工業(yè)生物技術(shù)與生物煉制

工業(yè)生物技術(shù)與生物煉制

姜岷Email:jiangmin@

南京工業(yè)大學(xué)制藥與生物工程學(xué)院

Historyofbiotech.

生物技術(shù)的發(fā)展史

經(jīng)驗生物技術(shù)時期：天然發(fā)酵階段（混合發(fā)酵）

近代生物技術(shù)建立時期：純種培養(yǎng)、通風(fēng)攪拌發(fā)酵技術(shù)中國有著悠久的生物技術(shù)應(yīng)用的歷史早期的作坊式生物技術(shù)代表：夏朝釀酒商朝制醬周朝釀醋

現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志——

青霉素深層發(fā)酵

1928年，弗萊明爵士發(fā)現(xiàn)青霉素

1944年，輝瑞公司開發(fā)了青霉素大規(guī)模液體深層發(fā)酵標(biāo)志工業(yè)化生物技術(shù)的誕生醫(yī)藥生物技術(shù)人類基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)動植物基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)

工業(yè)生物技術(shù)微生物基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)推動推動推動拉動人口健康食品資源能源環(huán)境拉動拉動科學(xué)技術(shù)社會需求RedBiotechnologyGreenBiotechnologyWhiteBiotechnology現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展歷程醫(yī)藥生物技術(shù)現(xiàn)代生物制藥發(fā)展包括兩個方向：“采用基因工程的加工技術(shù)來生產(chǎn)蛋白質(zhì)”和“將基因和分子生物學(xué)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)作為研究工具”。前一類藥品仍將是未來5-10年生物技術(shù)藥品市場的主流，后一類藥品代表著生物技術(shù)行業(yè)的研發(fā)方向，主要指靶向性藥物，包括治療型單抗和治療型疫苗領(lǐng)域。抗生素：青霉素等生物法制備的藥物及其衍生藥物農(nóng)業(yè)生物技術(shù)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)是指運(yùn)用基因工程、發(fā)酵工程、細(xì)胞工程、酶工程以及分子育種等生物技術(shù)，改良動植物及微生物品種生產(chǎn)性狀、培育動植物及微生物新品種、生產(chǎn)生物農(nóng)藥、獸藥與疫苗的新技術(shù)。Industrialbiotechnology

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，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段。

依賴化石資源的工業(yè)文明利用不可再生的化石資源，集中的生產(chǎn)方式，高的生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財富，豐富人類的物質(zhì)社會，創(chuàng)造了當(dāng)今繁華盛世。工業(yè)文明在科學(xué)技術(shù)上取得巨大的進(jìn)步，是未來人類物質(zhì)文明的科技基礎(chǔ)?；诨Y源的工業(yè)文明的巨大成就化石經(jīng)濟(jì)，付出了巨大的環(huán)境代價（白色污染、水污染、空氣污染、臭氧層空洞、全球變暖等）工業(yè)文明的惡果：環(huán)境污染文明的困惑：資源能源短缺化石資源的替代？資源危機(jī)能源危機(jī)環(huán)境危機(jī)化石經(jīng)濟(jì)化石經(jīng)濟(jì)發(fā)展工業(yè)生物技術(shù)，尋求化石資源的替代已經(jīng)成為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向。社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)古生命體是今天化石能源的來源煤炭石油天然氣植物藻類動物

今天的煤、石油、天然氣是遠(yuǎn)古時動植物、藻類死后沉積后經(jīng)過億萬年物理化學(xué)變化形成的。遠(yuǎn)古生命體是生物固定CO2的產(chǎn)物早期地球，CO2占空氣量的80%，氧氣不多，溫度達(dá)460oC溫室效應(yīng)嚴(yán)重當(dāng)今地球，藍(lán)色星球擁有防輻射的臭氧層，CO2占空氣量0.038%，氧氣21%植物消除大量CO2海藻今天的藍(lán)色星球，源于生命的拓荒混沌世界生態(tài)樂園溫室氣體排放導(dǎo)致的地球溫室效應(yīng)帶來嚴(yán)重的災(zāi)害性氣候北極冰融化颶風(fēng)肆虐冰災(zāi)突襲干旱頻發(fā)

當(dāng)使用石油與煤炭時，就意味著將遠(yuǎn)古時期埋藏的CO2釋放出來，由于人類超量使用化石資源排放大量溫室氣體，帶來嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致災(zāi)害性氣候頻發(fā)，已造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、絕收，引發(fā)糧食危機(jī)和社會危機(jī)。洪水爆發(fā)荒漠推進(jìn)大氣中CO2濃度導(dǎo)致氣溫上升CO2濃度氣溫

