欧洲BREW计划-可再生资源生产大宗化学品生物工艺的

1、可再生资源生产大宗化学品生物工艺的中长期机遇和风险（BREW）可再生资源生产大宗化学品生物工艺的中长期机遇和风险（BREW）执行概要在过去的短短几年，生物技术包括基因工程取得了巨大的进步。可以预见在将来的几十年里我们将在科学和技术上取得更大的突破性进展。在生物技术已经对药物制剂，精细化工，特别化学品产生广泛影响以及在短期内被期望在这些领域取得更大可观的进展的今天，生物技术仍旧在生产大众化学品这个角色上什么时候，怎样，达到一个怎么样的程度存在着很大的不确定性。鉴于白色生物技术对科学，技术和社会产生的利益，它长期被寄予很大期望。以生产化学品而开发白色生物技术为目标，在研究，公司及政策方面在过去短时

2、间内都取得了很大的进步。然而这些进步具有很大推动力的同时，在现在和将来经济，环境和社会的影响方面目前所能获得的信息非常少。这个报告就是为了填补这个知识的空白。从范围来讲，这个报告通过生物技术例如用基因修饰过的和未修饰过的微生物发酵来研究可从生物质获得的原料（如可用于发酵的糖）转化为有机大众化学品（如 乳酸，乙酸，丙醇和乙醇）这个过程。 除白色生物技术以外，传统的化学同样包含在整个过程中。所有的白色生物技术产品将同同等功能的石油化学产品比较。焦点是工业化学品，食品，动物始料和燃料不包含其中。这个报告提出的关键问题是哪些产品能通过白色生物技术生产；这些产品是否对节能，减少温室气体（GHG）的排放有

3、帮助；在怎样的情况下这些产品是经济可行的；向白色生物技术化学品转型，包括利用基因修饰的微生物发酵，的同时将会产生什么问题，大众的观念又是什么。在这个报告的第二章，有哪些白色生物技术可以生产的化学品将会给出一个概述。首先会列出全部的生物基化学品（见图2-1和表2-28，2-29），然后利用产品树方法选择19种主要化合物以及自然脂肪，油脂和基因修饰过的农作物。这些产品在2.1至2.7将详细叙述。对于每个产品，我们将讨论其主要特征和用途，（例如，生物技术的选择，成熟的程度，商业地位，世界范围的生产量，挑战和动力）。通过酿造组的进一步评价，21种产品可作为白色生物技术的首打对象（见表2-42；这些产品

4、将在第3和第4章深入分析）。作为这些产品进入市场的两个主要策略分别是直接替代石油基化学品以及生物基产品与石油基产品的功能性竞争。两者策略都能被21种被选中的白色生物技术化学品用到。基于第二章所获得的见解我们可以得出如下结论：白色生物技术提供了无数的从各种原料生产新的和现有的有机化学品的机会，同时也赋予了早期开发大多数产品和生产程序的机会。非常重要的进步可在不久的将来预见到。根据我们的估算，大规模的生物技术化学品的生产在技术上存在着挑战，但是在这个挑战已经引起了广泛的兴趣，从长远来看它也是可行的。从（生物）化学和技术的角度看，机会是很吸引人也是很有前途的，但是要吸引工业和政府的兴趣在很大程度上得

5、取决于白色生物技术产品是否在经济和环境的层面上有利。因此，在第3章我们将具体的对在第2章中选出的21种白色生物技术产品的环保和经济层面上进行分析（具体来说，例如每吨产品）。目前为止，由于不同的假设和边界条件，在环保及经济方面对白色生物技术生产的生物基大众化学品的定量的评论是极少，片面和不可比较的。而我们所采用的是通用背景数据（酿造tool）的统一方法。我们只用一个石油价格（原油价格：25美元/桶；天然气的价格假定为最终用户的价格4 欧元/GJ；附录A3-2） 来分析发酵用糖的不同价格。第3章我们还讨论了我们开发并用与估算信息量极少的未来过程的遗传算法。 总之，我们结论是在白色生物技术能为化学品

6、工业降低不可再生能量的利用，温室气体的排放以及相应的环境影响的同时，其生产大众化学品的主要挑战来自经济方面。用当今的技术和玉米粟（相对于石油化学品用数学平均来算节省了相当于没有脂肪酸和醋酸的不可再生资源的30%），几乎所有被研究的产品都是非常环保的（用的都是可再生资源也没有温室气体排放），同时在未来也将是这样（将节省50%能源）。如果木质素原料能在将来被利用（将能节省75%能量）那么将能节省更多的能量。假如发酵用糖能从糖质藤中来，那么平均来讲要比今天的石油化学品节省85%的不可再生能源。而且，从单位农田（GJ每公顷农田节省的能量）不可再生能源的节省来看，白色生物技术产品要比石油液体燃料（乙醇）

