工業(yè)生物技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢PPT課件

1、 細(xì)胞細(xì)胞 酶酶 生物催化劑生物催化劑（游離或固定化）（游離或固定化） 原料基質(zhì)或培養(yǎng)基原料基質(zhì)或培養(yǎng)基 （營養(yǎng)物質(zhì)）（營養(yǎng)物質(zhì)） 預(yù)處理上游加工過程上游加工過程 空氣空氣 能量能量 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器 檢控系統(tǒng)檢控系統(tǒng)生化反應(yīng)過程生化反應(yīng)過程 產(chǎn)品產(chǎn)品 提取提取 副產(chǎn)品副產(chǎn)品 精制精制 廢物廢物下游加工過程下游加工過程滅菌 人類活動(dòng)需求的基本物質(zhì)是人類文明的基礎(chǔ)，而生物質(zhì)一直是人類人類活動(dòng)需求的基本物質(zhì)是人類文明的基礎(chǔ)，而生物質(zhì)一直是人類文明的重要物資基礎(chǔ)。文明的重要物資基礎(chǔ)。事實(shí)上，今天在地球上所發(fā)生的最大的物質(zhì)和能量的循環(huán)（如C、N、O和太陽能）也是由生物加工所完成的。 游牧文明食物工

2、業(yè)文明化石原料農(nóng)耕文明衣食住行人類文明演化人類文明演化人口資源壓力1萬年3千年2百年文明演化方向新文明未來生物質(zhì)一直是人類文明的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。生物質(zhì)資源加工利用方式的進(jìn)步推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。 年年1900210020002020205017億人口億人口1970（forecast）增長的增長的極限 （Club of Rome, 1972）生長極限生長極限 文明沖突文明沖突100億人口億人口 61億人口億人口文明沖突的重要途徑文明沖突的重要途徑生物工程是解決人類生物工程是解決人類面臨危機(jī)的有效途徑面臨危機(jī)的有效途徑 生物質(zhì)是太陽能最主要的吸收器和儲(chǔ)存器。太陽能照射生物質(zhì)是太陽能最主要的吸收器和儲(chǔ)

3、存器。太陽能照射到地球后，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分被植物吸收，轉(zhuǎn)化為到地球后，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分被植物吸收，轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能；由于轉(zhuǎn)化為熱能的太陽能能量生物質(zhì)能；由于轉(zhuǎn)化為熱能的太陽能能量密度密度很低，不容易很低，不容易收集，只有少量能被人類所利用，其他大部分存于大氣和地收集，只有少量能被人類所利用，其他大部分存于大氣和地球中的其他物質(zhì)中；生物質(zhì)通過光合作用，能夠把太陽能富球中的其他物質(zhì)中；生物質(zhì)通過光合作用，能夠把太陽能富集起來，儲(chǔ)存在有機(jī)物中，這些能量是人類發(fā)展所需集起來，儲(chǔ)存在有機(jī)物中，這些能量是人類發(fā)展所需能源能源的的源泉和基礎(chǔ)源泉和基礎(chǔ)。 植物是生物質(zhì)的主要種類，如植物是生物質(zhì)的

4、主要種類，如木材木材、農(nóng)作物（秸稈、稻、農(nóng)作物（秸稈、稻草、麥稈、豆稈、草、麥稈、豆稈、棉花棉花稈、谷殼等）、雜草、藻類等稈、谷殼等）、雜草、藻類等 是生是生物加工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)物加工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)木質(zhì)纖維素的成份木質(zhì)纖維素的成份 因化石資源不斷枯竭、環(huán)境污染日益加劇因化石資源不斷枯竭、環(huán)境污染日益加劇 目前目前化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)模式化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)模式必須要進(jìn)行徹底的變革，必須要進(jìn)行徹底的變革，轉(zhuǎn)向以生物可再生資源為原料，生物可再生能源為轉(zhuǎn)向以生物可再生資源為原料，生物可再生能源為能源，環(huán)境友好、過程高效的新一代物質(zhì)加工模式能源，環(huán)境友好、過程高效的新一代物質(zhì)加工模式。其核心技術(shù)是工業(yè)生物技術(shù)。其核心技術(shù)

5、是工業(yè)生物技術(shù)。 1、工業(yè)生物技術(shù)是生物質(zhì)資源利用的關(guān)鍵、工業(yè)生物技術(shù)是生物質(zhì)資源利用的關(guān)鍵工業(yè)生物技術(shù)工業(yè)生物技術(shù)是以微生物或酶為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生是以微生物或酶為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)人類所需的化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等，是解決人類目前面產(chǎn)人類所需的化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。它為醫(yī)藥生物技術(shù)提供臨的資源、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。它為醫(yī)藥生物技術(shù)提供下游支撐，為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)提供后加工手段。下游支撐，為農(nóng)業(yè)生物技術(shù)提供后加工手段。 發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)的任務(wù)，是把生命科學(xué)的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)的任務(wù)，是把生命科學(xué)的

