生物制造国内外状况

生物制造国内外状况 2010年6月 陈坚 提纲 产业现状与问题产业面临的形势发展思路与发展目标主要任务政策措施建议 一 产业现状与问题 生物制造是绿色 低碳 可持续的经济发展模式 生物制造是利用 生物的机能 生产燃料 材料和化学品的加工方式 具有高效 清洁 可再生等特点 生物质废弃物 原料 产品 生物转化 材料 化学品 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 大宗化学品 石油炼制 生物炼制 石油 生物质 天然气 减压 精馏 氧化 氧化 丙烯酸 建筑 纺织 包装目前国内需求55万吨 产值88亿 生物质 生物制造 生物制造的生产模式 实现One Pot反应 缩短石油化学品生产的工艺流程 减少原油资源消耗 降低投资成本 减少污染与CO2排放 裂化 选择性高效性含氧原料手性特征 3 羟基丙酸 石油 资料来自EuropaBio主席SijbesmaF报告 生物制造已显示出巨大潜力 原料降低65 能耗降低65 成本降低50 头孢菌素 原料降低37 能耗降低30 CO2减排63 1 3 丙二醇 OECD对6个发达国家进行分析的结果表明 生物制造技术的应用可以降低工业能耗15 80 原料消耗35 75 空气污染50 90 水污染33 80 生产成本降低9 90 精细化学品 大宗化学品 世界基金委员会预测 到2030年 工业生物技术每年将可降低10亿到25亿吨的二氧化碳排放 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 生物能源 精细化学品 生物基材料 微生物工艺 石油化学品 我国从事生物制造的企业有5000多家 涉及到发酵工业 石油化工 医药化工 精细化工 采矿工业 纺织工业 食品工业 造纸制革等工业 总产值约6000亿 特点 产业领域与规模不断扩大 已经形成国民经济新增长点产业水平不断提高 正在从传统发酵工业向现代生物制造产业转变现代创新能力正在形成 基因技术成为新的技术制高点国际资本 技术与市场的渗透与融合 国际企业本土化 我国生物制造产业现状 微生物制造 产业领域与规模不断扩大 已经形成国民经济新增长点 产业现状 产业趋势 生物工艺正在成熟 生物冶金 生物驱油 生物纺织 生物造纸等正在发展 生物制浆工艺已累计生产纸浆100余万吨 减少氯用量1 2万吨 化学工业过程不断被生物制造过程取代 泛酸 丙烯酰胺 乳链菌肽等占据世界市场50 70 原料消耗 废物排放量等减少50 以上 大宗工业原料正在从石油化工路线转移 乙二醇 丁醇 乙烯等实现生物法制造 生物塑料 生化纤维等新材料生物法生产初具规模 发酵产业规模不断扩大 产值稳步增长 氨基酸 维生素 有机酸等大宗发酵产品规模稳居全球第一 产值超过1000亿元 生物制造技术水平不断提高 正在从传统发酵工业向现代生物制造产业转变 基因工程菌的育成与采用 数字化 智能化 自动化过程控制 新产品不断出现 新技术快速实现产业化 利用基因组规模DNA大片段敲除技术 基因组改组技术 构建了多拉菌素工程菌 30吨大罐发酵单位约1200mg L 达到了工业生产的水平我国抗生素工业第一株自主产权基因工程菌 多拉菌素是新型阿维菌素族中最好的驱虫药该技术长期为国外企业垄断 我国企业无法获得生产菌株 海正药业集团近期开始生产多拉菌素 预计年销售收入6亿元 利税总额1 8亿元 目前已投资9亿元 新发行股票5000万股 多拉菌素基因工程菌 规模生产 红霉素 头孢菌素生产水平大幅提高 红霉素发酵单位达到8 000U mL头孢菌素发酵单位达到40 000U mL形成了抗生素优化技术体系 筛选 改造获得了 氧化酶 氧化酶活性比高的微生物 能将C9 C18的正构烷烃发酵得到相应碳数的长链二元酸 替代化学合成路线山东莱阳瀚林生物项目一期工程已投资7亿元 计划总投资30亿元 将建成世界上产量最大的长链二元酸生产和研发基地 年产能将达到6万吨 预计产值近40亿元 利税约10亿元 长链二元酸生物制造实现产业化 开辟了长链二元酸的新来源 为尼龙工程塑料 热熔胶 涂料和香料等十几大类高档产品的化学合成提供了丰富的原材料 建立生物转化2 2 二甲基环丙甲腈生产 S 2 2 二甲基环丙甲酰胺的生物催化技术路线 有机溶剂使用氯化亚砜 氯仿 二氯甲烷 乙醚 甲醇等 废物5吨 吨产品基本消除 废水2000吨 吨产品下降到300吨以下 吨产品 减少了85 西司他丁钠关键手性中间体 S 2 2 二甲基环丙甲酰胺 生物催化新技术实现产业化 由8步化学合成变为双酶一步法 