7、得更高分。白色生物技术产品与其对应得石油基产品相比经济方面的挑战同技术的进步也是密切相关的。总的来讲，技术的突破（包括生物工序和产品的分离纯化）以达到经济可行要比改进环保更具吸引力。在第四章，三个针对欧洲到2050年的情景构想进行阐述。我们区分了三个情景：一个低的情景是生物基化学品的条件并不看好（石油价格高达30美元每桶；糖价格高达400 欧元/t；0%p.a. 在化学品行业自然增长），一个中等的情景是石油价格高达66美元每桶；糖价格高达200 欧元/t以及1.5% p.a. 有机酸化学品行业自然增长, 一个高的情景是石油价格高达83美元每桶；糖价格约70 欧元/t以及3.0% p.a. 化学

8、品行业自然增长。欧洲（EU-25）不可再生能源的绝对节省还得看选择怎样的情景。在这样的情景中到2050年大约有7%-10%的用于生产特定化学品的不可再生能源可以节省；在中等和高的情景中这个百分量分别为20%-30%和39%-67%（淀粉价格更低；木质素价格高一点；见4.5.2节以及附录11-13）。换而言之，如果白色生物技术能在2050年之前取得重大突破，木质素的利用得到成功的开发，那么将有三分之二（67%）的用于目前生产我们选中的化学品的不可再生资源能被节省。这样我们选中的化学品的生产不但能节能减少温室气体的排放，同时在所有有机酸的生产中具有优势。这种情况下节省的百分率大约是刚才引用的一半。

9、在大部分情形下生物基化学品的生产总占地要相对低些。假如淀粉被用作发酵用糖那么在这三种情形下总的占地面积是1.038.1百万公顷。假如木质素用作生物原料，仅需要0.415.6百万公顷的面积。而2002年EU-25相对应的耕地面积大约是180百万公顷。因此，用地需求在未来的几十年内不可能成为关键问题（4.5.2节）。因此，在2050年白色生物技术在中等情景和高的情景中将产生巨大的整体经济节约效益（6.7和74.8十亿欧元），然而在低的情景下它有着小的亏损（-0.13十亿欧元，见4.5.2节）。整体的经济节约效益隐含着进步的国际竞争力。2050年增加的生物基化学品价值在低、中等和高的情景下估计分别为

10、1.8，8.8和33.2十亿欧元。从第四章我们可以得出结论：在比较理想的情况下（见执行概要之后的四种需求）白色生物技术可以成为现实，从而使得在经济节省的情况下还能节约不可再生能源的利用和温室气体的排放。从各情景的结果我们可以看出白色生物技术产品的大规模生产最有可能在发酵糖价格较低的国家（特别是在拉丁美洲）大规模生产。欧洲工业白色生物技术首先应用在大规模的国外生产最后再在欧洲开发其市场。第五章将讨论白色生物技术应用的风险之处。这章的主要目的是深入分析影响整个风险和知识缺陷的主要风险因素。传统（如身理毒性和意外事故）以及基因修饰（水平基因迁移）的风险都将被分析。生物技术产品的传统风险（基因修饰微生

11、物和农作物风险除外）同石油基化学品具有可比性；然而，假如白色生物技术产业化，新的原材料，中间品以及终产品将要得到一系列的处理，合适的安全的生产流程需要开发。白色生物技术基因修饰微生物应用的风险是易于控制的假如采取预防措施；至于知识缺陷，这些措施的具体细节还需进一步的研究；绿色生物技术的挑战要比白色生物技术大的多，因为白色生物技术已快要在化学品行业大规模生产。第六章讨论的是大众和投资者的观念，因为这对白色生物技术大规模实施有着很大的关系。我们的结论是考虑到环保问题以及可再生能源的应用，投资者和大众对白色生物技术生产有机化学品的态度基本上是积极的。但是，这个结论是基于首先对不同于酿造范围的研究，然

12、后是在不同于大众观念的投资者中进行酿造的调查研究。然而只有通过对大众观念的研究才能确认结论的正确性，可获得的信息表明大众观点并不是关键因素，相反它在目前的环境下是支持性的。最后，最终的结论在第七章得到总结。必须牢记的是关于未来生物过程（详见表3-2）和下游过程的酿造调查假设是评价计算结果的关键。并且，在进行酿造工程时石油基产品的创新并没有考虑到，包括可能变成生物基白色生物技术大众化学品最大威胁的煤中生产石油精炼化学品。从分析中我们得出结论以下四个核心需求必须满足以更好地向生物基化学品行业迈进，即：1， 在生物生产过程中重大技术突破2， 下游工序的重大进步3， 化石燃料价格必须高4， 发酵用糖价