6、發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)，以滿足社會(huì)的需要。工業(yè)生物技術(shù)不僅僅的產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)，以滿足社會(huì)的需要。工業(yè)生物技術(shù)不僅僅面對面對發(fā)酵發(fā)酵行業(yè)，它已經(jīng)開始進(jìn)入包括行業(yè)，它已經(jīng)開始進(jìn)入包括農(nóng)業(yè)化學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)、有機(jī)物、藥物和、有機(jī)物、藥物和高分子材料在內(nèi)的很多領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于許多日常用品的生產(chǎn)，高分子材料在內(nèi)的很多領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于許多日常用品的生產(chǎn)，如洗滌劑和紡織品等，而且它的作用具有更加深遠(yuǎn)的意義如洗滌劑和紡織品等，而且它的作用具有更加深遠(yuǎn)的意義 2、工業(yè)生物技術(shù)的核心是生物催化、工業(yè)生物技術(shù)的核心是生物催化 生物催化劑與普通化學(xué)催化劑（通常為強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等）相生物催化劑與普通化學(xué)催化劑（通常為

7、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿等）相比，具有以下特點(diǎn)：比，具有以下特點(diǎn)： （1）催化效率的高效性。每公斤天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶可以催）催化效率的高效性。每公斤天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶可以催化生產(chǎn)本身質(zhì)量化生產(chǎn)本身質(zhì)量10萬倍的天冬氨酸。萬倍的天冬氨酸。 （2）專一性強(qiáng)。酶只選擇催化某種反應(yīng)并獲得特定的產(chǎn)）專一性強(qiáng)。酶只選擇催化某種反應(yīng)并獲得特定的產(chǎn)物，所以其位點(diǎn)專一性、化學(xué)專一性和立體專一性強(qiáng)。生物，所以其位點(diǎn)專一性、化學(xué)專一性和立體專一性強(qiáng)。生物催化法可高效地生產(chǎn)大量的光學(xué)活性化合物。物催化法可高效地生產(chǎn)大量的光學(xué)活性化合物。 （3）環(huán)境友好。生物催化劑（酶與微生物）的本質(zhì)是蛋）環(huán)境友好。生物催化劑（酶與微生物）的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，

8、在使用后可方便地被消除。反應(yīng)條件溫和，一般在白質(zhì)，在使用后可方便地被消除。反應(yīng)條件溫和，一般在常溫常壓下進(jìn)行，其能耗和水耗低，可大大降低化石能源常溫常壓下進(jìn)行，其能耗和水耗低，可大大降低化石能源和水資源的消耗，減少了溫室氣體的排放。是綠色化學(xué)與和水資源的消耗，減少了溫室氣體的排放。是綠色化學(xué)與綠色化工發(fā)展的重要趨勢之一。綠色化工發(fā)展的重要趨勢之一。 3、工業(yè)生物技術(shù)的貢獻(xiàn)、工業(yè)生物技術(shù)的貢獻(xiàn) 生物催化過程生物催化過程 (生物催化劑生物催化劑-綠色技術(shù)的重要應(yīng)用綠色技術(shù)的重要應(yīng)用) 1) 高效率，高轉(zhuǎn)化率高效率，高轉(zhuǎn)化率 2) 高選擇性高選擇性 3) 環(huán)境友好環(huán)境友好 傳統(tǒng)化學(xué)催化過程傳統(tǒng)化學(xué)催

9、化過程 1) 高能耗高能耗 2) 高物耗高物耗 3) 污染環(huán)境污染環(huán)境 丙烯腈丙烯腈H2O脫色丙烯酰胺水合（室溫）分離催化劑生物催化劑Yield 99.99%Purity 99.99丙烯酰胺生產(chǎn)路線的變更丙烯酰胺生產(chǎn)路線的變更化學(xué)催化路線化學(xué)催化路線生物催化路線生物催化路線Cu2+催化催化丙腈烯丙腈烯濃縮濃縮丙烯酰胺丙烯酰胺水合水合100催化劑催化劑分離分離除氧除氧Cu2+ 除去和脫色除去和脫色丙烯腈丙烯腈H2O Cu2+ 催化法催化法生物催化法生物催化法單耗單耗0.80.80.750.75產(chǎn)品純度產(chǎn)品純度95%95%99.99%99.99%副產(chǎn)物和雜質(zhì)副產(chǎn)物和雜質(zhì)產(chǎn)物中存在產(chǎn)物中存在 CuC

10、u2+2+, , 基本上沒基本上沒有三廢有三廢副產(chǎn)物少副產(chǎn)物少轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率83 83 87%87%99.99%99.99%成本成本高高低低溫度（溫度（）1001001010能耗能耗高高低低丙烯酰胺生產(chǎn)路線的比較丙烯酰胺生產(chǎn)路線的比較只有生物催化法才能生產(chǎn)高純度的丙烯酸，從而才可以合只有生物催化法才能生產(chǎn)高純度的丙烯酸，從而才可以合成超高分子量的聚丙烯酸，在三次采油中發(fā)揮重大作用。成超高分子量的聚丙烯酸，在三次采油中發(fā)揮重大作用。 工業(yè)生物催化技術(shù)的原料是生物質(zhì)工業(yè)生物催化技術(shù)的原料是生物質(zhì) 中國生物質(zhì)可利用的數(shù)量中國生物質(zhì)可利用的數(shù)量 我國屬于太陽能資源豐富的國家，每年輻射總量在我國屬于太陽能

