中國生物質(zhì)加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

1、 生物工程（技術(shù)）的定義生物工程（技術(shù)）的定義生物工程（技術(shù)）是指運用現(xiàn)代生物科學(xué)生物工程（技術(shù)）是指運用現(xiàn)代生物科學(xué)、工程學(xué)和其他基礎(chǔ)學(xué)科的知識，按照預(yù)、工程學(xué)和其他基礎(chǔ)學(xué)科的知識，按照預(yù)先的設(shè)計，對生物進行控制和改造或模擬先的設(shè)計，對生物進行控制和改造或模擬生物及其功能，用來發(fā)展商業(yè)性加工、產(chǎn)生物及其功能，用來發(fā)展商業(yè)性加工、產(chǎn)品生產(chǎn)和社會服務(wù)的新興技術(shù)領(lǐng)域。品生產(chǎn)和社會服務(wù)的新興技術(shù)領(lǐng)域。生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有機物，它的生成過程如下機物，它的生成過程如下CO2+H2O+太陽能太陽能-（CH2O）+O2生物質(zhì)的具體種類生物質(zhì)的具體種類:植物類中最主

2、要也是我們經(jīng)常見到的有植物類中最主要也是我們經(jīng)常見到的有木木材材、農(nóng)作物（秸稈、稻草、麥稈、豆稈、農(nóng)作物（秸稈、稻草、麥稈、豆稈、棉棉花花稈、谷殼等）、雜草、藻類稈、谷殼等）、雜草、藻類等。等。非植物類中主要有非植物類中主要有動物糞動物糞便、動物尸體、廢水中的有便、動物尸體、廢水中的有機成分、垃圾中的有機成分機成分、垃圾中的有機成分等。等。生物質(zhì)是太陽能最主要的吸收器和儲存器。太陽能照射生物質(zhì)是太陽能最主要的吸收器和儲存器。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

3、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，儲存在有機物中，這些能量是人類發(fā)展所需集起來，儲存在有機物中，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

4、產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)木質(zhì)纖維素的成份木質(zhì)纖維素的成份木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量的可溶木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量的可溶性固形物組成。性固形物組成。(C6H10O5)n+nH2OnC6H10O6纖維素葡萄糖纖維素葡萄糖(C5H8O4)n+nH2OnC5H10O5半纖維素戊糖（木糖為主）半纖維素戊糖（木糖為主）3木質(zhì)素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構(gòu)成的高分子木質(zhì)素是以苯丙烷及其衍生物為基本單位構(gòu)成的高分子芳香族化合物，是一種酚類聚合物，起膠質(zhì)的作用，將纖維芳香族化合物，是一種酚類聚合物，起膠質(zhì)的作用，將纖維素和半纖維素連接在一起。素和半纖維素連接在一起。生物加工早期地球早期地

5、球今日地球今日地球原始地球大氣的主要成份是水汽、二氧化碳、氮、甲烷和氨今天的地球是一個由大氣圈、水圈及生物圈構(gòu)成的、各種生命形式和諧共存的藍色星球地球進化地球進化人類活動需求的基本物質(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步

6、推動了人類文明的進步。 人類物質(zhì)文明的重要基礎(chǔ)一直是圍繞著人類物質(zhì)文明的重要基礎(chǔ)一直是圍繞著生物質(zhì)的生產(chǎn)與獲得！生物質(zhì)的生產(chǎn)與獲得！依賴化石資源的工業(yè)文明只是人類文明歷史的一幕。人類走向生物經(jīng)濟時代是一種歷史的回歸，也是人類物質(zhì)文明走向可持續(xù)發(fā)展的一種進步。工業(yè)文明的巨大成就工業(yè)文明的巨大成就n 工業(yè)文明使用高度工業(yè)文明使用高度“濃縮濃縮”的化石資源，集中的化石資源，集中的生產(chǎn)方式，帶來生產(chǎn)效率的大大提高，創(chuàng)造的生產(chǎn)方式，帶來生產(chǎn)效率的大大提高，創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財富，滿足了人類社會不斷增長了大量的物質(zhì)財富，滿足了人類社會不斷增長的物質(zhì)需求，促進了人類社會的發(fā)展和人類文的物質(zhì)需求，促進了人類社會