生物基材料 生物可降解塑料PHB 聚乳酸等实现产业化 并达到世界规模最大 产品出口量大 我国生物制造产业现状 问题 创新能力不足 基因技术能力智能化控制与放大技术生物炼制技术生物催化技术技术集成能力粗原料利用能力 问题 企业规模小 以中小企业为主 龙头企业少信用结构不合理 融资机制不健全企业科技创新能力弱 市场竞争能力弱 利润率低 国际市场开拓能力弱高端人才缺乏 大多重视生物加工过程开发 对生产原料品质改良 产品后续应用技术重视不够在生物材料领域 偏重原料的生产 对材料改性及应用技术重视不足 如PHA PLA等大部分出口供深加工 制约了整个行业的发展 在酶制剂领域 同样偏重单酶品种的生产 缺乏对复合酶和酶制剂工艺的完整技术解决方案的开发 问题 产业链不完整 2004年 新一代工业生物技术 已经列入国家中长期科技规划发展纲要 工业生物技术 公众关注的频率 相对生物农业 温饱 生物医药 健康 而言 缺乏鲜明主题 可持续 清洁 绿色 生物制造涉及领域广泛 缺乏统一的统计数据 社会和政府部门的认知度低 虽然目前生物制造的产值在所有生物技术产业中占到80 左右 却远不如生物农业和生物医药那样得到重视 问题 社会认知度不够 二 产业面临的形势 加快调整经济结构 转变增长方式 节约发展 清洁发展 安全发展 是我国现阶段的历史使命 建立绿色 低碳与可持续的产业经济体系的核心科技具有重大战略意义 我国现代工业化经济进程与能源 资源 环境形势的现实形成了剧烈冲突 到2020年要实现单位GDPCO2减排40 45 的目标 面临巨大压力和特殊困难 资源 环境形势需要新的经济发展模式 化石资源 可再生碳资源 生物燃料 醇 油 气 生物聚合物材料平台化合物 医药化学品手性化学品 燃料 汽煤柴 橡胶 塑料合成纤维三烯三苯 化学药物农药精细化学品 能源与基础化工产品 生物制造是变革经济增长方式的重大需求 能源资源短缺我国原油进口比例已达51 3 气候变化我国CO2排放量已成为全球最大 环境污染我国石化工业每年排放废水达60亿吨 生物制造 大宗化学品精细化学品 在我国工业化进程过度依赖化石资源的模式转变中发挥重大作用 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 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 美国 2020年 实现化学工业的原料 水资源及能量的消耗降低30 污染物排放和污染扩散减少30 2030年替代25 有机化学品和20 石油燃料欧盟 欧洲工业生物技术2025远景规划 期望取得基于生物技术型社会转变的实质性进展 生物能源替代化石能源20 化学品替代10 20 其中化工原料替代6 12 精细化学品替代30 60 工业生物技术已成为各国的战略培育方向 系统生物学 定量生物学飞速发展 生物体的设计改造技术日渐成熟 生物制造的工业模式正在形成 最小基因组细胞工厂 微生物基因组的合成 多基因组工程培育新物种 合成生物学与人工生命合成等重大科技创新 使利用微生物高效合成原来不存在 或者原来制造效率很低的工业产品成为可能 工业生物技术正在催生着重大的科技革命 multiplexgenomeengineering Nature 2009 460 894 898 Genomeengineering Science2009 1173759v1 Long chainalcoholbiosynthesisPNAS 2008 105 20653 国际生物制造技术发展迅猛 正在推动着生物产业体系的变革 工业生物催化技术逐渐成熟 高能耗 高污染的有机合成逐步被绿色可持续的生物合成替代生物炼制技术体系的生化途径不断进步 高分子材料 大宗化工原材料正在从石油原料向生物质原料转变工业微生物分子育种技术不断进步 发酵产业技术水平与竞争力不断提高植物化学药物与保健品的植物提取正在转向生物合成制造 天然药物对珍稀自然资源的依赖和破坏的局面将被扭转绿色生物工艺新技术不断出现 正推动着采矿 轻纺等传统产业节能降耗的革新 大型跨国公司斥巨资用于生物制造技术的研发杜邦公司剥离石油资产 未来3年将向应用生物技术部门投资5亿美元 并将2010年销售额的25 定位于生物质产品欧洲BASF DSM Lonza Degussa和Roche等大型跨国公司已纷纷转向工业生物技术领域 并已有产品投放市场Dowpharma Cambrex和Archimica等精细化工公司 通过收购其他相关公司来大幅度增强其生物制造技术研发能力IBM