11、資源豐富的國家，每年輻射總量在3.33.31031038.48.4106 kJ/m2106 kJ/m2之間。我國陸地面積每年接受的之間。我國陸地面積每年接受的太陽能相當(dāng)于太陽能相當(dāng)于2.42.4104104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。 如果將中國如果將中國8 8的土地覆蓋上高能作物，達(dá)到世界平均水的土地覆蓋上高能作物，達(dá)到世界平均水平的森林覆蓋面積，按光合效能平的森林覆蓋面積，按光合效能6.66.6計(jì)算，相當(dāng)于產(chǎn)生計(jì)算，相當(dāng)于產(chǎn)生126126億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。 隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)數(shù)量將更大。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)數(shù)量將更大。 發(fā)展工業(yè)生物催化技術(shù)發(fā)展工業(yè)生物催化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能

12、源的高效利用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用，中國可以走向一條通往綠色生態(tài)現(xiàn)代化之路。中國可以走向一條通往綠色生態(tài)現(xiàn)代化之路。 2）原料路線變更）原料路線變更生物質(zhì)生物質(zhì) A B C D E F G H I J K L 1 Biochemical Pathways 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3）以生物質(zhì)為原料采用工業(yè)生物技術(shù)能）以生物質(zhì)為原料采用工業(yè)生物技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)微生物代謝途徑（生物催化網(wǎng)絡(luò)）微生物代謝途徑（生物催化網(wǎng)絡(luò)）EMP的化學(xué)歷程的化學(xué)歷程 糖原或淀粉糖原或淀粉1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果

13、糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮2 1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸2 丙酮酸丙酮酸第第一一階階段段第第二二階階段段第第三三階階段段葡萄糖葡萄糖葡萄糖的磷酸化葡萄糖的磷酸化磷酸己糖的裂解磷酸己糖的裂解2-磷酸甘油磷酸甘油和和ATP生成生成丙酮酸和丙酮酸和ATP的生的生成成第第四四階階段段糖酵解過程糖酵解過程 OCH3-C-SCoACoASHNADH +CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP三羧酸循環(huán) （TCA） 草酰乙酸草酰乙酸 再生階段再生階段 檸檬酸的檸檬酸的生

14、成階段生成階段 氧化脫氧化脫 羧階段羧階段檸檬酸檸檬酸異檸檬酸異檸檬酸順烏頭酸順烏頭酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰CoA延胡索酸延胡索酸蘋果酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+ C4C3C2C1生物質(zhì)糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等乳酸、丙烯酸、丙二醇等丁二酸、富馬酸、丁二醇、丁四醇等衣康酸、木糖醇等高分子材料產(chǎn)品和化學(xué)品檸檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等 工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)?；瘜W(xué)品生產(chǎn)已初見端倪，如農(nóng)工業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)?；瘜W(xué)品生產(chǎn)已初見端倪，如農(nóng)用化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品、大宗化學(xué)品、藥物及高分子材料用化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品、大宗化學(xué)品、藥物及高分子材料

15、等領(lǐng)域。等領(lǐng)域。21世紀(jì)是工業(yè)生物技術(shù)崛起的新紀(jì)元。世紀(jì)是工業(yè)生物技術(shù)崛起的新紀(jì)元。 中國也十分重視工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展。國家中長期科學(xué)與中國也十分重視工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展。國家中長期科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃中將工業(yè)生物技術(shù)列為重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。國家重技術(shù)規(guī)劃中將工業(yè)生物技術(shù)列為重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。國家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）將生物催化項(xiàng)目立項(xiàng)。國家計(jì)劃）將生物催化項(xiàng)目立項(xiàng)。國家高技術(shù)研究計(jì)劃（高技術(shù)研究計(jì)劃（863計(jì)劃）中增列工業(yè)生物技術(shù)專題。計(jì)劃）中增列工業(yè)生物技術(shù)專題。我國工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較快。如目前我國的谷氨酸我國工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較快。如目前我國的谷氨酸和檸檬酸產(chǎn)量為世界

16、第一，但是技術(shù)水平和國外還有一定和檸檬酸產(chǎn)量為世界第一，但是技術(shù)水平和國外還有一定差距?？傮w來說，我國是工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國，但還不差距。總體來說，我國是工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國，但還不是強(qiáng)國。是強(qiáng)國。 乙醇燃料乙醇糖精餾除水發(fā)酵 目前目前乙醇作為乙醇作為燃料，政燃料，政府必須補(bǔ)府必須補(bǔ)貼。貼。100001000026662666434043400 02000200040004000600060008000800010000100001200012000補(bǔ)貼乙醇成本乙醇燃料價(jià)值贏余2666乙烯及衍生物價(jià)值CH2OCOOR1CH2OCOOR3CHOCOOR2R1COOCH3R2COOCH3R3COO

17、CH3CH2OHCH2OHCHOH+3CH3OH。 是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物發(fā)酵作用而生是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物發(fā)酵作用而生成的以甲烷為主的可燃?xì)怏w。由葡萄糖厭氧消化產(chǎn)甲烷的能量轉(zhuǎn)換成的以甲烷為主的可燃?xì)怏w。由葡萄糖厭氧消化產(chǎn)甲烷的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)效率可高達(dá)87%87%，是其他加工技術(shù)所難以達(dá)到的。沼氣發(fā)酵可以綜合，是其他加工技術(shù)所難以達(dá)到的。沼氣發(fā)酵可以綜合利用有機(jī)廢物和農(nóng)作物秸稈，對水資源和土壤等再生和資源化有促利用有機(jī)廢物和農(nóng)作物秸稈，對水資源和土壤等再生和資源化有促進(jìn)作用。許多國家已把沼氣開發(fā)列入國家能源戰(zhàn)略。我國是世界上進(jìn)作用。許多國家已把沼氣開發(fā)列入國家能源戰(zhàn)