7、的發(fā)展和人類文明的進步。明的進步。n 工業(yè)文明在科學(xué)技術(shù)上取得巨大的進步，是未工業(yè)文明在科學(xué)技術(shù)上取得巨大的進步，是未來人類物質(zhì)文明的科技基礎(chǔ)。來人類物質(zhì)文明的科技基礎(chǔ)?；Y源日益匱乏: 石油: 50100 年 煤炭: 2030年 天然氣天然氣: 75 120年化石資源為基礎(chǔ)的工業(yè)文明化石資源為基礎(chǔ)的工業(yè)文明將面臨著嚴重的資源危機將面臨著嚴重的資源危機文明危機：石油戰(zhàn)爭、資源爭奪文明危機：石油戰(zhàn)爭、資源爭奪資源：外交政策和國家安全資源：外交政策和國家安全年年1900210020002020205017億人口億人口1970（forecast）增長的增長的極限 （Club of Rome, 19

8、72）生長極限生長極限 資源資源人均食品產(chǎn)量人均食品產(chǎn)量 人均工業(yè)品產(chǎn)量人均工業(yè)品產(chǎn)量 人口人口 環(huán)境污染環(huán)境污染文明沖突文明沖突100億人口億人口 61億人口億人口外來能量驅(qū)動下封閉系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)機理外來能量驅(qū)動下封閉系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)機理輸入能量輸出能量封閉系統(tǒng)與環(huán)境無物質(zhì)交換物質(zhì)物質(zhì)循環(huán)循環(huán)系統(tǒng)可持續(xù)原理系統(tǒng)可持續(xù)原理熱力學(xué)定律人類物質(zhì)文明可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)人類物質(zhì)文明可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)H2O CO2有機物有機物光合作用光合作用食物鏈食物鏈太陽能太陽能生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)可持續(xù)95 billion ton C可再生生物質(zhì)資源可再生生物質(zhì)資源 新文明的基礎(chǔ)新文明的基礎(chǔ)光合作用產(chǎn)生的光合作

9、用產(chǎn)生的生物質(zhì)循環(huán)生物質(zhì)循環(huán)目前世界目前世界化石燃料消耗化石燃料消耗與化石燃料無關(guān)，與化石燃料無關(guān)，僅需使用小于僅需使用小于 10% 10% 生物質(zhì)循環(huán)生物質(zhì)循環(huán)950億億噸噸 C65 億噸億噸 C新文明支柱新文明支柱工業(yè)生物技術(shù)的特點工業(yè)生物技術(shù)的特點（2）與現(xiàn)代工業(yè)文明充分接軌）與現(xiàn)代工業(yè)文明充分接軌 工業(yè)生物技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)組合，特別是和以化石原料為基礎(chǔ)的化工技術(shù)的組合，可以迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。例如乙烯。 （1）工業(yè)生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的聯(lián)盟）工業(yè)生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的聯(lián)盟 （簡稱（簡稱“工農(nóng)聯(lián)盟工農(nóng)聯(lián)盟” 以生物質(zhì)為原料大規(guī)模生產(chǎn)化學(xué)品，提供能源、材料、食品，從而構(gòu)成人類新文明的物

10、質(zhì)基礎(chǔ)。這也是人類文明發(fā)展的歷史回歸。（3）工業(yè)加工方式的一場重大革命）工業(yè)加工方式的一場重大革命 從資源集中的加工方式轉(zhuǎn)為利用分散的生物資源。特別是微生物其特有的生長迅速、擴散快、培養(yǎng)成本低等特點非常適應(yīng)于利用分散的生物資源。擁有擁有1414億人口的中國是一個能源需求大國億人口的中國是一個能源需求大國2003年我國年我國GDP增長率達到增長率達到9.1%，汽煤柴油，汽煤柴油表觀消費量為表觀消費量為1.34億噸，比上年增長億噸，比上年增長7.2%。19902003年國內(nèi)汽煤柴表觀消費量年均增長年國內(nèi)汽煤柴表觀消費量年均增長7.9%，其中汽油消費年均增長，其中汽油消費年均增長5.7%，煤油消費，

