物质流和能量流，过量积累目标产品19。对于细胞代谢生化途径清楚的，通过代谢工程策略可以容易地选择菌种改良靶点；而对于生化代谢途径不清楚的菌株，也可通过系统生物学技术、基因组改组、核糖体工程和表观遗传修饰等手段进行选育。应用代谢工程构建微生物细胞工厂主要体现在提高关键调控节点处的限制酶的活力，对全局性调控基因或整个基因簇的操作，增强菌种代谢产物耐受性及其合成途径的异源表达20。现代代谢工程中的控制分析，不再拘泥由于单个途径或限制条件的分析，而在于全局性地考察细胞代谢流的走向21，为微生物的遗传操作提供刚性的与柔性的节点的比较，比传统理性筛选更具有定向性。目前最成功的细胞工厂为美国杜邦公司构建的能够生产1，3-PDO的重组大肠杆菌。构建过程中将酿酒酵母中的3-磷酸甘油脱氢酶和3-磷酸甘油磷酸化酶的基因导入大肠杆菌，使宿主细胞能够利用葡萄糖产生甘油；继而将克氏肺炎杆菌中的甘油脱水酶和1，3-PDO氧化还原酶的基因导入，使重组大肠杆菌获得将甘油转化为1，3-PDO的能力。整个研究过程中一共对70多个大肠杆菌的基因进行单个或组合的修饰，最后得到的工程菌中有18个基因被敲除或过量表达19。发酵结束1，3-PDO的浓度高达135g/L，生产强度为3.5g/(Lh)。该工作被评为2002年美国年度绿色化学奖。生化网络具有高度复杂的结构，目标产品的生化途径完全清楚的只是个别的，因而基于高通量组学（包括转录组、蛋白质组、代谢组、通量组学）分析技术和计算生物学的以整体性研究为特征的系统生物技术就显得更加重要。系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组成成分间的相互关系的学科。近些年来高通量组学（尤其是基因组学）的快速发展为生物炼制细胞工厂的构建提供了必要的基础。系统生物学识别分析生物炼制细胞工厂中各种调控节点分子及其相互作用，解析代谢途径与网络的功能和调控机制，最终完成整个微生物代谢活动的路线图22，使理论预测能够反映出生物系统的真实性。系统生物技术为生物炼制细胞工厂的设计、构建和优化展现了微生物的代谢网络全景式的展现，促进微生物生物炼制的能力和效率的全面提高。2、高效利用木质纤维素生物炼制细胞工厂生产大宗化学品的低附加值要求不断提高微生物的原料利用能力与定向转化效率。如何高效利用木质纤维素等廉价生物质原料，是生物炼制细胞工厂所面临的重要问题。木质纤维素分子对纤维素酶的高抗性限制了可发酵糖的转化23。因此采用酶解法以木质纤维素为原料制糖发酵生产乙醇，必须对木质纤维素进行预处理。目前，木质纤维原料预处理的方法主要有物理法，化学法，物理化学法，生物法等。常用的物理方法有剪切和研磨、高温分解、微波处理、蒸汽爆破和高能辐射等；常用的化学法有臭氧法、酸水解法、碱法、氧化脱木素法、有机溶剂法等；常用的物理化学法有蒸汽爆裂法、氨纤维爆裂、CO2爆破法、氨冷冻爆破法等；在生物预处理法中，常用褐腐菌、白腐菌和软腐菌等微生物降解木素和半纤维素。总的来说，物理法与化学法的能耗较高，生产成本高，生产效率低，比较有发展前途的方法不多。而生物法预处木质纤维为近些年研究开发的热点，有研究结果24证明采用白腐菌杂色云芝（Trametes vesicolor)生物预处理对柳木(Salix babylonica，硬木)和杉木(Cunninghamia lanceolata，软木)纤维素酶水解，使硬木和软木的最终转化率分别增加4.78倍和4.02倍。3、同等利用五碳糖与六碳糖五碳糖与六碳糖的同等利用也是当前研究的热点，此问题的解决能够为生物炼制提供更广泛和更经济的原材料来源。由己糖通过酿酒酵母发酵生成乙醇是很成熟的工艺，但是工程菌对木糖和阿拉伯糖等五碳糖的利用速度和效率都明显低于葡萄糖。提高利用混合糖为原料生产乙醇的效率，就必须解决五碳糖和六碳糖的同等利用问题。