1-生物质纤维及生化原料科技与产业发展30年路线图-郑植艺.ppt

第五届中国生物产业大会深圳,中国生物质纤维及生化原料科技与产业发展（30年）路线图编辑情况汇报,中国化学纤维工业协会2011-6-17,一、编辑工作的基本情况,今年3月开始布置到会前100天时间20余所单位参与包括：高等院校科学院所企业共25位专家,1、共性的技术与工程（10项）是基础是产业化的工程技术过程技术2、再生纤维素纤维（6项）粘胶、铜氨、新型溶剂法等3、再生多糖纤维（3项）壳聚糖、海藻、甲壳素纤维4、生物质合成纤维（4项）PLA、PTT、PHBV、PBS5、生化原料（四醇四酸）1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、乳酸、羟基脂肪酸等,二、路线图编辑的基本依据,1、国家对发展生物产业的宏观政策2、世界各国及中国在发展生物产业生物制造的思路3、参照中科院路线图（50年）,1、国家相关政策生物产业发展“十一五”规划国办发200723号二七年四月八日促进生物产业加快发展的若干政策国办发200945号二九年六月二日国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定国发201032号二一年十月十日国家中长期科技发展规划纲要2006-2020国家“十一五”科技发展规划,生物产业发展“十一五”规划一、2010年，生物产业增加值5000亿元，占当年GDP2%；2020年，生物产业增加值2万亿元，占当年GDP4%，成为高新技术领域的支柱产业和国民经济的先导产业。二、按照走新型工业化道路的要求，大力发展生物基产品，实现对化石原料的部分替代。加快用生物技术改造传统产业的生产工艺，减少工业生产能耗与污染物排放。1.生物基材料。支持以农林可再生资源为原料，大力发展聚乳酸、生物乙烯、聚羟基脂肪酸酯、纤维素衍生物等生物材料和1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、糠醛等单体原料；同时，发展一批生物可降解性和生物相容性好的塑料和功能高分子材料、高性能木基复合材料、陶瓷化竹木纤维新材料以及新型炭质吸附和其他功能材料。到2010年，淀粉基可生物降解塑料达到年产20万吨级规模，其他可生物降解功能高分子材料达到年产10万吨级规模；木基工程材料达到年产10万吨级规模，形成若干年销售收入达100亿元的大型生物基材料企业集团。2.微生物制造。提高酶工程、发酵工程等生物技术水平，加快微生物和酶制剂对传统化学制造过程的改造，显著降低医药、化工、食品、饲料、纺织、造纸等工业的能耗和污染水平。提高纤维素酶、半纤维素酶等的技术水平和产量，在造纸、纺织等工业中进行示范应用；开发新型酶制剂，发展生物漂白、生物制浆、生物制革和生物脱硫等绿色生产工艺，加快推广应用。,促进生物产业加快发展的若干政策（八）生物制造领域。加快推进生物基高分子新材料、生物基绿色化学品、糖工程产品规模化发展。支持农产品精深加工和食品生物制造技术、装备、工艺流程的研发及规模化生产。开发新型酶制剂，发展生物漂白、生物制浆、生物制革和生物脱硫等清洁生产工艺，加快生物制造技术推广应用，降低物耗、能耗和污染。,国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定立足我国国情和科技、产业基础，明确现阶段我国战略性新兴产业重点培育和发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车。在“发展目标”中，要求：到2015年，战略性新兴产业增加值占当年GDP8%左右。到2020年，战略性新兴产业增加值占当年GDP15%左右。节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造产业成为国民经济的支柱产业，新能源、新材料、新能源汽车产业成为国民经济的先导产业；,国家中长期科技发展规划纲要2006-2020五个战略重点之一：生物技术及在农业、工业人口与健康等领域的应用国家“十一五”科技发展规划把能源、资源、环境领域的技术开发放在优先位置加大对公共安全、城镇化与城市发展、卫生与健康等社会公益类研究的支持力度,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,2、生物制造产业将是影响未来的战略性领域,MarketStructure-SalesperSegment,2007年全球生物制造产品销售额480亿欧元，预计到2017年达到3400亿欧元，其中生物材料将以38%的增速增长。