工业生物技术与生物制造VIP

,工业生物技术与生物制造,南京工业大学欧阳平凯,生物质能中的若干科学问题生物质能的产生生物热力学生物质能在生物体内的转移与平衡,2,3,1.生物质能产生,若人类仅利用全球生物量的7%，将可以解决资源、能源的难题。,CO2,陆生植物1100亿吨生物质,海洋藻类600亿吨生物质,固定1600亿吨CO2,固定880亿吨CO2,光合作用,物质循环，生态平衡，固定CO2，产生大量O2,生物合成：光合作用,2.生物热力学问题：非平衡过程热力学,3.生物质能在生物体内的转移与平衡,6,生物质能的转移与转化：辅因子,ATP,NAD,FAD,NADP,通过提高辅因子ATP的供给实现了FDP的高产,相同的基因组相同的转录组相同的蛋白组,通过能量的介入改变了碳物质代谢的代谢流分配与通量！,环磷酸腺苷(cAMP),需大量昂贵的缩合试剂和有机溶剂,生物法制造cAMP的生产成本仅为化学制造的1/10！,首次在国内实现了cAMP的生物合成途径替代！,化学途径,生物途径,能量调控环磷腺苷的生物合成,低劣生物质的利用甲烷,低劣生物质是造成水环境污染的主要因素,中国养殖世界近50%的猪，1/3的鸡鸭,生物制造可将低劣生物质转化为化学品,生物甲烷转化,+,+,污染治理,天然气开采量的2倍,30亿吨低劣生物质,直接排放,“减排以能耗为代价”,环境污染,资源浪费,+,排放304亿吨CO2,1.5亿吨COD,陆小华中国科学2010,53,671,能耗117亿吨标煤,相当于2011年的排放量,？,沼渣沼液,CH4,低品味生物质,动植物,甲烷发酵,生物燃气,有机肥,生物甲烷制造过程不仅仅提供能源，还可以治理环境污染、解决公共卫生问题等。,生物甲烷的作用广泛,工业应用,当前我国正成为世界上生物甲烷发展速度最快、建设规模最大、普及最广的国家。,生物化石资源：煤和石油,现代生物质能的利用主要还是作为燃料使用。生物质能在食品、医药、材料等方面具有广阔的应用前景。,生物质,自然界演变,生物质能的利用,材料的生物制造,15,材料的生物制造,生物材料的突破将在5-10年内完成,16,估计在2020年左右，它在衣用材料及医用材料上大规模应用会成为2025中国制造的亮点。,生物基材料发展趋势预测,2011年各种生物基材料占有的市场分布情况,1000吨,生物基材料的研发立足市场、面向市场,研发,聚乳酸,找市场,现有市场：聚氨酯、尼龙、PVC等,需求,研发,产品框架,生物基材料生物保温材料生物保湿材料生物含能材料生物医用材料生物纺织材料生物PX系列聚酯,生物基材料助剂无毒增塑剂无毒表面活性剂高性能固化剂/扩链剂水溶性涂料单体,开发包含生物基材料和生物基材料助剂共计十余种品种的产品群,产业规模统计,直接产值可达2500亿/年的生物基材料产业通过产品应用，可形成万亿级的产业集群效应,生物保温材料：生物基聚氨酯,传统产品三大问题：白料市场混乱石化资源依赖性过强工艺过程危险,轻质板材,管路保温,建筑保温,家电保温,聚氨酯（硬泡）：性能最为优良的保温材料市场需求：国内市场220万吨/年直接经济效益300亿/年,生物基聚氨酯材料,替代,生物基聚氨酯的产业化,植物油木质素,多元醇,PU硬泡,四大优势资源优势：各类植物油脂为原料，可再生成本优势：价格可降低500-800元/吨性能优势：保温性能可提升20%工艺优势：不涉及任何高压危险工艺,产业化进展：已实现3万吨/年规模转化项目整体规划为15万吨/年江苏飞航工大科技有限公司,首个在性能和成本方面全面超越石化产品的生物基材料,在与BASF、杜邦、帝斯曼等国外巨头的竞争中全面占优,生物医用材料：聚酯PCL,手术缝合线,聚酯PCL