利用木质纤维素生产乙醇的研究中，研究较多的菌种有：酿酒酵母、木霉、运动发酵单孢菌、褐色高温单孢菌、嗜热菌、大肠杆菌等。最近发现在梭菌(Clostridia)中存在与纤维素代谢关系密切的两个属C.thermocllum和C.thermosac-charolyticum。前者能够分泌纤维素酶和半纤维素酶，将纤维素和半纤维素分别降解为纤维二糖和木糖及木二糖并利用纤维二糖生产乙醇25，后者能够利用纤维二糖、木糖及木二糖生产乙醇。此发现为五碳糖与六碳糖的同等利用开辟了新的研究方向。四、我国生物炼制大宗化学品的发展现状与机遇我国的人均资源，尤其是人均化石资源很低，而且面临着严重的环境污染问题。然而社会的发展对材料的需求不断增长，预计“十一五”期间，我国将成为仅次于美国和日本的世界第三大化学品生产国27。材料经济的快速可持续发展与化石资源的不可再生间的矛盾不断加剧。因此，发展生物炼制产业将有利于减少我国经济对石油资源的依赖程度，培育新的经济增长点，对保障我国社会经济可持续发展和国家的能源安全具有重大战略意义。因此，加速实现材料经济由石油炼制向生物炼制的转变是我国材料经济发展的必由之路。在客观条件上，我国有发展生物炼制生产大宗化学品的巨大资源优势与潜力，据报道26我国可利用的木质纤维素资源达到20亿t/a以上。如果能够利用生物炼制技术实现其高效利用，中国可以走出一条绿色现代化工之路。从总体上来说，我国是生物炼制产业大国，近些年在某些领域取得一些进步，例如我国生产的味精和柠檬酸已达世界第1位；国内以甘油为原料二步发酵法生产1，3-丙二醇的技术已拥有完全自主的知识产权，已有工业化的生产；我国的生物炼制生产丙烯酰胺取得了巨大的成功，年生产规模已超过万吨28。但我国还不是生物炼制技术强国。针对我国生物炼制产业的发展现状和世界生物经济的发展潮流，我国政府先后投入大量资金启动了一批与生物炼制基础研究相关的科研项目，包括部分“973”、“863”课题。具有代表性的有：（1）2004年，“973”项目“秸秆资源生态高值化关键过程的基础研究”获得批准立项，由中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员担任首席科学家；（2）2006年，863重点项目“生物基化学品的生物炼制技术” 获得批准立项，由大连理工大学的曲景平教授主持；（3）2007年，“973”项目“生物炼制细胞工厂的科学基础” 获得批准立项，中科院微生物所所长助理、中国生物工程学会副秘书长马延和担任首席科学家。与此同时，我国也积极制定政策鼓励生物炼制产业的发展，2006年国务院发布国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年），提出将5项生物技术作为未来15年我国前沿技术的重点研究领域，表明了我国政府跻身生物炼制强国行列的决心。2007年底，国家发改委发出通知，决定于20082009年组织实施生物基材料高技术产业化专项，旨在促进生物炼制、生物基材料产业的发展与壮大。五、前景与展望生物炼制是以生物可再生资源为原料生产能源与化工产品的新型工业模式。生物炼制不仅是解决能源短缺、环境污染等问题的有效途径，也是支援农村建设，增长农民收入的生产模式。因此，发展生物炼制细胞工厂生产大宗化学品对我国来说更是实现跨越式发展和可持续发展战略的现实需要。认识并利用微生物广泛的物质分解转化与卓越的化学合成能力，将微生物改造成为高效的生物炼制细胞工厂，使生物炼制逐步取代传统石油炼制，对于降低化石资源消耗、最终实现工业原材料来源的战略大转移、促进经济社会的可持续发展具有重要意义。参考文献1曹湘洪.后石油时代就在眼前J.化工进展,2008,27(11):1617-16822Bungay R R. 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