目前，空氣中CO2含量較100年前已提升了35.7%，并導(dǎo)致了約1oC的溫升。氣溫上升1.5oC，20%物種將面臨滅絕。氣溫若升高2oC，海平面則可能上升0.4-1.4米，我國東南沿海部分城市將不復(fù)存在，如上海我國的CO2排放問題已相當(dāng)嚴(yán)峻我國的發(fā)電、鋼鐵、水泥、汽車造成的工業(yè)排放總量已超過美國，居世界第1位，人均已超過世界平均水平，實(shí)際遠(yuǎn)不止這些我國的單位GDP能耗是世界平均水平的3.1倍。比美國高5倍，比日本高8.2倍，甚至比菲律賓還高3.52倍中國單位GDP的二氧化碳排放量是美國的5.5倍，日本的13.8倍，高收入國家平均水平的7.9倍，世界平均水平的4.6倍CO2排放問題將可能引發(fā)政治危機(jī)Carbontariff

面對國際金融危機(jī)的嚴(yán)峻形勢，歐美國家已提出碳關(guān)稅。面臨這一形勢，我國將如何應(yīng)對？低碳經(jīng)濟(jì)：我們必須的選擇與重大機(jī)遇

現(xiàn)代人類活動與化石能源引起的溫室效應(yīng)、干旱、洪災(zāi)、冰川融化…，我們已不能承受

21世紀(jì)末溫升可能超過5oC西方經(jīng)濟(jì)與科技模式的問題低碳：未來經(jīng)濟(jì)的核心，未來科技的特征低碳經(jīng)濟(jì)模式經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的若干問題：能源工業(yè)和材料工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)轉(zhuǎn)型的核心

工業(yè)與經(jīng)濟(jì)核算的模式變更全生命周期的質(zhì)量、能量、成本、效益分析全生命周期的碳排放分析據(jù)估計，全球每年能產(chǎn)生相當(dāng)于650億噸碳的生物質(zhì)，僅需利用小于10%生物質(zhì)資源，即可替代化石資源。生物質(zhì)資源：永不枯竭的金礦產(chǎn)品化學(xué)品和能源植物生物量陽光過去化石資源石油路線現(xiàn)在和將來生物可再生資源生物路線原料和加工路線的變更微生物代謝途徑石油路線生物路線粗原料終產(chǎn)品原料

中間體平臺

化合物衍生

化學(xué)品合成

中間體生物能源精細(xì)化學(xué)品生物基材料微生物工業(yè)制劑大宗化學(xué)品超過GDP約40%的工業(yè)是生物制造發(fā)展的空間生物制造是全球戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)生物高分子材料生物基單體聚合物生物質(zhì)加工材料食品與配料大宗發(fā)酵產(chǎn)品化工醇、酸、溶劑、涂料、表面活性劑抗生素、維生素、有機(jī)酸、氨基酸、酶制劑等甾體激素、手性胺、手性醇、醫(yī)農(nóng)化產(chǎn)品發(fā)酵食品、功能食品、添加劑、功能菌劑等生物冶金、生物造紙、生物制革、生物紡織等菌劑工業(yè)生物技術(shù)是生物質(zhì)資源利用的關(guān)鍵OECD提出：“工業(yè)生物技術(shù)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”。OECD預(yù)測：至2030年，將有35%的化學(xué)品和其它工業(yè)產(chǎn)品來自生物制造工業(yè)39%農(nóng)業(yè)36%醫(yī)藥25%2030年：生物技術(shù)的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)與環(huán)境效益生物制造已顯示出巨大潛力生物制造已經(jīng)成為世界各經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略重點(diǎn)，工業(yè)生物技術(shù)正在育成一場新的產(chǎn)業(yè)革命世界各國在行動，美國《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)的展望》明確將工業(yè)生物制造技術(shù)作為戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域，并列為2020年制造技術(shù)挑戰(zhàn)的11個主要方向之一。

美國：2005年，美國農(nóng)業(yè)部以及能源部的報告均提出了發(fā)展生物基能源和生物基產(chǎn)品，逐步實(shí)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)品和石油燃料的生物基替代。

歐盟：“生物煉制細(xì)胞工廠”關(guān)鍵行動日本：“陽光計劃”印度：“綠色能源工程計劃”1989年，成立了國內(nèi)首家工業(yè)生物技術(shù)研究所1995年，成立國家生化工程技術(shù)研究中心“十一五”期間，提出了利用生物質(zhì)生產(chǎn)大宗化學(xué)品工業(yè)生物技術(shù)列入國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006-2020年)2003年和2006年國家“973”項目立項世界各國共同掀起工業(yè)生物技術(shù)的熱潮生物制造相關(guān)路線圖