18、略。我國是世界上沼氣利用開展得最好的國家，沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟，目前已進(jìn)入商業(yè)沼氣利用開展得最好的國家，沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟，目前已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段?；瘧?yīng)用階段。是利用某些微生物代謝過程來生產(chǎn)氫氣的是利用某些微生物代謝過程來生產(chǎn)氫氣的一項(xiàng)生物工程技術(shù)，所用原料是陽光和水，也可以是有機(jī)廢一項(xiàng)生物工程技術(shù)，所用原料是陽光和水，也可以是有機(jī)廢水、秸稈等，來源豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)過程清潔、節(jié)能。水、秸稈等，來源豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)過程清潔、節(jié)能。德國、英國、美國、日本、以色列、瑞典等許多同家的政府德國、英國、美國、日本、以色列、瑞典等許多同家的政府部門，對氫能源的開發(fā)及其應(yīng)用技術(shù)的研究都給予了高度重部門，對

19、氫能源的開發(fā)及其應(yīng)用技術(shù)的研究都給予了高度重視。我國對該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究也給予大力支持。視。我國對該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究也給予大力支持。 與石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可生物降解、與石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可生物降解、應(yīng)用前景廣闊的突出優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用前景廣闊的突出優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需要在價(jià)格上形，但實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需要在價(jià)格上形成競爭力。目前已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的有成競爭力。目前已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的有CargillCargill DowDow公司的聚公司的聚乳酸工廠和乳酸工廠和DuPontDuPont公司由公司由1 1，3 3丙二醇生產(chǎn)丙二醇生產(chǎn)PTTPTT的工廠。這兩的工廠。這兩項(xiàng)成果標(biāo)志

20、著用生物原料生產(chǎn)的生物材料已經(jīng)開始具備市場項(xiàng)成果標(biāo)志著用生物原料生產(chǎn)的生物材料已經(jīng)開始具備市場競爭優(yōu)勢（前者能耗降低競爭優(yōu)勢（前者能耗降低30%30%50%50%，后者降低，后者降低25%25%）。）。 聚乳酸是性能優(yōu)異的功能纖維和熱塑性材料，具有優(yōu)異的成聚乳酸是性能優(yōu)異的功能纖維和熱塑性材料，具有優(yōu)異的成膜和成纖維的能力，可以用來做包裝材料和紡織材料。膜和成纖維的能力，可以用來做包裝材料和紡織材料。聚乳聚乳酸的生產(chǎn)主要是通過生物法將葡萄糖轉(zhuǎn)化成乳酸，然后再通酸的生產(chǎn)主要是通過生物法將葡萄糖轉(zhuǎn)化成乳酸，然后再通過化學(xué)法進(jìn)行高分子聚合反應(yīng)，生成聚乳酸。過化學(xué)法進(jìn)行高分子聚合反應(yīng)，生成聚乳酸。 采

21、用采用1 1，3 3丙二醇與對苯二甲酸進(jìn)行縮聚，制造的聚酯丙二醇與對苯二甲酸進(jìn)行縮聚，制造的聚酯PTTPTT纖纖維材料具有良好的抗腐蝕性，維材料具有良好的抗腐蝕性，又具有尼龍又具有尼龍6666的彈性，且更容的彈性，且更容易印染，被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的高分子纖維材料。易印染，被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的高分子纖維材料。 生物質(zhì)加工的重大產(chǎn)品體系生物質(zhì)加工的重大產(chǎn)品體系C4C3C2C1生物質(zhì)糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等乳酸、丙烯酸、丙二醇等丁二酸、富馬酸、丁二醇、丁四醇等衣康酸、木糖醇等高分子材料產(chǎn)品和化學(xué)品檸檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等甲烷是最重要的C1平臺(tái)化合物，也是最重要的生物能源之一生物

22、乙醇是最生物乙醇是最重要重要C2平臺(tái)化合物平臺(tái)化合物乙醇乙烯燃料乙醇糖環(huán)氧乙烷乙二醇精餾除水催化脫水發(fā)酵 生物乙醇作為一個(gè)純物質(zhì)，熵值較低，如果生物乙醇作為一個(gè)純物質(zhì)，熵值較低，如果與普通燃料（混合物）一樣用于燃燒產(chǎn)生能量，與普通燃料（混合物）一樣用于燃燒產(chǎn)生能量，其在經(jīng)濟(jì)性上不太合理。更適宜用于制造其他純其在經(jīng)濟(jì)性上不太合理。更適宜用于制造其他純物質(zhì)如生物乙烯等物質(zhì)如生物乙烯等 。 目前目前乙醇作為乙醇作為燃料，政燃料，政府必須補(bǔ)府必須補(bǔ)貼。貼。100001000026662666434043400 0200020004000400060006000800080001000010000120