13、格必须低对于每个因素我们都提供了采取相应措施的建议，同时我们还提出了伴随行为（见7.2章）。总之，考虑到这四个核心要求以及提供的相应措施，我们强力建议发展一个整体的白色生物技术策略，使得欧盟积极支持白色生物技术。目 录1.引言111.1计划的目标及范围121.2为什么使用生物质公司远景141.3为什么使用生物质政府远景151.4本文结构162白色生物技术产品的出现182.1 C2 平台化合物212.1.1 酒精212.1.2 乙酸322.2 C3 平台化合物332.2.1 乳酸332.2.2 甘油352.2.3 3-乳酸382.2.4 1，3-丙二醇402.2.5 丙烯酸442.3 C4 平台

14、化合物442.3.1 丁二酸442.3.2 富马酸492.3.3 天冬氨酸512.3.4 1-丁醇532.3.5 1,4-丁二醇552.4 C5 平台化合物562.4.1木糖，阿拉伯糖和木糖醇，阿拉伯糖醇562.4.2乙酰丙酸592.4.3糠醛612.5 C6 平台化合物632.5.1蔗糖和葡萄糖632.5.2山梨醇742.5.3 5-羟甲基糠醛762.5.4己二酸792.6 >C6结构单元（天然脂肪和油脂的衍生物）802.7生产大宗化学品的基因改良农作物822.7.1探索基因改良作物作为大宗化学品的生产平台822.7.2产品分类概述842.7.3产品种类发展现状852.7.4碳水化合物

15、892.7.5脂肪、油脂和脂肪酸912.7.6氨基酸922.7.7聚合物942.7.8木质纤维素962.7.9利用GMPs作为大宗化学品生产平台的挑战972.8 概要与结论983 21种产品的环境和经济评估1083.1 一般性的方法1103.1.1 发酵操作1103.1.2产品的分离1133.1.3 操作能耗1153.2 环境评估方法1163.2.1环境评价的目标和范围1173.2.2 能量利用、温室气体（GHG）排放及土地使用计算方法论1213.2.3副产品配置（分配）1243.2.4 credits排出能量计算方法1243.2.5 可燃废物的处理1263.3经济定量评估方法1283.3.1

16、 经济评估方法1283.3.2 放大1303.3.3 解释结果1303.4 对每个产品的环境和经济评价的结果1313.4.1 可发酵糖1323.4.2 典型发酵产品1,3-PDO的经济技术分析1403.4.3 总览所有发酵产品对环境的影响1553.4.4 所有发酵产品经济成效之综述1663.4.5 酶转化的能量分析和技术经济评价1754 生物工业产品的方案设计1844.1 组织管理严密的市场方案1854.2.方法1864.2.1技术性替代潜力1864.2.2 经济性替代潜力1874.2.3技术扩散1884.3 生物工艺化学品和相关的石化产品1894.3.1产品的选择1894.3.2 数据输入1

17、904.4 方案假设1914.4.1化石燃料价1924.4.2生物工业技术的发展1944.4.3生物原料成本及土地的可利用性1944.4.4化学品市场1954.4.5补充1964.5市场计划1964.5.1市场潜力1964.5.2 经济和环境的利益2004.6 讨论2044.6.1不确定性和灵敏性2044.6.2从长远眼光看该项目效益2064.7结论2085.工业生物技术的潜在风险2115.1.1 方法论2常规排放造成的外部风险2技术事故造成的外部风险2 意外事故2工作相关的疾病2风险指示表2165.1.

18、2 结果2175.1.3不确定性分析2215.1.4 结论2255.2与 GMO相关的风险2265.2.1 对基因改良生物的风险评估2285.2.2 GMOs 在工业生物技术中的应用2305.2.3 工业生物技术中GM植物的应用2325.2.4 基因改良的微生物和植物的PHA的生产2335.2.5 结论 2356. 公众和利益相关者的观点2376.1 回顾公众对于新技术引进的作用2376.2 影响公众对用生物技术以生物质为原料生产有机化学品的看法的关键因素2406.2.1 环境影响和伦理约束2416.2.2社会经济和宏观经济影响2456.2.3事故2516.2.4对初步评价的总结2546.3早

