生物技术与化学工业的可持续发展

1、可持续发展面临的问题1.1.资 源2.2.能 源3.3.水 源4.4.环 境5.5.土 地6.6.人 口保持可持续发展的对策1.1.循环经济（资源循环使用）循环经济（资源循环使用）2.2.节约资源（能源），发掘新资源节约资源（能源），发掘新资源3.3.利用国际资源利用国际资源4.4.提高资源（能源）利用效率提高资源（能源）利用效率5.5.绿色产品、绿色工艺绿色产品、绿色工艺6.6.采用生物技术采用生物技术7.7.保护环境及土地保护环境及土地8.8.控制人口控制人口世界各国产出1美元的能源消耗比较日本1.00意大利1.33法国1.50德国1.50英国2.17美国2.67加拿大3.50中国11.5

2、0生物技术能做些什么？1. 改变产品生产原料路线2. 改变产品生产工艺生物技术产业的特点1.利用再生性资源2.符合可持续发展3.生产过程温和4.污染少，多为可利用废料5.自身效率提高潜力大生物技术改造后自身效率提高实例-淀粉酶热稳定性提高，活力增加2500倍6-磷酸葡萄糖脱氢酶酶活性提高1000倍洗涤剂用蛋白酶抗螯合剂性能提高1000倍半乳糖苷酶特异性提高1000倍腈水合酶酶活性提高1500倍井冈霉素250倍70517051杀虫素300倍生物技术生产化学品的方式生物质原料 产物 相关底物 产物生物直接生产的化学品1. 医药品6. 色素2. 农药7. 化工原料3. 维生素8. 能源产品4. 氨基

3、酸9. 高分子聚合物5. 有机酸10. 保健品生物技术生产农用抗生素赤霉素井冈霉素7051杀虫素浏阳霉素Spinosaid多氧霉素多醚类抗生素放线酮黄霉素多粘菌素生物质原料生产的主要有机酸世界产量中国产量柠檬酸105万吨30万吨乳 酸15万吨15000吨衣康酸3万吨6000吨生物质原料生产的主要氨基酸世 界日 本中 国L- 谷氨酸150万吨8.5万吨72万吨L-赖氨酸40万吨500吨20000吨L-谷氨酰胺2100吨1200吨L-脯氨酸500吨250吨250吨L-苏氨酸30000吨5000吨400吨L-精氨酸1500吨1000吨生物技术生产维生素-胡萝卜素维生素C C维生素D D维生素B B2

4、 2泛 酸菸酰胺生物素维生素B B1212生物技术生产保健品不饱和脂肪酸冬虫夏草虾青素灵 芝辅酶Q10云 芝有益微生物异黄酮生物质原料生产高分子化合物蛋白质（大豆蛋白、丝蛋白）核酸壳聚糖纤维素（木质纤维、棉纤维）黄原胶多聚-羟基丁酸聚谷氨酸聚赖氨酸聚精氨酸生物技术生产化工原料甲醇乙醇丙酮丁醇乳酸丙酸二元酸衣康酸乙酸琥珀酸甘油1,3-丙二醇生物技术的能源路线太阳能 陆地：11501150亿吨/ /年 海洋： 550550亿吨/ /年生物技术生产乙醇生产工艺的进步糖蜜淀粉 葡萄糖 乙醇淀粉 乙醇 化学品纤维素 葡萄糖 乙醇酒精浓度 1010 2020生产用菌种：耐高温、耐乙醇、耐渗透压 自凝絮、快

5、发酵乙醇代替汽油的可能性美 国巴 西燃用乙醇400万吨1200万吨石油有关的生物技术生物脱腊生物三次采油生物脱硫石油制品中含硫量受到控制1996年2000年目标汽 油美国400ppm50100ppm欧共体500ppm100ppm柴 油美国2500ppm500ppm欧共体500ppm350ppm日本2000ppm500ppm韩国2000ppm500ppm泰国5000ppm500ppm生物催化脱硫流程生 物 催 化 反 应1.1.氧化 9. 9.缩合15.15.核苷化2.2.还原10.10.氨基化16.16.卤化3.3.脱羧11.11.乙酰化17.17.转移4.4.脱氨12.12.脱甲基18.18