23、0012000 生物質(zhì)加生物質(zhì)加工乙醇，生產(chǎn)工乙醇，生產(chǎn)生物乙烯已具生物乙烯已具備產(chǎn)業(yè)化商業(yè)備產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化條件，并與化條件，并與新建石腦油乙新建石腦油乙烯裝置競爭。烯裝置競爭。（中東乙烷乙（中東乙烷乙烯除外）烯除外）補(bǔ)貼乙醇成本乙醇燃料價(jià)值贏余2666乙烯及衍生物價(jià)值我國生物乙烯面臨重大需求我國生物乙烯面臨重大需求2003年年2005年年2010年年2020年年乙烯乙烯1620萬噸萬噸1900萬噸萬噸 2600萬噸萬噸 4000萬噸萬噸取代率取代率1030生物乙烯生物乙烯5萬噸萬噸260萬噸萬噸1200萬噸萬噸生物乙烯生物乙烯的產(chǎn)值的產(chǎn)值5億元億元260億元億元1200億元億元我國生產(chǎn)乙烯的滿

24、足率平均不到50，需要大量進(jìn)口。 1噸乙烯需要3 噸石腦油，且消耗1噸標(biāo)油。巨大的市場需求和經(jīng)濟(jì)可行性為生物乙烯巨大的市場需求和經(jīng)濟(jì)可行性為生物乙烯的產(chǎn)業(yè)化提供了巨大的動(dòng)力。的產(chǎn)業(yè)化提供了巨大的動(dòng)力。我國已有我國已有3 3萬噸萬噸/ /年生物乙烯的工業(yè)裝置，用于生產(chǎn)年生物乙烯的工業(yè)裝置，用于生產(chǎn)3 3萬噸萬噸/ /年環(huán)氧乙烷，經(jīng)濟(jì)效益良好。年環(huán)氧乙烷，經(jīng)濟(jì)效益良好。印度、巴西等國已有印度、巴西等國已有40萬噸生物乙烯的生產(chǎn)規(guī)模。萬噸生物乙烯的生產(chǎn)規(guī)模。 中東乙烯中東乙烯乙醇（運(yùn)輸）乙醇（運(yùn)輸）乙烯乙烯乙醇乙烯原料原料生物乙烯的關(guān)鍵技術(shù)生物乙烯的關(guān)鍵技術(shù)生物乙烯的關(guān)鍵技術(shù)：生物乙烯的關(guān)鍵技術(shù)：1

25、 1）低成本的發(fā)酵糖（原料）制備高技術(shù)。2 2）代謝工程技術(shù)改造酒精發(fā)酵菌種，提高發(fā)酵乙醇的相對純度，有效減少與乙醇物性相近的輕質(zhì)組分（如某些醇類、酯類等）的產(chǎn)生。3 3）研究生物乙烯工藝過程中的反應(yīng)分離耦聯(lián)技術(shù)和乙醇發(fā)酵與乙醇脫水工藝耦聯(lián)工藝，降低整體工藝過程的轉(zhuǎn)化效率和能耗。 選擇低成本的原料路線是降低生物乙醇、生物乙烯乙烯生產(chǎn)成本和提高市場競爭力的關(guān)鍵。目前用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料主要為淀粉質(zhì)原料（80%）糖蜜原料（10）。我國利用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)乙醇和利用糖蜜原料生產(chǎn)乙醇的工藝成熟穩(wěn)定，技術(shù)可行，糖轉(zhuǎn)化率已達(dá)9296的水平。但是糧食類淀粉質(zhì)原料，如玉米等價(jià)格較高，達(dá)到1400元/噸，使得乙

26、醇的生產(chǎn)成本較高。低成本的發(fā)酵糖（原料）制備高技術(shù)低成本原料的生物乙醇工藝路線：采用低成本的非糧食類淀粉質(zhì)原料，如木薯、紅薯、陳糧等。以低成本木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)乙醇的工藝是未來乙醇生產(chǎn)的重要發(fā)展方向。五碳糖利用是降低成本的關(guān)鍵五碳糖利用是降低成本的關(guān)鍵甘蔗或甜高粱發(fā)酵糖非發(fā)酵糖纖維素半纖維素木質(zhì)素葡萄糖木糖苯酚苯燃料油燃料氣1/21/21/31/31/31/5 1/71/82/7能源材料化學(xué)品裂解氫解乳酸是最乳酸是最重要重要C3平臺(tái)化合物平臺(tái)化合物乳酸乳酸酯聚乳酸糖丙烯酸催化脫水發(fā)酵1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸，理論上1噸糖可得1噸乳酸，實(shí)際轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到9598。乳酸及乳酸甲酯脫水生成

27、丙烯酸（甲酯）轉(zhuǎn)化率達(dá)88%，但是尚未工業(yè)。甘油甘油1,3-丙二醇丙二醇葡萄糖葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛3-羥基丙醛羥基丙醛二羥丙酮二羥丙酮磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮NADHNAD+NADHNAD+ATPADP乙酸乙酸乙酰輔酶乙酰輔酶A乳酸乳酸琥珀酸琥珀酸丙酮酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATPADPATP乙醇乙醇2,3-丁二醇丁二醇NADHNAD+ADPATP2NAD+2NADH1,3-丙二醇丙二醇氧化還原酶氧化還原酶甘油甘油脫水酶脫水酶NADHNAD+2NAD+2NADHADPATPNADHNAD+ATPADPATPADP甘油脫甘油脫氫酶氫酶激酶1，3丙