19、期研究的结果2546.3.1 欧洲民意调查2556.3.2 德国的BMBF计划2556.3.3 Kassel项目2586.3.4 NatureWorks Graptine 研究2606.3.5 在德国关于可再生资源的调查2606.3.6早期研究结果26264 BREW调查2636.5结论2707归纳和总结2747.1 概括2757.1.1 出现的工业生物技术产品2757.1.2 环境和经济2767.1.3对于大规模的化学品生产的生物技术的风险2857.1.4大众和投资者白色生物技术观念2877.2 结论2881、序 论在过去的几年里包括基因工程在内的生物工程取得了巨大的发展。在未来的数年将取得

20、进一步的科学以及技术上的突破。迄今为止，在工业上生物工程主要用于两个方面：一方面是食物及饲料的生产，另一方面是医药应用。因为人类基因在最近越来越重要，涉及基因工程的社会讨论也主要存在于这两个领域。除了食品及饲料产品以及医药应用，生物工程也将用于化工材料以及中间体的生产。人们对生物工程在更远的将来为科学、技术以及社会带来的好处充满了希望。(EuropaBio and ESAB, not dated; EuropaBio/ESAB/SusChem 2005, not dated Eur.Commiss. 2002; Eur. Commiss. 2004; OECD 2001; BACAS 2004

21、; Dechema 2004; Astet al. 2004; Gavrilescu and Chisti 2005; Willke and Vorlop 2004; Wagner et al. 2004;Hoppenheidt et al. 2004; Werpy and Petersen 2004)植物利用光能将CO2装和为多聚糖以及其他的复杂分子，利用生物工程合成大宗化学原料以及中间体可以利用植物作为潜在原材料。如果植物可以更清楚的适应某些生物技术工程的需要将更好的利用生物工程。因为利用可再生资源为原料并可以减少废物（包括CO2）以及有毒废料排放到生物圈中，人们希望生物技术可以用于更清洁

22、的生产大宗化学品(e.g., OECD 2001)。生物技术用于生产现在利用石化资源合成的各种大宗化学品可能更具效率，同时可以合成新的作为许多其他更有用的材料的基础化合物（“平台化合物”）。到目前，一些化学工厂为了发开使用生物技术合成化学品，已经在研究开发以及工业生产部门投入了很多的资金(Degussa, DSM, DuPont, NatureWorks, Novozymes)。有趣的是在化工中生物技术的潜力被不同的部门表现在完全不同的方面，例如：欧洲化工联盟（CEFIC 2004）和一些环境政府部门（例如德国绿色团体，Bündnis 90/Die Grünen）。欧盟将生

23、物技术合成大宗化学品作为不仅是第六框架计划研究议程，同时也是未来第七框架计划的研究议程(compare EuropaBio, 2005)。而且，欧洲国家已经启动了相当多的研究开发部门（例如，一个工业生物技术联合协会将在荷兰建立，Task Force Ind. Biotechnology, 2005)。这表示化工中生物技术的发展具有强烈的驱动力，同时人们对于这些前景持有广泛的积极态度。惊人的是关于对目前以及将来的经济和环境的好处，公共知之甚少。研究常常针对少数个案，所以提出的结论不是十分确定（OECD 2001)。之前的对技术发展水平以及生物技术的前景的报道(例如，SRI-PEP 227 199

24、9; SRI-PEP 236 2001; SRI-PEP 188B 2002)大体上提供了对工业应用生物技术的现状和前景更好的了解。尽管如此，大部分研究成本较高，限制了其广泛应用，因此也限制了广泛的讨论以及企业同政府之间的合作发展。这标明存在一条明显的信息间断，这就更需要公众以及私人的讨论。之前的公共讨论以及调查可以帮助避免公众的不完全了解以及错误的期望。为了达到这些目的，这方面的消息必须及时公开。除了利用生物技术对可再生原料加工处理，得到生物质化学品的其他（非生物技术）处理路线有：直接利用天然化合物及其变体（例如，利用淀粉制热塑性淀粉）或者热化学转换过程（例如，快速热分解生物质合成芳香剂或者

25、生物质C1化学处理气化）。在这两个领域里存在很多有价值的成功示例（例如，Bastioli 2005 and Crank et al. 2005; Hamelinck and Faaij 2002）都是针对应用生物技术合成有机的大宗化合物。生物技术中有分为绿色生物技术、红色生物技术和白色生物技术。绿色生物技术是用于遗传修饰的农作物（目前绝大多数是用于食品及饲料），红色生物技术是用于医药用品，白色生物技术是用于发酵和酶催化过程生产工业产品以及燃料。白色生物技术也可能用到遗传修饰物种。这篇报道是关于白色生物技术，在美国也被称为是工业生物技术。因为绿色生物技术可以用于合成化合物（例如，多羟基抗生素类多