11、煤油消費年均增長年均增長7.9%，柴油消費年均增長，柴油消費年均增長9.2%。國內(nèi)汽煤柴油的需求：國內(nèi)汽煤柴油的需求：2005年為年為14260萬噸，萬噸，2010年為年為17360萬噸，萬噸，2020年為年為22500萬噸萬噸工業(yè)原料的代表：乙烯及其衍生物的需求不斷上漲工業(yè)原料的代表：乙烯及其衍生物的需求不斷上漲產(chǎn)量（產(chǎn)量（萬噸）萬噸）2003年年2005年年2010年年2020年年乙烯乙烯1620190026004000苯苯220285390600合成樹脂合成樹脂1652207236305290合成纖維合成纖維1089136624003480合成橡膠合成橡膠135169297432合計合計

12、47165792697713802石油既是全球的能源基礎(chǔ)，又是重要的化工資源4500萬噸石腦油萬噸石腦油1500萬噸燃料油萬噸燃料油1500萬噸乙烯萬噸乙烯+=石油價格上漲石油價格上漲! 大宗化學(xué)品價格猛漲大宗化學(xué)品價格猛漲!下游制造企業(yè)和相關(guān)聯(lián)公司面臨嚴峻的運行危機。下游制造企業(yè)和相關(guān)聯(lián)公司面臨嚴峻的運行危機。 中國是一個化石資源匱乏的國家中國是一個化石資源匱乏的國家 中國的煤炭、油氣資源十分有限。我國已探中國的煤炭、油氣資源十分有限。我國已探明的石油可開采儲量約為明的石油可開采儲量約為62億噸，現(xiàn)已累計開采億噸，現(xiàn)已累計開采34.6億噸，僅剩余億噸，僅剩余27.4億噸，可供開采億噸，可供開

13、采17年。煤年。煤炭可采儲量約為炭可采儲量約為1000億噸，可供開采約億噸，可供開采約50年。年。石油短缺形勢加劇石油開采成本的增加石油精煉有機化學(xué)有機化學(xué) 增加功能基增加功能基化學(xué)過程化學(xué)過程 多步多步 溶劑溶劑, 催化劑催化劑 能量能量 石油工業(yè)石油工業(yè)石油石油石腦油石腦油石油化學(xué)石油化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)品關(guān)鍵關(guān)鍵化合物化合物乙烯乙烯 丙烯丙烯苯苯 化學(xué)產(chǎn)品化學(xué)產(chǎn)品生物有機化學(xué)生物有機化學(xué)新化學(xué)工業(yè)過程新化學(xué)工業(yè)過程消除或重排消除或重排功能基功能基生物質(zhì)化學(xué)工業(yè)生物質(zhì)化學(xué)工業(yè)CO2太陽能太陽能H2O CO2OHOHOOHOHOH關(guān)鍵關(guān)鍵化合物化合物D-葡萄糖葡萄糖可持續(xù)可持續(xù)社會社會短缺短缺燃料燃料