28、二醇的代謝途徑C3平臺(tái)化合物丁醇、丁二酸、丁二醇、富馬酸等是重要的C4平臺(tái)化合物富馬酸糖丁二酸2,3-丁二醇1,4-丁二醇丁醇丁二烯葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA檸檬酸丁二酸富馬酸蘋果酸草酰乙酸草酰乙酸蘋果酸富馬酸（129）丁二酸乙醛乙醇乳酸EMPATP+NADH2NADNADH2(7)NADNADH2CO2CO2(8)(9)(10)H2OCO2ATPNADH2NADCO2NADNADH2(1)(2)(3)(4)(5)(6)TCA線粒體胞液途徑（64）利用代謝利用代謝工程手段工程手段，可以大，可以大大提高目大提高目標(biāo)化合物標(biāo)化合物的產(chǎn)量。的產(chǎn)量。反應(yīng)分離耦合技術(shù)CO2調(diào)控三、工業(yè)生物技術(shù)的關(guān)鍵技

29、術(shù)問題三、工業(yè)生物技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問題 1） 微生物資源庫和微生物功能基因組學(xué)技術(shù) 微生物是生物圈的基礎(chǔ)，控制地球的生物化學(xué)循環(huán)，影響微生物是生物圈的基礎(chǔ)，控制地球的生物化學(xué)循環(huán)，影響土壤的生產(chǎn)力、水質(zhì)和全球氣候。土壤的生產(chǎn)力、水質(zhì)和全球氣候。微生物可解決人類面臨的能源和環(huán)境問題。微生物可解決人類面臨的能源和環(huán)境問題。微生物具有巨大的潛力，幾乎可以捕獲任何形式能源。因微生物具有巨大的潛力，幾乎可以捕獲任何形式能源。因此利用微生物可以進(jìn)行能源生產(chǎn)。此利用微生物可以進(jìn)行能源生產(chǎn)。微生物能夠適應(yīng)環(huán)境的多樣性，減輕環(huán)境的威脅，如極端微生物能夠適應(yīng)環(huán)境的多樣性，減輕環(huán)境的威脅，如極端pHpH值、溫度和鹽度

30、。因此利用微生物可以在工業(yè)環(huán)境中大值、溫度和鹽度。因此利用微生物可以在工業(yè)環(huán)境中大規(guī)模催化生產(chǎn)化學(xué)品。規(guī)模催化生產(chǎn)化學(xué)品。微生物是工業(yè)生物技術(shù)的基礎(chǔ)微生物是工業(yè)生物技術(shù)的基礎(chǔ) 微生物物種巨大的多樣性及其基因微生物物種巨大的多樣性及其基因改造的巨大潛力，將其與精妙現(xiàn)代改造的巨大潛力，將其與精妙現(xiàn)代工程技術(shù)結(jié)合，為人類提供了新的工程技術(shù)結(jié)合，為人類提供了新的巨大機(jī)遇，工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)巨大機(jī)遇，工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)展前景十分誘人。展前景十分誘人。醫(yī)藥生物技術(shù)醫(yī)藥生物技術(shù)人類基因組學(xué)人類基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)及相關(guān)科學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)動(dòng)植物基因組學(xué)動(dòng)植物基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)及相關(guān)科學(xué)工業(yè)生物技術(shù)

31、工業(yè)生物技術(shù)微生物基因組學(xué)微生物基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)及相關(guān)科學(xué)推動(dòng)目前人類所了解的微生物僅占總數(shù)1，故以微生物應(yīng)用為主的工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Ψ浅４?，發(fā)展空間較大。推動(dòng)推動(dòng)拉動(dòng)人口健康食品資源能源環(huán)境拉動(dòng)拉動(dòng)科學(xué)科學(xué)技術(shù)技術(shù)社會(huì)需求社會(huì)需求Red BiotechnologyGreen BiotechnologyWhite Biotechnology 微生物物種巨大的多樣性及其基因微生物物種巨大的多樣性及其基因改造的巨大潛力，將其與精妙現(xiàn)代改造的巨大潛力，將其與精妙現(xiàn)代工程技術(shù)結(jié)合，為人類提供了新的工程技術(shù)結(jié)合，為人類提供了新的巨大機(jī)遇，工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)巨大機(jī)遇，工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)展前景

32、十分誘人。展前景十分誘人。 利用極端微生物的獨(dú)特基因資源，從而發(fā)現(xiàn)一些具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的新酶。極端微生物強(qiáng)堿強(qiáng)酸高溫高寒生物催化劑多樣性研究目前已經(jīng)有200多種微生物的基因組被全測序幾種重要模式微生物的全基因已經(jīng)被測序幾種重要模式微生物的全基因已經(jīng)被測序E. coli運(yùn)動(dòng)單胞菌釀酒酵母乳桿菌米根霉菌蛋白質(zhì)序列測試數(shù)據(jù)基因序列測試數(shù)據(jù)基因序列數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫因特網(wǎng)輸入同源模型對接及模型化分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸出藥物分子模型酶與底物反應(yīng)機(jī)理蛋白質(zhì)改造信息蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)From Data to Discovery定向進(jìn)化技術(shù)，大大加速了人類改造酶原有功能和開發(fā)新功能的步定向進(jìn)化技