26、聚物）或者热化学或发酵过程的原料，本文涉及到的内容也可能超过此研究范围。然而在一些章节中涉及的绿色生物技术是为了做比较（尤其在5、6章中关于风险以及公共意识部分）。白色生物技术之所以成为本文的研究主旨是因为在医药方面，较绿色生物技术化工一般更倾向于利用白色生物技术，同时也因为目前针对绿色生物技术的反对意见更多。1.1 计划的目标及范围本文研究了有机化合物合成的生物技术中长期的机会以及风险。目标是对未来白色生物技术的技术经济和社会效应取得更好的了解。其关键问题是白色生物技术可以生产什么产品，这些产品是否可以节约能源以及减少温室气体（GHG）排放，在什么条件下才能使这些产品商业化，发酵基因修饰物种

27、（GMO）将带来什么风险，以及公共效应将如何。分析这些问题的结论的范围是：l 以技术的观点，所有研究内容应该包括至少一个处理步骤为白色生物技术，例如，发酵或者酶转化，无论用或不用基因修饰物种。同时也要包括一个以上的化学转化过程。l 因为可以利用白色生物技术处理石化以及生物质原料，BREW项目研究集中于可再生资源（生物质原料）合成生物质产品，因为这样更能节约能源及减少GHG排放。所有的白色生物技术产品都可以与石化产品相媲美。l 虽然已经存在一些利用白色生物技术的大规模处理过程，但是这项技术仍处于初期。本文评价了目前及未来的工艺水平，提出了白色生物技术的预期水平以及未来二三十年（20202030）

28、下游工程可达到的水平。技术的完善需要更多的时间，因此本文的时间跨度可以达到2050年。l 为了评估节约的能量以及减少的GHG排放，本文分析了白色生物技术生产的大宗化学物。这里大宗化学品是指到2020年西欧每年2050kt（1kt=1千吨=1000公吨），更理想的是至少达到更大规模200kt。小规模高价值的产品不包括在内1。l 这里的产品只包括核心的化工产品。因此例如食品、饲料、造纸以及纺织等产品不包括在内。同时只作为燃料的产品也不包括在内。相反，例如乙醇等同时可以作为化学品以及燃料的产品包括在内。总而言之，这篇报道中的产品是指白色生物技术生产的大宗的生物质有机化合物。我们简称其为生物质产品，生

29、物质化学品或者白色生物技术产品（及类似同义词）。这些产品等同于石化产品。生物质化学品受到工业界以及政府机关越来越多的关注。因此我们将在接下来的两段（1.21.3）从这两方面进行讨论。1第2章为每年2050kt的小规模，第3、4章中为了得到生物质产品潜在的前景分析使用的是每年至少200kt的规模。1.2 为什么使用生物质公司远景目前为止，绝大多数的有机化合物都是利用石油化工合成的，而且很清楚的是目前公司仍没有大量使用生物质原料的最重要的原因是生产成本较高。只有少数生物质产品同石化原料的化工产品相媲美或更好，以乙醇为例：全世界利用生物质（主要玉米淀粉以及甘蔗）使用生物技术生产的乙醇产量至少是以蒸气

30、cracker2石化的10倍。一个较新的例子是1,3-丙二醇（PDO）：SHELL公司利用环氧乙烷（SRI-PEP 227 1999）以石化方法生产PDO，而DuPont公司最近新建了一条利用玉米中的葡萄糖合成PDO的生产线（Muska and Alles 2005）。选择不同的原料是由于经济原因。基于功能的竞争而非化学方面更加平常（例如，以植物油作为表明活性剂以及聚乳酸相较于聚对苯二甲酸乙酯）。一些生物质产品具有其他功能，可以得到更高价值的产品（例如，手性产品或者生物降解塑料包装）。 在小范围市场，由于绿色产品的理念，生产商应用生物质原料的产品价格更高。例如，实际上目前应用的所有大宗聚合物，

31、已经发展了45到80年，人们质疑未来是否还有新的大宗塑料出现(Lemstra 2005)。因此生物质化学品填补了这部分。同时紧张的商业状况使生物质化学品更难竞争。这种矛盾统一的情况似乎已经导致了化工业出现不同的商业策略。例如，DSM以及Degussa已经能够从石油化工业退出，集中精力到精细化工，尤其是利用白色生物技术。Nature WorksLLC3 是首家拥有全球范围生产生物质聚合物（既聚乳酸，PLA）的工业生产线（生产力为每年140kt）。这推进了人们对生物质聚合物尤其是PLA的兴趣，也可能促进其他企业、研究机构以及公共基金认真的去考虑甚至投资生物质化合物。Nature Works将聚对苯