6、.重排5.5.水解13.13.酰胺化19.19.异构化6.6.甲基化14.14.脱甲氧基8.8.脱水生物催化技术生产化学品淀 粉麦芽糖、葡萄糖葡萄糖果糖富马酸L-天冬门氨酸富马酸L-苹果酸环氧琥珀酸L-酒石酸丙烯腈丙烯酰胺丙烯腈丙烯酸苯对苯二酚L-天冬门氨酸L-丙氨酸肉桂酸L-苯丙氨酸酶催化在光学活性手性化合物合成中的应用1. 1. 水解5. 5. 氧化2. 2. 还原6. 6. 加氨3. 3. 羟基化7. 7. 水解4. 4. 异构化手 性 化 酶脂酶醇氰酶腈酶酰胺酶还原酶转氨酶羟基化酶旋光异构酶微生物酶异构化合成手性化合物ONCln NHONH2NOHNH2NOHNH2NH3Backman

7、 rearrangement reactionDL-Aminocaprolactam氨基化合成氨基手性化合物CH=CHCOOHCH2CHNH2COOHR CHCHRRCH2C*NH2HR加氨酶加氨酶水 解 手 性 化CCOOHHRRCCOORHRRC*COOHHRRCCOOHHRRCOHRRCORC*OHHRRCCNHNH2RCCNHOHRCCO OHHNH2RCCO OHHOHR水解酶还 原 手 性 化CORRC*OHRRHRROORROOHSCHCHCCH3OSCHCHCCH3OHNHNCH2CHCHONH2NHNCH2CHCH2OHNH2NHNCH2CHCHONH2Microbial r

8、eduction of inabenfide ketone derivative to (S)-inabenfideClNHCOONNOHHClNHCOKetone derivative of inabenfide(s)-inabenfideAgonomycetales sp.yield: 98%optical purity: ca 100%Asymmetric enzymatic hydrolysis of racemic allethrolon acetate to (R)-allethrolonCH3AcOOCH3OOHCH3OAcOCH3OHOmicroorganism or enzy

9、me生物技术在工业中应用的问题1.生物技术效率低、成本高2.产物浓度稀3.在水溶液中反应4.水消耗量大5.酶（生物体）安定性差6.易污染杂菌7.工艺过程复杂、控制点多8.计算机联机控制较难9.操作者技术素质要求高10.动植物细胞培养技术问题更多11.胰腺癌手术前后如何护理 A、B、C磷氮霉素类化合物的结构ONH2ROHOHH2O3POOAntifungal avtivity of phosphazomycin CTest organismMIC (g/mL)*Aspergillus oryzae IFO 52391.6A. niger1.6Penicillium chrysogenum0.4T

10、richophyton mentagrophytes IFO62020.4Cochliobolus miyabeanus IFO 52771.6Pyricularia oryzae IFO 59440.8Rhizoctonia solani IFO 625825Colletotrichum lagenarium IFO7510.05Botryotinia fuckeliana IFO 53650.0004Glomerella cingulata IFO 97670.2Alter iaria mali IFO 89840.025Fusarium oxysporum IFO 976112.5* C

11、onventional agar dilution method was employed using potato-sucrose medium. MICs were observed after 72 hours incubation.磷氮霉素对黄瓜灰霉病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm99.398.598.598.599.350ppm100100100100100磷氮霉素对菌核病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm10081.368.883.178.150ppm100100100100100磷氮霉素增加血小板作用（体内试验）剂量mg/kg投药天数血小板数1040.1382

12、.180.1488.560.15110.060.16115.060.3386.620.34101.780.35125.040.36152.22对照384481.14586.54688.68变构菌素的结构TautomycetinCH3OHCH3CH3CH3OOOOOHCH3OHOOOCH3Antimicrobial activity of tautomycinTest organismMIC (g/ml)Botrytis cinerea IFO 536512.5Alternaria mali IFO 898450Pyricularia oryzae IFO 599450Colletotrichu

13、m lagenarium IFO 751325Glomerella cingulata IFO 976750Cochliobulus mivabeanus25Rhizoctonia sotani IFO 6258200Fusarium oxysporum200Aspergillus niger50Penicillium chrysogenum50The conventional agar diution method was used. Medium: potato sucrose agar.拟鲥霉素的结构OOSNHONH2OHOHHOOCCOOHONHNHONHOOONH2ONH2NH拟鲥霉

14、素的抗菌作用抑菌圈直径（30g/disc）黄瓜灰霉病菌(Botrytis cinerea)40mm黄瓜炭疽病(Colletotrichum lagenarium)20mm水稻稻瘟病(Pyricularia oryzae)0格链孢菌(Alternaria mali)0水稻黄单孢菌(Xanthomonas oryzae)0大肠埃希氏菌(Eschia coli)0金色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)0白色念珠菌(Candida albicans)0拟鲥霉素的抗菌作用试验化合物喷药浓度防治效果药害SR-105096无2594无12.587无6.2577无苯莱特*25092对照处理