,Chemicalsalespersegment2007100%=1,383billionEuro,Biotechsales1)persegment2007100%=48billionEuro,1,5%ofbasechemicals,4,8%ofspecialtychemicals,5,4%ofconsumerchemicals,18,7%ofactivepharmaingredients,1)SalesofchemicalproductsmadebybiotechnologicalprocessesandnotchemicalprocessesSource:CEFICFacts&FiguresJanuary2009,FESTELCAPITALdatabase,Forecasts2012:135billionEuro2017:340billionEuro,Structureofsegmentsandsub-segments=modifiedCEFICstructure,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,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,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；生物基产品与石化产品比重达到10%；促进发酵工业技术水平提高20-30%；资源消耗与废水排放减少30%以上。到2020年，全国生物制造产业总产值突破2万亿元到2030年全国生物制造产业总产值突破4.5万亿元；生物基产品与石化产品比重达到30%；生物产业国际竞争力居世界前列。,发展目标：从“量”方面,2015年：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；2025年：全国生物产业CO2减排10亿吨，贡献率10%,发展目标：从“质”方面,产业发展路线图,2011,2030,战略任务,发展路径,保障措施,生物炼制路线与化石资源替代,生物催化路线与加工方式替代,生物基产品与石化产品比重达到10%,现代生物发酵加工路线与产业提升,低碳经济,节能减排,产业提升,创新能力建设与科技支撑,发展目标,资源消耗与废水排放减少30%以上,4万亿产业规模,税收补贴与市场培育政策,工农协调与产业管理体系建立,2015,2020,主要方向-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,生物质纤维，生物塑料，生物橡胶，生物尼龙，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,主要方向-培育生物化工产业,石油化工替代产品大宗化工原料,医药原辅料中间体添加剂营养剂农药中间体其它农化产品,有机原料,精细与特殊化学品,3、中科院在“中国至2050年生物质资源科技发展路线图”中第三章：微生物资源发掘利用中涉及化纤行业或者可借鉴的核心科技问题：（1）纤维素生产乙醇（2）海水蓝藻生产醇类（3）秸秆的高效物化/生化转化（4）化工原材料替代包括生物乙烯、生物乙醇、乳酸、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、丁二酸以及聚乳酸、聚羟基烷酸酯、PBS等可降解聚合物（5）循环利用及产业链结构体系中生物柴油副产物甘油生产PDO,微生物资源路线图,200820102015202020252030204020452050,对我国现有微生物菌种资源进行大规模筛选和评价，形成资源保藏和利用一体化，实现微生物资源最大限度的合理开发利用,采用酶或全细胞催化技术，生产化学法难以转化与合成的新型生物产品，替代现行化学合成工艺中的复杂步骤,研究生物体及其酶进行定向物质转化的分子机制，组装新型的分子机器，开发新的生物合成技术,开发化工原料、医药原料、手性化合物、功能糖与糖基化学品等高值精细化学品的高效生物合成技术,开发直接利用木质纤维素或生物质合成气生产生物能源和生物基化学品的菌种和发酵工艺；发掘和利用能固定CO2生产大宗产品菌株,发展生物纺织、生物制革、生物造纸等环境友好的生物工艺过程和清洁生产技术，加强传统工艺对环境的污染,发现一批高效降解木质纤维素的菌株及相关酶；发现一批在极端环境降解有机物的菌类,建立典型环境未培养微生物及极端微生物的元基因组文库；建立高效的高通量筛选技术，从环境微生物群落中筛选活性天然产物,建立数字细胞基础上的代谢功能模拟，构建工程细胞，组建跨物种的新途径，建立新一代的细胞工厂,研究生命体的功能与结构物征，借助计算机，进行新型生物材料的生物制造方法，建立医用生物材料的评价体系，开发新型生物材料相关产品,开展计算蛋白质科学与酶定向设计的研究，建立蛋白质序列与功能预测的技术能力计算模拟蛋白质催化剂的构型构象，定向设计合