32、二甲酸乙酯（PET）是作为一种重要的目标产品并且在成本上已经具有竞争力。PLA产品已经进入市场，零售商和品牌商开始承认更多的聚合物以及可再生原材料的应用价值。但是PLA产品必须和已经存在的聚合物竞争而且快速扩张的PLA市场仍然存在机遇。2根据Weissermel and Arpe (2003)，1997年全世界生产了24.11百万吨的生物乙醇，1998年steam crackers乙烯石化合成乙醇的全球产量为2.6百万吨。根据Berg (2004)全世界乙醇总产量约31.5百万吨（Berg 2004）。3直到2005年初名称为Cargill Dow（Dow Chemical和Cargill合营

33、）同已经对生物质化学品的研究投入很多的Degussa、DMS以及Nature Works一样，越来越多的大公司开始发掘这个领域并开始谨慎的尝试4。另一方面，在化工业中许多人对于大规模生产生物质化合物没有那么多的商机，至少在短到中期都不会太多。公司的不同的期望需要进一步分析。1.3 为什么使用生物质政府远景政府主要关注的重点是，原则上生物质材料对于节约能量（石化能量），减少排放温室气体（GHG）供给安全，创新改革甚至化工业和农业发展的贡献究竟有多大。生命评估研究（LCA）可以得到生物质聚合物节约能量以及减少排放可以达到的数量级为每千克（Patel等，2003）。因此，到2020年，欧洲已经和快要

34、商业化的生物质聚合物的市场占有量不会超过23百万吨，也就是目前聚合物市场的4.4%6.7%（2000年西欧大约45百万吨），这种数量级上的能量节约很少。直到2020年，预期减少不少于化工CO2排放量的5%（2000年）；与目前整体CO2的排放量相比，由于使用生物质聚合物减少的排放量将不少于0.2%（Crank et al. 2005）。这些评估数据只涉及到已经商业化和将要商业化的生物质聚合物。扩张到整个商业化和将要商业化的有机化合物（包括聚合物）得到的结果很相似，因为聚合物代表了大部分的有机化合物。可能有人会说这种节约太少了而不能说生物质聚合物是一种有效的减少温室气体的排放的方法，但是相较于早

35、期的生物质化合物发展政策以及现在的整个化工业潜在变革的机遇，不能过早的得出这种结论。还需要更多的时间来发展和实现先进的技术。介于气候政策对于整个经济更像一个多年的工作，也由于技术发展可以带来许多进一步的获益（例如，经济发展和就业），因此是值得在近几年开创这种长期规划。尤其对环境、经济和社会来说，白色生物技术是一项有希望的事业。为了确定最具性价比和对环境最有利的措施以达到其减少温室气体排放的目标而进行的欧洲气候变化规划的最终报告（2000年中期到2001年中期）指出，也提出利用生物质原料生产大宗化学品的生物技术（ECCP 2001）。而且生物可再生能源有重要的协4另一方面，BP最近与Metabo

36、lix合作开发软枝草为原料合成PHA（Green Biotechnology; Tullo 2005）；BASF宣布将开展一项利用可再生原材料得到生物降解塑料（BASF 2005)；Archer Daniels Midland (ADM)和Metabolix将建立生产力为每年50000吨的多羟基抗生素（PHA）生产线(ADM 2006; Metabolix 2006)。作作用，因为用作燃料的生物乙醇已经利用生物技术生产并在欧洲政策促进下迅速壮大（Eur. Commis.-ETAP Newsletter 2005;Official Journal of the EU 2003）。至于在一些欧洲国

37、家利用菜籽油催化转化的生物柴油，白色生物技术（这里指酶催化转化过程）可改善其相对位置。除了对环境的好处（2010年达到废物最小量化，耗能较小，GHG排放减少），根据EuropaBio（2003）白色生物技术是许多欧洲工业的竞争力至关重要，也就是化合物、纺织品和皮革、动物饲料、纸浆和造纸，能源，金属和矿物，以及废物处理过程。根据McKinsey & Company 2003 (quoted in EuropaBio 2003) 直到2010年，白色生物技术可以用于生产1020%的化学品，还可以创造每年110220亿的增加值。粗略的看这种增加值的一半被认为是部分因为原材料的成本及加工过程的