33、術(shù)，大大加速了人類改造酶原有功能和開發(fā)新功能的步伐。伐。蛋白質(zhì)定向進(jìn)化技術(shù)最大的優(yōu)勢在于可操作性強(qiáng)，可在實(shí)驗(yàn)室試管蛋白質(zhì)定向進(jìn)化技術(shù)最大的優(yōu)勢在于可操作性強(qiáng)，可在實(shí)驗(yàn)室試管中操作。它可以使蛋白質(zhì)（酶）在自然界需要幾百萬年才能完成的中操作。它可以使蛋白質(zhì)（酶）在自然界需要幾百萬年才能完成的進(jìn)化過程縮短到幾年甚至幾個(gè)月。進(jìn)化過程縮短到幾年甚至幾個(gè)月。分子定向進(jìn)化技術(shù)已被用于上百個(gè)酶的進(jìn)化。如枯草桿菌蛋白酶分子定向進(jìn)化技術(shù)已被用于上百個(gè)酶的進(jìn)化。如枯草桿菌蛋白酶E E在有機(jī)溶液中（在有機(jī)溶液中（60%DMF60%DMF）的活性提高了）的活性提高了170170倍；倍；內(nèi)酰胺酶的耐內(nèi)酰胺酶的耐抗菌素抗菌

34、素cefotaximecefotaxime濃度提高了濃度提高了3200032000倍；胸苷激酶對新底物（倍；胸苷激酶對新底物（gancyclovirgancyclovir）的利用提高了）的利用提高了4343倍；卡那霉素核苷酸轉(zhuǎn)移酶在倍；卡那霉素核苷酸轉(zhuǎn)移酶在60606565的熱穩(wěn)定性提高了的熱穩(wěn)定性提高了200200倍；細(xì)胞色素倍；細(xì)胞色素P450P450酶對完全新底物（過酶對完全新底物（過氧化氫）的利用提高了氧化氫）的利用提高了5 52020倍；辣根過氧化酶在酵母中表達(dá)產(chǎn)量倍；辣根過氧化酶在酵母中表達(dá)產(chǎn)量提高了提高了8888倍。倍。 2）生物催化劑快速定向進(jìn)化技術(shù)生物催化劑快速定向進(jìn)化技術(shù)

35、在試管中數(shù)周之內(nèi)可完成數(shù)萬年的自然進(jìn)化過程，提高酶活幾倍到幾萬倍。 定向進(jìn)化目前主要研究方向是：提高熱穩(wěn)定性、提高定向進(jìn)化目前主要研究方向是：提高熱穩(wěn)定性、提高有機(jī)溶劑中酶的活性和穩(wěn)定性，擴(kuò)大底物的選擇性，改變有機(jī)溶劑中酶的活性和穩(wěn)定性，擴(kuò)大底物的選擇性，改變光學(xué)異構(gòu)體的選擇性等。定向進(jìn)化的核心技術(shù)為易錯(cuò)光學(xué)異構(gòu)體的選擇性等。定向進(jìn)化的核心技術(shù)為易錯(cuò)PCR技術(shù)、技術(shù)、DNA shuffling技術(shù)及高通量篩選技術(shù)。技術(shù)及高通量篩選技術(shù)。 各類工業(yè)微生物的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的飛速各類工業(yè)微生物的基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)研究的飛速發(fā)展，產(chǎn)生了海量信息，隨著高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)管理分發(fā)展，產(chǎn)生了海量

36、信息，隨著高性能計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)管理分析方法的進(jìn)步，大大促進(jìn)了工業(yè)微生物的生物信息學(xué)的發(fā)析方法的進(jìn)步，大大促進(jìn)了工業(yè)微生物的生物信息學(xué)的發(fā)展，從而使得人們對酶的認(rèn)識(shí)加深，使得應(yīng)用傳統(tǒng)的理性展，從而使得人們對酶的認(rèn)識(shí)加深，使得應(yīng)用傳統(tǒng)的理性分子設(shè)計(jì)方法制造新的酶更加容易。這些技術(shù)在增加酶的分子設(shè)計(jì)方法制造新的酶更加容易。這些技術(shù)在增加酶的反應(yīng)多樣性、改變酶的各種性能等方面已有應(yīng)用。反應(yīng)多樣性、改變酶的各種性能等方面已有應(yīng)用。 RNAi技術(shù)技術(shù)阻斷代謝支路化學(xué)小分子基因微陣列技術(shù)基因微陣列技術(shù)快速篩選和檢測基因proteolysiselutionpeptidesMassSpectrometry二維電泳

