工业生物技术与生物炼制

工业生物技术与生物炼制

姜岷Email:jiangmin@

南京工业大学制药与生物工程学院

Historyofbiotech.

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RedBiotechnologyGreenBiotechnologyWhiteBiotechnology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、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。Industrialbiotechnology

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、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？资源危机能源危机环境危机化石经济化石经济发展工业生物技术，寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续发展的重大战略方向。社会经济可持续发展生物经济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460ºC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1ºC的温升。气温上升1.5ºC，20%物种将面临灭绝。气温若升高2ºC，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，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Carbontariff

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5ºC西方经济与科技模式的问题低碳：未来经济的核心，未来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SGC2C3C5C6C4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种类年产生量（亿吨）城市生活垃圾1.55养殖业畜禽粪便11.4农村家庭生活垃圾2.5农作物秸秆7林木剩余物3农产品加工副产物1能源作物副产物2.6水生植物2.6污水处理厂剩余污泥2城市生活污水260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

设计规模：日处理约量30吨，物料TS约为5%，可实现日产生物甲烷200m3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，降低成本秸杆等粪便、生活污水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3－5亿吨标煤甲烷经济：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-jetfuel)(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1L空气中含有约5.9×10-4gCO21L水中含有约1.7gCO21L空气中含有约0.3gO2近3000倍1L水中含有约0.008gO21/40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:10-3m2微藻比表面积:1.3×103m2

相同质量的微藻比表面积是树叶的1.3×106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1g干物质微藻具有高效的产油能力作物公斤油/ha升油/ha大豆(Soybean)375446芝麻(Sesame)585696向日葵(Sunflower)800952花生(Peanuts)8901,059油菜籽(Rapeseed)1,0001,190油橄榄(Olives)1,0191,212蓖麻籽(Castorbeans)1,1881,413麻疯树(Jatropha)1,5901,892椰子(Coconut)2,2602,689