美國：生物質(zhì)發(fā)展路線圖美國：GTL路線圖歐洲：21世紀(jì)可持續(xù)化學(xué)工業(yè)路線圖加拿大：基于生物的基礎(chǔ)原料、燃料及工業(yè)產(chǎn)品科技創(chuàng)新路線圖糖平臺

葡萄糖果糖木糖阿拉伯糖高分子材料平臺化合物基礎(chǔ)原料成份分離SGC2C3C5C6C4淀粉半纖維素纖維素蛋白質(zhì)碳水化合物熱化學(xué)平臺合成氣平臺化合物系列生物質(zhì)H2、甲烷混合醇衣康酸乙酰丙酸富馬酸丁二酸天冬氨酸蘋果酸檸檬酸葡萄糖酸山梨醇乳酸、甘油丙烯酸3-羥基丙酸乙醇、乙烯微生物現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)體系木質(zhì)素油脂生物質(zhì)能源現(xiàn)狀

生物質(zhì)能是優(yōu)質(zhì)的可再生能源：生物質(zhì)合成是地球上最大的CO2固定途徑

生物通過光合作用固定CO2制造生物質(zhì)為我們提供了可觀的能源來源CO2陸生植物1100億噸生物質(zhì)海洋藻類600億噸生物質(zhì)固定1600億噸CO2固定880億噸CO2光合作用產(chǎn)生大量O2改善大氣環(huán)境生物質(zhì)能是相對穩(wěn)定的再生能源

溫室效應(yīng)帶來其他可再生能源的不確定性，如水電，而生物質(zhì)能源來源可能增加第一代生物質(zhì)能：燃料乙醇美國：玉米，占全球52%，產(chǎn)值約200億美元（大量）巴西：甘蔗，車用燃料主體（大量）中國：糧食安全、耕地、水資源（少量，難以普及）秸稈生產(chǎn)纖維素乙醇（第二代）的困境目前纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的成本依然是主要障礙自然界沒有能利用木糖產(chǎn)生乙醇的微生物構(gòu)建的同時利用木糖和葡萄糖產(chǎn)酒精的工程菌依然還不是很成熟纖維素酶2000元/噸產(chǎn)品，補(bǔ)貼近3000元/噸產(chǎn)品木糖葡萄糖乙醇第一代生物質(zhì)能：生物柴油中國：利用廢棄油脂、非食用油脂資源（少量，難以普及）各國國情不同歐洲：菜籽美國：大豆南美：棕櫚油（大量）生物柴油B10率先商業(yè)化推廣常州市新北區(qū)60輛環(huán)衛(wèi)車輛使用B10常州卡特新能源的B100已公路試驗2年，即將商業(yè)推廣種植萬畝蓖麻，開發(fā)新型植物基潤滑油、增塑劑、聚氨酯等生物可降解材料廢棄油脂生物柴油利用邊際土地和沿海灘涂的潛力不小中國生物質(zhì)能源之路：利用低劣生物質(zhì)積極穩(wěn)妥推廣生物燃油和生物燃?xì)饧鞍l(fā)電戰(zhàn)略應(yīng)該是分步走臺階式的積極戰(zhàn)略：基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究大力發(fā)展利用沿海優(yōu)勢和能源作物大力發(fā)展低劣生物質(zhì)利用中國有農(nóng)作物秸稈、廢棄林木和生物煉制加工剩余物的木質(zhì)纖維等材料7億噸我國每年會產(chǎn)生極其可觀的低劣生物質(zhì)種類年產(chǎn)生量（億噸）城市生活垃圾1.55養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞便11.4農(nóng)村家庭生活垃圾2.5農(nóng)作物秸稈7林木剩余物3農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物1能源作物副產(chǎn)物2.6水生植物2.6污水處理廠剩余污泥2城市生活污水260目前中國低劣生物質(zhì)利用概況

生活固體垃圾填埋，產(chǎn)生的甲烷排放問題秸稈大量焚燒產(chǎn)生氣體污染與大規(guī)模還田可能引發(fā)的甲烷排放問題大量糞便（14億人口；約占世界一半的養(yǎng)殖業(yè)糞便）排放江河，少量被城市污水站曝氣處理，消耗大量能源，排放CO2我國低劣生物質(zhì)利用的特點(diǎn)資源高度分散

我國小城鎮(zhèn)和農(nóng)村及農(nóng)業(yè)污染占污染總量的90%以上；全國4.1萬鄉(xiāng)鎮(zhèn)、69萬行政村。收集、運(yùn)輸過程導(dǎo)致集中傳統(tǒng)處理成本高昂。適合采用生物轉(zhuǎn)化糞便、生物垃圾中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、COD含量極高，只能采用生物轉(zhuǎn)化處理。