37、蛋白質(zhì)表達(dá)差譜的研究技術(shù)。二維電泳蛋白質(zhì)表達(dá)差譜的研究技術(shù)。建立酶的高效分離純化平臺(tái)。建立酶的高效分離純化平臺(tái)。LCMSMS肽譜的快速分析方法。肽譜的快速分析方法。蛋白質(zhì)組學(xué)酶的高效固定化技術(shù)。酶的高效固定化技術(shù)。酶固定化酶固定化大大提高酶的活力和穩(wěn)定性（耐鹽、耐熱、耐pH等），拓展酶的應(yīng)用。海藻酸鈣固定化酵母凝膠珠在柱內(nèi)連續(xù)進(jìn)行生物催化反應(yīng)Cell 工廠工廠3） 重要工業(yè)微生物的代謝工程重要工業(yè)微生物的代謝工程 代謝工程：隨著對微生物代謝網(wǎng)絡(luò)研究的深入及代謝工程：隨著對微生物代謝網(wǎng)絡(luò)研究的深入及DNA重組技術(shù)重組技術(shù)的日趨完善，通過基因克隆技術(shù)改變微生物代謝途徑的某些關(guān)的日趨完善，通過基因克

38、隆技術(shù)改變微生物代謝途徑的某些關(guān)鍵步驟，大大提高了產(chǎn)物產(chǎn)率；通過基因重組技術(shù)改變微生物鍵步驟，大大提高了產(chǎn)物產(chǎn)率；通過基因重組技術(shù)改變微生物的代謝途徑，還生產(chǎn)出傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)無法獲得的新產(chǎn)品。的代謝途徑，還生產(chǎn)出傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)無法獲得的新產(chǎn)品。微生物基因組學(xué)和代謝組學(xué)的快速發(fā)展，對代謝工程有極大的微生物基因組學(xué)和代謝組學(xué)的快速發(fā)展，對代謝工程有極大的推動(dòng)作用。大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，為生產(chǎn)化學(xué)品創(chuàng)推動(dòng)作用。大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，為生產(chǎn)化學(xué)品創(chuàng)造了前所未有的特殊機(jī)會(huì)。造了前所未有的特殊機(jī)會(huì)。例如在分析代謝流的基礎(chǔ)上，找到剛性節(jié)點(diǎn)，通過化學(xué)小分子例如在分析代謝流的基礎(chǔ)上，找到剛性節(jié)點(diǎn)，通

39、過化學(xué)小分子調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶，從而可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶，從而可以實(shí)現(xiàn)1，6二磷酸果糖的超量生產(chǎn)。在二磷酸果糖的超量生產(chǎn)。在木素纖維素為原料的燃料酒精工藝中，美國學(xué)者利用基因工程木素纖維素為原料的燃料酒精工藝中，美國學(xué)者利用基因工程手段，將五碳糖產(chǎn)乙醇的代謝途徑和六碳糖產(chǎn)乙醇的代謝途徑手段，將五碳糖產(chǎn)乙醇的代謝途徑和六碳糖產(chǎn)乙醇的代謝途徑整合到一個(gè)微生物中，構(gòu)建出優(yōu)良的產(chǎn)乙醇重組菌（整合到一個(gè)微生物中，構(gòu)建出優(yōu)良的產(chǎn)乙醇重組菌（Zymomonas mobilis），能同時(shí)發(fā)酵利用五碳糖和六碳糖產(chǎn)），能同時(shí)發(fā)酵利用五碳糖和六碳糖產(chǎn)乙醇，大大降低了燃料乙醇的生產(chǎn)成本。乙醇，大大降低了燃料乙醇的生產(chǎn)成本。 基

40、因組基因組 轉(zhuǎn)錄組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)Citrate Cycle代謝組學(xué)代謝組學(xué) 生化反應(yīng)生化反應(yīng)產(chǎn)品產(chǎn)品微生物代謝途徑（生物催化網(wǎng)絡(luò)）微生物代謝途徑（生物催化網(wǎng)絡(luò)） A B C D E F G H I J K L 1 B i o c h e m i c a l P a t h w a y s 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，提供了新的機(jī)遇：大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，提供了新的機(jī)遇： 提升傳統(tǒng)產(chǎn)品的制造水平提升傳統(tǒng)產(chǎn)品的制造水平 新化學(xué)品生產(chǎn)新化學(xué)品生產(chǎn) 工藝路線的變更（資源、能源）工藝路線的變更（資源、能源）代謝網(wǎng)絡(luò)代謝網(wǎng)絡(luò)葡萄糖葡萄糖產(chǎn)物

41、產(chǎn)物 利用基因工程手段，重構(gòu)代謝途徑，抑制代謝支路，增強(qiáng)主利用基因工程手段，重構(gòu)代謝途徑，抑制代謝支路，增強(qiáng)主代謝（產(chǎn)物方向）的代謝流量，從而超量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)物。代謝（產(chǎn)物方向）的代謝流量，從而超量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)物。GlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes (for detergents)ByproductsCO2Exploit the chemistry of living cellsExploit the chemistry of living cellsGlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsu

42、lineEnzymes (for detergents)ByproductsCO2GlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes (for detergents)ByproductsCO2Exploit the chemistry of living cellsExploit the chemistry of living cells微生物代謝工程（組合生物催化）微生物代謝工程（組合生物催化）4）生物反應(yīng)器工程與過程放大）生物反應(yīng)器工程與過程放大25L氣升式發(fā)酵罐500L發(fā)酵罐5）生物分離技術(shù)）生物分離技術(shù)蛋白快速純化系統(tǒng)膜分離裝備模擬移動(dòng)床色譜分離系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)生物反應(yīng)單元分離單元多功能、模塊化、組合集成式生物制造技術(shù)平臺(tái)四、工業(yè)生物技術(shù)的未來