14、分解分解 n 隨著石油價格的上漲和工業(yè)生物技術(shù)的進步，隨著石油價格的上漲和工業(yè)生物技術(shù)的進步，石油石油加工化學(xué)品加工化學(xué)品的的生產(chǎn)路線生產(chǎn)路線將被將被生物質(zhì)加工生產(chǎn)化學(xué)品生物質(zhì)加工生產(chǎn)化學(xué)品路線所路線所取代。石油化工原料的取代。石油化工原料的生物替代技術(shù)生物替代技術(shù)作為一作為一種戰(zhàn)略先導(dǎo)技術(shù)，在支撐新世紀社會進步與經(jīng)濟發(fā)種戰(zhàn)略先導(dǎo)技術(shù)，在支撐新世紀社會進步與經(jīng)濟發(fā)展的技術(shù)體系中的地位已經(jīng)被提到空前的戰(zhàn)略高度展的技術(shù)體系中的地位已經(jīng)被提到空前的戰(zhàn)略高度歐美日歐美日已不同程度的制定出在今后幾十年內(nèi)用生物已不同程度的制定出在今后幾十年內(nèi)用生物過程取代化學(xué)過程的戰(zhàn)略計劃。過程取代化學(xué)過程的戰(zhàn)略計劃。n

15、 到到20202020年，將有年，將有50%50%的有機化學(xué)品和材料將產(chǎn)自的有機化學(xué)品和材料將產(chǎn)自生物生物質(zhì)原料質(zhì)原料，而工業(yè)生物技術(shù)將起核心作用。世界歷史，而工業(yè)生物技術(shù)將起核心作用。世界歷史正在發(fā)生一場偉大的變革，即由工業(yè)革命轉(zhuǎn)變?yōu)檎诎l(fā)生一場偉大的變革，即由工業(yè)革命轉(zhuǎn)變?yōu)樯锛夹g(shù)革命物技術(shù)革命。石油的生物替代技術(shù)的重要性石油的生物替代技術(shù)的重要性化學(xué)制造化石資源化石資源化學(xué)化學(xué)催化劑催化劑基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)（含化工、醫(yī)藥、石化、食品、材料和能源等）（含化工、醫(yī)藥、石化、食品、材料和能源等）生物制造生物生物催化劑催化劑生物質(zhì)資源生物質(zhì)資源物質(zhì)加工方式的變革物質(zhì)加工方式的變革傳統(tǒng)

16、加工方式傳統(tǒng)加工方式新一代加工方式新一代加工方式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

17、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H2OCu2+ 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 CuCu2+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

18、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。生物催化的特點生物催化的特點 催化效率的高效性，可以簡化流程，實現(xiàn)過程催化效率的高效性，可以簡化流程，實現(xiàn)過程高效。（物耗低）高效。（物耗低） 優(yōu)異手性催化選擇性，優(yōu)異手性催化選擇性，在在制藥工業(yè)中有重要作制藥工業(yè)中有重要作用。（原子經(jīng)濟性高）用。（原子經(jīng)濟性高） 反應(yīng)溫和（能耗低），反應(yīng)溫和（能耗低），環(huán)境友好（污染?。?。環(huán)境友好（污染?。?。n 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資源豐富的國家，每年輻射總量在3.31038.4106 kJ/m2之間。我國陸地面積每年接受的太陽能相之間。我國

19、陸地面積每年接受的太陽能相當于當于2.4104億噸標準煤。億噸標準煤。n 如果將中國如果將中國8的土地覆蓋上高能作物，達到世界平均水平的土地覆蓋上高能作物，達到世界平均水平的森林覆蓋面積，按光合效能的森林覆蓋面積，按光合效能6.6計算，相當于產(chǎn)生計算，相當于產(chǎn)生126億億噸標準煤。噸標準煤。 隨著隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)數(shù)量將更大。生物技術(shù)的發(fā)展，生物質(zhì)數(shù)量將更大。n 發(fā)展發(fā)展工業(yè)生物催化技術(shù)工業(yè)生物催化技術(shù)，實現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用，中，實現(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。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）原料路線變更中國生物質(zhì)可利用的