農(nóng)業(yè)秸稈糖化難度大；秸稈還田→產(chǎn)生大量沼氣→毒害土壤和作物秸稈→燃料→硫化物、溫室氣體→污染空氣秸稈→堆漚腐熟→轉(zhuǎn)化生物甲烷，難度較小。低劣生物質(zhì)利用——同時解決水污染和水資源問題生物質(zhì)能量耗散排放CO2環(huán)境污染水體富營養(yǎng)化不利用利用清潔能源無CO2凈排放極大地降低水污染最大的節(jié)能減排

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)：采用我校江浦校區(qū)植物秸稈、人糞尿、餐余垃圾等作為厭氧發(fā)酵原料，采用全混合、中溫厭氧消化工藝

設(shè)計規(guī)模：日處理約量30噸，物料TS約為5%，可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)生物甲烷200m3生物甲烷示范工程生物甲烷示范工程裝置系統(tǒng)厭氧反應(yīng)器儲氣柜脫硫塔沼渣過濾沼氣燃燒發(fā)電機(jī)組抽糞車粉碎堆漚先進(jìn)生物甲烷凈化裝置通過利用先進(jìn)生物燃?xì)饧淄榧夹g(shù)，將生物甲烷提升至甲烷含量>97%，達(dá)到民用天然氣標(biāo)準(zhǔn)生物甲烷試驗車?yán)玫土由镔|(zhì)生產(chǎn)生物燃?xì)釩H4發(fā)酵殘渣（腐殖質(zhì)）土壤改良有機(jī)廢棄物農(nóng)業(yè)生物質(zhì)動植物氫氣發(fā)酵H2甲烷發(fā)酵生物燃?xì)?/p>

利用低劣生物質(zhì)，經(jīng)兩階段厭氧發(fā)酵生產(chǎn)生物甲烷，可在提高理論能量回收率至99%的同時加快反應(yīng)速度，效率高。若將我國的低劣生物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為生物甲烷，可年減排CO2約25億噸

產(chǎn)氣池腐熟井生物燃?xì)鈱r(nóng)村低劣生物質(zhì)利用的設(shè)想

液化沼液沼渣還田

氣化

燃?xì)饪偣?、集中收?/p>

通過各村鎮(zhèn)建設(shè)低劣生物質(zhì)資源化處理系統(tǒng)，就地轉(zhuǎn)化秸稈、糞便等為生物燃?xì)?，剩余物就地利用。提高能源和資源的利用率，降低成本秸桿等糞便、生活污水對農(nóng)村低劣生物質(zhì)利用的設(shè)想

通過管道運(yùn)輸，集中收集燃?xì)庥糜诠峄虬l(fā)電，達(dá)到能量的集中使用與城鄉(xiāng)一體的目標(biāo)鄉(xiāng)鎮(zhèn)

城市生物甲烷的應(yīng)用十分廣泛

直接用于燃料，熱值高，污染極小用于生產(chǎn)合成氣，進(jìn)一步生產(chǎn)甲醇和乙醇等多種能源與化學(xué)品我國低劣生物質(zhì)資源用于生物燃?xì)馍a(chǎn)年所產(chǎn)生的能源量相當(dāng)于3－5億噸標(biāo)煤甲烷經(jīng)濟(jì)：現(xiàn)實(shí)和未來結(jié)合的模式煤炭天然氣糞便甲烷氣體儲存工廠電廠居民生活汽車秸稈甲烷經(jīng)濟(jì)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，美國啟動了微型曼哈頓計劃，預(yù)計到2010年實(shí)現(xiàn)藻類產(chǎn)油工業(yè)化，達(dá)到每天產(chǎn)油百萬桶的目標(biāo)。微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高反應(yīng)物濃度更高產(chǎn)物濃度更低1L空氣中含有約5.9×10-4gCO21L水中含有約1.7gCO21L空氣中含有約0.3gO2近3000倍1L水中含有約0.008gO21/40光照幾率更多微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高折射衍射水散射

由于水對光具有折射、衍射、散射等效應(yīng)，使得微藻所有表面都有可能受光照，然后陸生植物只有向光面才有可能受光照。等量樹葉比表面積:10-3m2微藻比表面積:1.3×103m2

相同質(zhì)量的微藻比表面積是樹葉的1.3×106倍，比表面積越大，受光面積越大，越有利于光合作用。

比表面積更大微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高1g干物質(zhì)微藻具有高效的產(chǎn)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油橄欖(Olives)1,0191,212蓖麻籽(Castorbeans)1,1881,413麻瘋樹(Jatropha)1,5901,892椰子(Coconut)2,2602,689