38、降低，另一半是因为新产品或者更好的产品增加的收入（McKinsey & Company 2003, 引用自 EuropaBio 2003）。在欧洲及其成员国争取保证他们的工业达到最好的水平，以培养竞争力和成长，同时追求环境效果。因此有必要了解目前以及将来的边界条件以及政策需要怎样改变这些。在未来几十年，对于欧洲这样重要的改变之一是作为提供及处理大量低价生物质原材料的东欧国家的整合。在这些政策和措施中，对白色生物技术产品的经济值有最大的影响的是保证欧盟农产品在世界市场的价格或者产品偿还借款的变更。除此之外，如果前景一直看好而且可以保证高附加值，政府可能增加其白色生物技术的RD（而且可能是

39、其他生物质化合物）。当决定是否支持白色生物技术和生物质化合物，而且政府将不得不考虑到这些产品的公共影响。1.4 本文结构除了介绍的章节（第一章），本文分为6个章节。第2章的主要目的是综述白色生物技术产品的出现和解释那些化合物是可以利用这个生产的。详细的环境和经济评估在第3章（利用专有的量词既每吨产品）。第3章也稍稍讨论叫做生成方法（Generic Approach），这是我们进一步发展应用的方法论。在第4章有三节讨论Europe (EU-25)，分为假定的生物质化合物的良性、中等以及不利的条件。在第5章涉及到利用白色生物技术的风险。这章的主要目的是说明影响整个风险的重要因素以及知识缺陷。分析了

40、传统的风险（例如，对人类的毒性及事故）和涉及到基因修正的风险（例如，水平基因转移）。因为公众影响可能对于白色生物技术的大规模推广的实现有重要的影响，这样都在第6章讨论到，通过数据和提出观察结果得出结论。最后在第7章概述总结得出结论。2、白色生物技术产品的出现5这一章是对大量化学品和媒介物的生物技术步骤的概述（见1.1节 范围的确定）。本章旨在：l 综合概述相关的过程和产品并描绘出生物技术在此领域的技术潜力，l 汇编分散的不同来源的信息，l 为从以下的章节中提出选择性的证据和结果提供一个基础。本章是由各种类型的基础原料组成的。 我们把基础原料定义成从菌体中提炼出的化学品，通过应用生物技术得到。当

41、进一步的过程（普通的化学或生物技术处理）应用的时候，基础原料 通常是形成各种有吸引力的产物的基础。它们因此有潜力被大量生产，至少在以后更长的一段时间内可以。尽管一些化合物如燃料，动物饲料或食品成分的杰出用途不在定义基础原料的范围之内，重要的用途还是在第二章提到了，以便于提供更完整的画面。为了确定化学品未能进入这次研究的范围（1.1节），我们开展了由以下因素组成的程序： l 生物技术生产的化学品，即从大量生物质中生产的化学品的确定，l 证明大量化学品是通过化石来源制得的，但也可通过一些生物技术步骤，从菌体中获得，l 证明在生物基础上，通过生物技术方法得到的产品与通过化石燃料得到的产品基本是相同的

42、，l 证明以生物法为基础的，生物技术方法得到的基础原料能够提升化学品的种类，因此大量需要。图表2-1 展现了运用这个方法以后的结果。从生物体的主要组成开始，即从蔗糖，淀粉，纤维素和半纤维素和从木质素，油脂和蛋白质开始，生物技术方法被证明是能对这些生物体的主要成分进行转换的。但是对于完全生产那些物质（精细的或特别的化学品或主要用与食物的生产）却没有进行过尝试，因为那些物质远远超出BREW计划的范围。图表2-1中列出的物质因而是由通过化学和生物技术转化获得的化合物组成的。5在另外一个分析步骤中，这些物质被分成产品子目录，从这里基础原料通过应用以下标准被选择做进一步分析：l 基础原料 或它的派生物直

43、接或间接的代替石化产品生产出大量化学品的潜力，l 基础原料承担不同产品组基础的潜力，例如： 提供化学功能和潜在用途，l 策略方面要符合市场前景和以后的发展，l 从生物体到基础原料以及从基础原料到其派生物合成的复杂性。在这个基础上, 基础原料被选择做进一步分析。它们在下面的部分被描述，按照化合物中碳原子数的递增顺序排列。在BREW计划中，方法和标准的选择是相似的，但与Werpy和Peterson2004年的报告中使用的又有所不同。Werpy和Peterson旨在识别生物体中提取出的最具价值的额外化学品。他们的分析因此导致了我们的分析相比略有不同building block前景的列表，因为我们的分