15、-0*1（丁基氨基甲酰）（丁基氨基甲酰）2苯并咪唑苯并咪唑白肽霉素的结构NHOONHNNHNHSNHNHNHNHOOOONHONHOHOOCOHOH白肽霉素的抗菌活性Test organismMinimal inhibitory conentration(mcg/ml)Albopeptin AAlbopeptin BAlternaria mali IFO 898412.512.512.512.5Botrytis cinerea IFO 536512.512.512.512.5Collectotrichum lagenarium IFO 751312.512.512.512.5Pyricular

16、ia oryzea IFO 599425252525Fusrium oxysporum IFO 9761 50502525Rhizoctonia solani IFO 625812.512.52525Aspergillus oryzea IFO 523950505050Glomerella cingulata IFO 976725252525Cochliobollus miyabeanus IFO 5277252512.512.5Trichophyton mentagrophytes IFO 62021001001010Candida albicans IFO 159450505050Sacc

17、haromyces cerevisiae IFO 030450505050Staphylococcus aureus IFO 12732252512.512.5Bacillus subtilis IFO 3513252512.512.5Escherichia coli IFO 3301100100100100Pseudomonas aeruginosa IFO 13130100100100100制黄杆菌素的结构CH3NHONHOOOOOCH3CH3ONHCH3ONHONOCH3NHOCH3CH3HHNHCH3OCH3OH制黄杆菌素的抗菌活性Test organismMinimal inhibi

18、tory concentration (mcg/ml) Xanthomonas oryzae IFO 33122Xanthomonas oryzae IFO 37814Escherichia coli IFO 33011,000Salmonella typhimurium TV 1191,000Staphylococcus aureus 209P IFO 12732 1,000Bacillus subtilis IFO 5131,000RS-22活性成份的化学结构CH3NHNHNR1R2OOCH3OHOHCH3OCH3OHOOHOHOHCH3OHCH3OHOHOHOCOOHRS-22 A: R

19、1=H, R2=HRS-22 B: R1=CH3, R2=HRS-22 C: R1=CH3, R2=CH3实现产业化的研究成果可再生资源生产活性物质1.1.井冈霉素2.2.70517051杀虫素3.3.浏阳霉素4.4.LovastatinLovastatin5.5.2098 FK5062098 FK5066.6.金核霉素7.7.TautomycinTautomycin8.8.胰腺癌食欲差怎么办 冈 霉 素 AOHCH2OHOOHCH2OHOHOHOHNHOCH2OHOHOHOH白色吸湿性粉末，微碱性分子式：C20H35NO13 C20H35NO13 分子量：497.5497.5熔 点：无固定熔

20、点，约102102开始熔化，135135分解旋光性：旋光 110 1101010（C=1 HC=1 H2 2O O）溶解性；溶于水、甲醇、DMFDMF、DMSODMSO；微溶于乙醇、 丙酮；不溶于酯、醚、苯等有机溶剂稳定性：pH 5pH 59 9时稳定井冈霉素对主要病害的防治作用DiseaseConcentration a.i. (ppm)Prevention efficacy (%)水稻小球菌核病Helminthosporium sigmoideum40ppm95黄瓜立枯病Rhizoctonia solani40ppm100菜豆菌核病Sclerotinia sclerotirum25ppm8

21、0水稻稻曲病Ustilaginoidea dvirens80ppm100小麦纹枯病Rhizoctonia solani80ppm85水稻纹枯病Pellicularia sasakii30ppm100井冈霉素年产量及防治面积（亿亩/次）年份19711971197919791980198019831983198419841986198619871987199419941995199520032003产量（t t）450450190019003600360015001500200020003000300040004000可防面积0.90.93.83.87.27.23 34/Y4/Y6 68/Y8/Y

22、井冈霉素的发酵水平（微克/毫升）年份19701970197619761977197719781978197919791981198119821982发酵单位8080300030006000600012000120002000020000300003000020000200003000030000井冈霉素和有机砷制剂的比较有机砷井冈霉素原料非再生性资源可再生性资源对动物毒性404050mg/kg50mg/kgLDLD50505000mgkg5000mgkg对植物和其他生物毒性对水稻有毒害无毒对土壤污染残留在土壤中易分解，无残留生产过程中的三废废气、废渣、废水除释放COCO2 2外无其他废料每亩用

23、药量30305050克3 35 5克7051 杀 虫 素原料淀粉黄豆粉等农副产品OOOOOOOHCH3CH3HHHCH3OCH3CH3MeOMeOR4HHOR3HOHCH3HC2H5CH37051杀虫素和目前常用杀虫剂效果的比较药 剂 类 型田间用药量（克/ /公顷）有机氯50050030003000有机磷600600氨基甲酸酯700700除虫菊酯类101020020070517051杀虫素1 110107051杀虫素生产的工艺路线7051杀虫素产业化后的经济效益年 份新增产值（万元）新增利税创收外汇1993199319941994年7290.007290.002754.702754.7041