成人工酶和分子机器，合成目前不能直接合成的特殊化学品,基因,蛋白质,分子机器,细胞工厂,多细胞体系,对重要的微生物基因组测序从基因到生态系统，基因决定着生物的结构与功能,基因编码细胞复合物的产生和特性、其与细胞其它组分的互作关系,分子机器的形成、结构、特性及其功能的行使、利用,代谢途径和细胞网络的功能和调控,开展对细胞和群落功能的推论性认识,系统工程,分子、细胞、系统,从基因组到产品FromGenometoProducts（GTPs）,资料来源：中科院天津工业生物技术研究所,三、路线图编辑的“思路”和“目标”,发展思路围绕生物质纤维及生化原料，对化石原料资源替代，化工加工工艺路线替代，以及生化方法改性，实现生化差别化发展。（二个替代，一个改性）加强新技术创新，发展生物质纤维及生化原料产业核心技术，抢占产业技术制高点（争取和国际水平同步发展）。长期规划，重点突破，跨越发展培育大型企业，引领行业产业集聚和集群式发展,发展目标,注：中国化纤产量峰值在5000万吨左右，（人均加工量，36kg/人年）,注：中国化纤产量峰值在5000万吨左右，（人均加工量，36kg/人年）,四、生物质纤维及生化原料路线图,1、共性的课题、技术、工程2、再生纤维素纤维3、再生多糖纤维4、生物质合成纤维5、生化原料,1、生物质共性技术与工程发展路线图,绿色制造,注：指标基数为总量。,绿色制造流程与科学内涵,资源绿色转化,过程强化与系统集成,产品工程多组分利用绿色评价指标体系,资源/能源选择可再生资源与能源,离子液体新介质应用于纤维素生产高值化产品技术,高效低成本纤维素菌和酶生产技术,秸秆高效低能耗预处理技术,木质素改性加工技术,生物法汉麻综合处理技术,工业微生物、工业酶和生物催化剂,海洋生物质综合利用,生物质纤维高性能化技术,生物质合成纤维,生物质生物量全利用技术集成和生态产业链的建立,木质素熔融纺丝技术,生化原料,再生纤维素纤维,再生多糖纤维,再生蛋白纤维,微生物高通量筛选，基因改造，定向进化技术,分子机器组装，高分子设计技术,平台化合物（包括蛋白、氨基酸）设计,分离技术,一级和多级萃取技术,全流程连续法工业生产线工程与设计（过程技术）,生物质全量利用基础技术集成和生态产业链的建立,科学基础及技术攻关,生物质合成纤维,生化原料,再生纤维素纤维,再生多糖纤维,再生蛋白纤维,离子液体新介质应用于纤维素生产高值化产品技术,秸秆高效低能耗预处理技术,木质素改性加工技术,生物法汉麻综合处理技术,木质素熔融纺丝技术,高效低成本纤维素菌和酶生产技术,工业微生物、工业酶和生物催化剂,海洋生物质综合利用,生物质纤维高性能化技术,生物质生物量全利用技术集成和生态产业链的建立,秸秆高效低能耗生物质原料预处理技术,工业微生物、工业酶和生物催化剂,2011年-2020年秸秆多组分分离，针对性应用；解决科学原理、工程关键技术与装备，达到无毒低耗。,2031-2040年纤维加工行业植物秸秆用量30%左右，实现过程低碳绿色生产，低排放或无排放。,2021-2030年工业化、连续化工程技术装备成熟，与各化纤品种单线产能配套，并入总流程，实现全生物量利用。,2011年-2020年建立高效、多样性工业微生物、工业酶和生物催化剂库，开发具有针对性应用前景的产品，过程实现高效、低毒、低能耗。,2021-2030年优化检测手段和方法，配套标准工作，开发菌、酶与蛋白稳定化技术及与助剂的复配技术并工程化，基本建成与化纤工装线相配套的供应链体系。,2031-2040年提高效率，进一步系统整合关键技术，开发高效菌种、酶、催化剂新工艺，实现全行业过程替代24%以上,高效低成本纤维素菌和酶生产技术,木质素改性加工技术,2011年-2020年菌和酶资源筛选，深入了解纤维素降解的分子机制，找到纤维素菌和酶酶基因的表达调控，并建成工业试验线,2031-2040年高效、低毒、低能耗、纤维素菌和酶生产技术与工程，达到国际同等水平，实现过程替代33%。,2021-2030年深入研究各种纤维素菌和酶组分间协同作用机制和最有组合及比例，通过基因工程提高效率，基本形成和再生纤维素纤维单线产能相配套的工程技术与装备。初步实现过程替代15%。,2011年-2020年全面探讨和研究：筛选木质素转化纤维素、半纤维素菌株，通过基因改造、定向进化、提高收率，实现工业试验线规模,2031-2040年1、木质素改性加工生产高性能纤维10万吨规模；2、木质素转化纤维素工业实现10%替代；3、木质素加工有机物产品在化纤中应用量突破20万吨。,2021-2030年木质素加工技术与工程，突破分离、萃取技术，实现向有机物的低碳、无毒转化，分别实现规模产能，达到全生物量利用。,2、再生纤维素纤维,产业及工程化,3、再生多糖纤维（壳聚糖、海藻、甲壳素纤维）,海藻纤维,4、生物质合成纤维（PTT/PLA/PHBV/