44、析集中于大量的应用上。301Utrecht大学 最终报告图 2-1 生物质资源通过已建立或可能的生物炼制过程所得到的化学物质这个分析之外的产品和方法一些相关的工业产品和方法不在这个分析之内，尽管它们或许有很大的商业价值，并且能瞄准主流市场。它们被排除在BREW工程的范围之外是因为他们的主要用途是用在食物，饲料，医药以及纯化和分离化学品的方面；或者要在生物技术方法以及与化石燃料有关的一些方法帮助下才能生产。表2-1 列出了这些产品的概况。表2-1 从这个分析中排除的大概的产品抗生素维他命氨基酸（除了天(门)冬氨酸，赖氨酸，谷氨酸）精炼化学品工业用酶通过生物体聚合物的直接变异获得的聚合物（例如：改

45、进的淀粉，纤维素派生物，甲壳素派生物）2.1 C2 平台化合物2.1.1 酒精酒精的生产酒精是一种具有吸引力的普通化学品，因为它迄今为止还是通过发酵从大量生物体中获得。在2003年，世界酒精产量估计在大约40bln l左右（l=升；大约相当于31500000吨）(Berg 2003;Law 2003)，美国和巴西成为最大的生产国（产量大约分别是14bln l和 11 bln l ）。如今只有不足10%的世界酒精产量是通过原油，天然气，煤的化学合成方法得到的，而超过90%是通过通过农作物作为原料发酵得到的（Berg 2004; weissermel and Arpe, 2003）.发酵和合成酒精

46、的化学本质是相同的。酒精的发酵法生产被大公司垄断着，它们拥有巨大的财力。世界上最大的酒精生产商Archer Daniel Midlands(美国) 已拥有3.4 bln l的生产能力（2001），大约相当于世界酒精生产量的10%。合成酒精的主要生产商数量很少，大多数是跨国企业，比如Sasol（德国，南非），SADAF（沙特阿拉伯，由两个股份各占50%的集团壳牌集团（英国，荷兰）和沙特阿拉伯基础工业集团组成），BP（英国）以及Equistar集团（美国）(Schmitz 2003)。用生化法生产酒精的工艺就是用酵母对糖和淀粉进行大范围的发酵，纯化酒精的方法是通过蒸馏（Wheals et al.

47、1999; Schmitz, 2003; Schmitz 2005）。在2003年， 世界上61%的酒精产量是从糖类农作物（甜菜，甘蔗）或者淀粉类农作物（谷物，尤其玉米是主要的原料）来的。原材料占了原料酒精总成本的70%到80%，因此是酒精生产利润的重要决定因素。 酒精生产的基本方法经过几十年的逐步改进技术上已趋于成熟。为了使整个生产过程优化，须对以下步骤进行改进：l 培养基的选择l 用于生产的微生物的选择l 培养基的状态l 从碳水化合物到可发酵的单糖的转化l 糖转化成酒精的发酵过程l 酒精的后处理l 酒精生产的副产物和废料的利用l 所有设备的组成，设计，人员的分配等因素的综合考虑最近几年的方

48、法导致用玉米和甘蔗发酵酒精的方法的高度运用（见表2-2）。表2-3到表2-7 给出了在生产生化酒精的过程中，每一步生产工艺的概况，以及关键因素/要求，挑战和克服瓶颈的方法。为了在商业过程中可行，酒精的产量（作为投入的用于发酵糖的一部分来计算）必需达到理论值的90-95%，1g酒精l/h的产率应该获得（Zaldivar et al. 2001,p.23）。因为方法不断的改进，用淀粉生产酒精的生产成本从1980年的0.98US$/l酒精降到1993年的0.32US$/l酒精(Wyman 1994，p.11)。公布的生产成本估计在0.31-0.38US$酒精（Wooley et al.1999,p.

49、801）。到1998年，在巴西用甘蔗生产酒精的成本达到0.26US$/l 酒精(Zanin et al. 2000，p. 1155)。尽管有这些明显的改进，即使在最有利的条件下，生化法生产仍比用汽油生产花费更多。表 2-2 用甘蔗和玉米生产出的酒精的技术发展水平特征(Wheals et al. 1999；Vogelbusch，2006)甘蔗玉米作物的产量（t/ha）80-10012糖的产量（t/ha）12-15n.a.最大酒精产量6(liter/ha)90004400平均酒精产量(liter/ha)77502750平均发酵效率（%）9289典型发酵时间(h)6-1040酒精浓度(g/l)100100酒精生产力(g/l/h)24-8注：浓度和生产力的数据涉及到一系列无细胞循环（下限）和有细胞循环（上限）的作物。这些数据源自Vogelbusch(2006)，别的数据来自Wheals et al.(1999)。尽管发酵法生产酒精在技术上已经很成熟，在成本方面仍有缩小的空间。开发这方面的潜力能使生物酒精与以化石燃料为原料制得的能源更有竞争力。减少生