24、76.004176.0019951995年12537.0012537.004420.004420.008759.008759.0019961996年15205.0015205.004485.004485.006229.006229.0019971997年22010.0022010.007800.007800.0012500.0012500.00浏阳霉素结构及其急性毒性药 物动 物给药部位LDLD5050（mg/kgmg/kg）纯品小鼠口服1000010000大鼠口服1000010000制剂小鼠口服50005000经皮20002000OR4OOOOOOOOR2OCH3CH3CH3CH3R1R3O

25、浏阳霉素对抗性螨害的防治效果药 剂药前基数（螨头数/ /叶）用药后减退率（）8 8天2222天3636天5 5复方浏阳霉素16616697.897.895.695.699.599.5三菊杀螨醇2525增加160160浏阳霉素对天敌昆虫的影响天敌浓度（mg/cm2mg/cm2）死亡率金小蜂4.354.351010-4-40 017.417.41010-4-40 0回斑目瓢虫50ppm50ppm孵化率98.9%98.9%100ppm100ppm孵化率86.8%86.8%2098 抗 生 素NOOOMeOMeOMeOHMeOMeMeOHOOHOOMeMeR1234567891011121314151

26、617181920212223242526272829303132333534363738394041424344Compactin类降低胆固醇药物OOHOHHNaOOCOHOHOOOHOOHHOOOHOOHHOOOHOOHH变 构 霉 素 的 结 构OCH3OHCH3OOOCH3OHOOOOHCH3CH3HOOCH3CH3HCH3CH3Antimicrobial activity of tautomycinTest organismMIC (g/ml)Botrytis cinerea IFO 5365125Colletotrichum lagenarium IFO 7513125Pyricu

27、laria oryzea IFO 5994125Rhizoctonia solani IFO 6258125Aspergillus niger 125Alternaria mali IFO 8984500Glonerella cingulata IFO 9767500Xanthomonas oryzae IFO 331232X. Citri IFO 378132Staphylococcus aureus IFO 12732500Escherichia coli BE1186500Bacillus subtilis IFO 3513500腈酶、腈水合酶在工业上的应用1.丙烯酰胺工业化生产2.脂肪

28、腈化合物的催化水合3.芳香腈化合物的催化水合4.杂环腈化合物的腈化水合5.手性催化中的应用分解腈类化合物的微生物BacillusEnterobacterBacteridiumEscherichiaMicrococcusFravobacteriumBrevibacteriumAeromonas CorynebacteriumMycoplanaNocardiaCellulomonasPseudomonasErwiniaRhodococcusCandidaArthrobacterusAspergillusRhizobiumCochliobolusAcinetobacterRhodopseudomon

29、asAlcaligenes StreptomycesCaseobacterPenicillumGordonaFusariumAureobacterium含腈化合物的水解CHCNNH2RCHCNOHRCH2CHCNCHCNNH2RCHOHNH2CNCHCOOHNH2RCHCOOHOHRCHCNNH2RCH2CHCOOHCHOHNH2COOH腈水合酶对杂环腈化合物的催化水合NCNNCONH2NCNNCONH2NCNNCONH2NNCNNNCONH2SCNSCONH2OCONH2OCNNCH2CNNCH2CONH2腈酶、腈水合酶在手性催化中的应用（一）RCHCNOHRCHCONH2OHRCHCOOH

30、OHRCHCNNH2RCHCOOHNH2RCHCONH2NH2RCHCNCH3RCHCOOHCH3RCHCONH2CH3腈酶、腈水合酶在手性催化中的应用（二）CH3CH3CNCH3CH3CONH2CHClCNCHClCONH2CHOHCNNH2CHOHCOOHNH2CHOHCNCHOHCOOH芳香腈化合物的水合催化CNCONH2CNFFFFCONH2CNNH2NH2CONH2OHCNOHCONH2CNOCONH2OCNNO2CONH2NO2CH3CH3用于丙烯酰胺工业生产的微生物1.1.只含腈水合酶，不含酰胺酶和腈酶，反应只按下列进行2. 2. 对底物耐受性高3. 3. 对产物耐受性高4. 4. 稳定性好5. 5. 催化效率高CH2CHCNCH2CHCNH2O丙烯酰胺的工业化技术丙烯酰胺 Acrylamide制法硫酸水合法钢镍催化水合法微生物酶催化水合法CH2CHCN丙烯腈水合酶的制备流程图丙烯腈水合