Microsoft等IT巨头也纷纷涉足生物技术的研究与开发知名生物制造企业抢滩中国市场AmanoEnzyme Codexis BioCatalytics Novozymes Bioverdent纷纷在我国设立以生物制造为核心技术的分支研发机构或工厂 必将对我国新兴生物制造产业形成新一轮的冲击 酶制剂市场1 2为外国企业垄断 诺维信 杰能科 天野公司在国内设厂 国际竞争将更加激烈 应对危机拉动内需增强消费 生物制造 食品安全 防腐剂 香精等添加剂 可降解塑料与限塑令轻纺制品 棉麻 皮革 金融危机启示 国内消费品市场与产业结构调整 酶制剂 80 国内市场被国外公司垄断 酶种单一 生产水平低几倍甚至几十倍 高产酶的野生菌高表达酶的工程菌 产品的市场现状 我国企业技术现状 对技术迫切需求 大宗发酵产品 有机酸 氨基酸 抗生素 产量国际领先 生产菌株水平低20 50 以高资源消耗 高能耗和低人工成本竞争 新的分子育种技术改造工业菌株 新兴生物产业 生物燃料 生物基化学品 生物材料 成为投资热点 有一定的产业基础但不具备新产品的生产技术 利用生物质原料 低成本生产这些产品的菌株 精细化学品和医药化学品与中间体 市场需求大 基本为化学法合成物耗 能耗高 污染重 生物催化转化替代实现节能减排 高污染行业 纺织 造纸 制革 竺麻 采矿 行业覆盖面广消耗大 污染重 开发适用的酶与生物制剂及生物处理技术 我国产业发展需求迫切 三 总体思路与目标 加强高技术创新扩大新兴产业规模加快产业进步完善产业链 清洁高效绿色生化工艺 高能耗高污染的传统化学工艺 能源与化学工业原料石油资源 可再生碳资源与生物质 生物制造产业的粮食原料 非粮原料与废弃物 现代生物制造强国 核心技术自主创新 先进生物技术模仿 初步实现以下转变 传统发酵产业大国 发展思路 显著增强自主创新能力 形成一批水平高 机制新的工程中心和工程实验室 实现重点突破 形成龙头企业 形成一批具有自主知识产权 年销售额超过10亿元的生物技术产品 形成10个左右销售收入超50亿元的大型生物制造企业 育成生物化工 生物材料等新产业链 建设绿色 低碳与可持续的产业经济体系 促进替代石油资源15 促进精细化工产品的生物法替代化学法达到20 促进环境改善与化学工业可持续发展 提高产业水平 增强国际竞争能力 促进发酵工业技术水平提高20 30 轻纺工业实现污染物源头控制 资源消耗与废水排放减少30 以上 发展目标 形成大产业规模 增强社会与经济影响力到2015年 生物制造产业总产值达到1万亿元 增加值达到4000亿元以上 生物产业出口额显著增加 经过10年的努力 力争使我国生物制造产业主要经济指标进入世界前列 显著增加国际市场占有的比重 到2025年 全国生物产业增加值突破2 5万亿元 占GDP比重达到4 以上 成为高技术领域的支柱产业和国民经济的主导产业 二氧化碳减排10亿吨 贡献率10 政策法规和组织体系进一步完善形成有利于生物制造产业发展的政策法规体系 技术创新体系 技术标准体系 生物安全保障体系 产业组织体系和行业服务体系 发展目标 四 主要任务 加强创新能力建设发展生物基材料产业培育生物质化工产业做强大宗发酵产业深化生物精细化工产业强化生物轻工食品产业推动生物采矿产业 1创新能力建设 手性生物合成国家工程中心 轻纺生物加工国家工程实验室 生物炼制国家工程实验室 整合有限的研究资源和分散的优势研发能力 组建跨领域 高水平 设施先进的国家工程研究中心和工程实验室 计算模拟 高效能低成本多尺度离散模拟超级计算应用系统 组学分析 形成基因组 蛋白质组 代谢组分析能力 合成生物学 多种微生物的高效遗传操作工具 关键技术 2发展生物基材料产业 开发聚氨基酸 聚苹果酸 聚赖氨酸 聚酯 多糖胶 PLA PHA PBS PTT等新材料产品 发展材料改性与加工技术 发展生物脱胶 生物整理等生物质材料加工技术 生物高分子聚合物 生物基单体原料聚合物 生物质加工材料 生物塑料 生物橡胶 生物尼龙 生化纤维 功能材料 生物基乙烯丙烷异丙醇化工醇二元酸溶剂涂料表面活性剂 可再生碳资源 生物质资源 城市废弃物 CO废气工业CO2 3培育生物质化工产业 减少对石油资源的依赖 减少CO2排放与环境污染 石油化工替代产品大宗化工原料 4做强大宗发酵产业 大幅提升我国微生物发酵行业的技术水平 减少物耗能耗 减少污染物排放 显著提高产业竞争能力与可持续发展能力 大宗发酵产品的微生物分子育种技术生产过程优化与放大技术清洁生产技术产品高效提取技术废弃物综合利用技术新型生物反