：具有优良的机械性能，生物降解性,高性能、无毒催化体系的开发,聚合,聚合过程使用金属催化剂导致的残留使得聚酯PCL目前只能用于手术缝合线,聚酯PCL仿生催化合成的重要进展,模块化有机催化体系构建：无毒、高性能,产业化进展：与巴陵石化合作进行300吨/年中试,产品优势分子量可控，满足各类需求国际上首次实现仿生催化，没有任何金属残留催化剂用量10ppm，降低了成本,聚酯PCL的应用前景,体内支架,人工骨骼,缓释辅料,无毒、高性能的聚酯PCL将可以大大拓展其在医用材料领域的应用。,细菌纤维素规模化低成本制造,人造血管,亲水碳纳米纤维,高含量、特殊结构的纳米细菌纤维素可用于制备含能材料、医用材料,生物基含能材料,相关工作受中国兵总高度关注，已列入国家XXX专项。,结晶度可控、制备成本低,生物衣用材料：生物基尼龙56,尼龙56：高性能纺织材料兼具尼龙的结构强度、棉布的吸水性能、羊毛的柔软性,市场需求：200亿以上规模的市场需求核心技术：戊二胺的生物制备工艺突破技术成熟度：已完成小试，进行中试良好的产业化前景,尼龙56,赖氨酸,全流程的节点性因素具有自主知识产权的高效菌种戊二胺转化率可达80%连续批次实现稳定完善的后处理工艺,生物尼龙的市场前景,27,尼龙材料全球产量在700万t以上，市值超过2000亿人民币，其中尼龙66及尼龙6约占90%；中国对尼龙的消费量占全球尼龙产量的30%。,生物尼龙纤维材料,代替,丝绸,羊毛,生物基PX系列聚酯,传统PX产业发展受限对外依存度达55%,生物基PX,生物质原料过程安全环保产品低毒易降解,生物基PX聚酯,市场需求：国内市场4500万吨/年直接产值约6000亿/年发展受限：基础原料PX产能严重不足产品性能固有缺陷,生物基PX系列聚酯,国外诸多大型企业正在强化生物PX聚酯（PEF）开发可口可乐公司已将PEF材料用于饮料包装制备了系列聚酯产品（PEF、PEF共混、PEF共聚）测试表明：PEF对水、二氧化碳和氧气的阻隔性能分别高于PET的2倍、2倍和6倍力学性能相似、拉伸行稍差可实现千元/吨左右的成本优势,合成生物学与生物制造,合成生物：目标设定后设计生物机器系统,化学,生物学,工程学,生物机器系统,合成,设计,构建组装,根据设定的目标，设计生物机器系统，解决医药、农业、工业现在与未来问题。,生物机器低成本、高精度的自主组装可以大幅度提高生物催化效率,酿酒酵母基因组：12Mb,大肠杆菌基因组：4.6Mb,玉米基因组：2500Mb,底盘生物基因化学合成,基因元件装配与适配性研究,从设计到制造！,代谢工程2.0,基因工程3.0,酶工程2.0,“合成生物学”被列为未来巅覆性技术之一。,利用合成生物学技术，将有可能使目前的光合作用效率提高至10%。,合成生物学技术将可以大幅度提高植物光合作用,未来中国生物制造的原料从何而来,中国粮食产量已超过5.5亿吨，丰年有余，灾年不足，6亿吨可能达天花板人均耕地不足1.4亩，是加拿大的1/18，俄罗斯的1/10，美国的1/8，印度的1/2,34,我国甲醇产能增长迅速,35,近年来，我国甲醇产能增长迅速，出现过剩趋势。,甲醇可以作为微生物的优良碳源,甲醇,葡萄糖,Pichiapastoris,Hansenulapolymorpha,Candidaboidinii,Pichiamethanolica等酵母菌都可以利用甲醇作为碳源,酵母代谢甲醇几乎可以合成以葡萄糖作为底物相同的代谢产物。,甲醇生物转化,葡萄糖,甲醇含氢高于葡萄糖，可以用于生产高能化合物。,6CH4O,C6H12O6,甲醇,Vs,1300-1600元/吨,3000元/吨,高纯度,含10%左右水,热值高,热值比甲醇低