20、數(shù)量中國生物質(zhì)可利用的數(shù)量工業(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)鍵生物質(zhì)加工產(chǎn)業(yè)的主要形式生物質(zhì)加工產(chǎn)業(yè)的主要形式1）生物能源）生物能源2）生物材料）生物材料3）生物基大宗化學(xué)品和化工原料）生物基大宗化學(xué)品和化工原料幾種可再生能源的比較幾種可再生能源的比較生物能源的前景生物能源的前景資源量資源量資源形式資源形式能量品位能量品位生物質(zhì)能生物質(zhì)能大大相對集中，可儲藏相對集中，可儲藏較高較高光伏發(fā)電光伏發(fā)電大大分散，周期性分散，周期性低低水能水能少少集中集中高高風能風能少少隨機性強隨機性強較高較高 生物質(zhì)能源是重要的可再生能源形式之一，生物質(zhì)是人類未來有機材料的主要來源，

21、工業(yè)生物催化技術(shù)無可替代，具有良好的發(fā)展前景。生物能源產(chǎn)業(yè)生物能源產(chǎn)業(yè)1）燃料乙醇）燃料乙醇2）生物柴油）生物柴油3）沼氣）沼氣4）生物制氫）生物制氫平臺化合物在生物質(zhì)化工中具有重要作用平臺化合物在生物質(zhì)化工中具有重要作用三、生物質(zhì)加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)三、生物質(zhì)加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)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)動植物基因組學(xué)動植物基因組學(xué)及相關(guān)科學(xué)及相關(guān)科學(xué)工業(yè)生物技術(shù)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

22、大。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)科學(xué)技術(shù)技術(shù)社會需求社會需求Red BiotechnologyGreen BiotechnologyWhite Biotechnology微生物是生物圈的基礎(chǔ)，控制地球的生物化學(xué)循環(huán)，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。影響土壤的生產(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行能源生產(chǎn)。源。因此利用微生物可以進行能源生產(chǎn)。 微生物能夠

23、適應(yīng)環(huán)境的多樣性，減輕環(huán)境的威脅，微生物能夠適應(yīng)環(huán)境的多樣性，減輕環(huán)境的威脅，如極端如極端pH值、溫度和鹽度。因此利用微生物可以在工值、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。業(yè)環(huán)境中大規(guī)模催化生產(chǎn)化學(xué)品。 微生物能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的生物化學(xué)功能來催化降解廢微生物能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的生物化學(xué)功能來催化降解廢物和環(huán)境毒物。因此利用微生物可以進行環(huán)境修復(fù)。物和環(huán)境毒物。因此利用微生物可以進行環(huán)境修復(fù)。工業(yè)生物催化技術(shù)的基礎(chǔ)工業(yè)生物催化技術(shù)的基礎(chǔ)工業(yè)微生物工業(yè)微生物 微生物物種巨大的微生物物種巨大的多樣性多樣性及其及其基因基因改造的巨大潛力改造的巨大潛力，將其與精妙現(xiàn)代，將其與精妙現(xiàn)代工

24、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遇，工業(yè)生物催化技術(shù)的發(fā)巨大機遇，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。利用極端微生物的獨特基因資源，從而發(fā)現(xiàn)一些具有工業(yè)應(yīng)用價值的新酶。極端微生物強堿強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運動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力學(xué)計算輸出藥物分子模型酶與底物反應(yīng)機理蛋白質(zhì)改造信息蛋白質(zhì)結(jié)

25、構(gòu)測試數(shù)據(jù)From Data to Discovery生物催化劑快速定向進化技術(shù)生物催化劑快速定向進化技術(shù) 在試管中數(shù)周之內(nèi)可完成數(shù)萬年的自然進化過程，提高酶活幾倍到幾萬倍。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二維電泳蛋白質(zhì)表達差譜的研究技術(shù)。二維電泳蛋白質(zhì)表達差譜的研究技術(shù)。建立酶的高效分離純化平臺。建立酶的高效分離純化平臺。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)

26、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)進行生物催化反應(yīng)Cell工廠工廠基因組基因組 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)CitrateCycle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，提供了新的機遇：大量新生物化學(xué)合成途徑的解析，提供了新的機遇： 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

27、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，增強主利用基因工程手段，重構(gòu)代謝途徑，抑制代謝支路，增強主代謝（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

28、 of living cellsGlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes (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）生物反應(yīng)器工程與過程放大生物反應(yīng)器工程與過程

29、放大25L氣升式發(fā)酵罐500L發(fā)酵罐生物分離技術(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床色譜分離系統(tǒng)工業(yè)試驗平臺工業(yè)試驗平臺生物反應(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)平臺四、生物質(zhì)加工的重大產(chǎn)品工程四、生物質(zhì)加工的重大產(chǎn)品工程生物質(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平臺化合物，也是最重要的生物能源之一生物乙醇是最生物乙醇是最重要重要C2平臺化合物平臺化合物乙醇

30、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，其在經(jīng)濟性上不太合理。更適宜用于制造其他純物質(zhì)如生物乙烯等 。 目前乙醇目前乙醇作為燃料作為燃料，政府必，政府必須補貼。須補貼。100001000026662666434043400 02000200040004000600060008000800010000100001200012000生物質(zhì)加工乙生物質(zhì)加工乙醇，生產(chǎn)生物醇，生產(chǎn)生物乙烯已具備產(chǎn)乙烯已具備產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化條業(yè)化商業(yè)化條件，并與新建件，并與新建石腦油乙烯裝石腦油乙烯裝置競爭。（中置競爭。（中東乙烷乙烯除東

31、乙烷乙烯除外）外）補貼乙醇成本乙醇燃料價值贏余2666乙烯及衍生物價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)乙烯的滿足率平均不到50，需要大量進口。 1噸乙烯需要3 噸石腦油，且消耗1噸標油。巨大的市場需求和經(jīng)濟可行性為生物乙烯巨大的市場需求和經(jīng)濟可行性為生物乙烯的產(chǎn)業(yè)化提供了巨大的動力。的產(chǎn)業(yè)化提供了巨大的動力

32、。 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，用于生年生物乙烯的工業(yè)裝置，用于生產(chǎn)產(chǎn)3 3萬噸萬噸/ /年環(huán)氧乙烷，經(jīng)濟效益良好。年環(huán)氧乙烷，經(jīng)濟效益良好。 印度、巴西等國已有印度、巴西等國已有40萬噸生物乙烯生產(chǎn)規(guī)模。萬噸生物乙烯生產(chǎn)規(guī)模。 中東乙烯中東乙烯乙醇（運輸）乙醇（運輸）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 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

33、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)乙醇的原料主要為目前用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的原料主要為淀粉質(zhì)原料（淀粉質(zhì)原料（80%80%）糖蜜原料（糖蜜原料（1010）。）。 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)化率已達藝成熟穩(wěn)定，技術(shù)可行，糖轉(zhuǎn)化率已達92929696的水平。的水平。 但是糧食類淀粉質(zhì)原料，如玉米等價格較高，達到但是糧食類淀粉質(zhì)原料，如玉米等價格較高，達到14

34、001400元元/ /噸，使得乙醇的生產(chǎn)成本較高。噸，使得乙醇的生產(chǎn)成本較高。1 1）低成本的發(fā)酵糖（原料）制備高技術(shù)）低成本的發(fā)酵糖（原料）制備高技術(shù)n 低成本原料的生物乙醇工藝路線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平臺化合物平臺化合物乳酸乳酸酯聚乳酸

35、糖丙烯酸丙烯酸催化脫水發(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，實際轉(zhuǎn)化率可以達到9598。乳酸及乳酸甲酯脫水生成丙烯酸（甲酯）轉(zhuǎn)化率達88%，但是尚未工業(yè)。乳酸丙烯酸丙烯酸丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯丙烯酰胺丙烯酰胺3羥基丙酸羥基丙酸丙烯腈丙烯腈1,3-丙二醇丙二醇3羥基丙酸乙酯羥基丙酸乙酯丙二酸丙二酸丙醇酸內(nèi)酯丙醇酸內(nèi)酯甘油甘油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丙二醇的代謝途徑C3平臺化合物丁醇、丁二酸、丁二醇、富馬酸等是重要的C4平臺化合物