生物技术与化学工业的可持续发展

生物技术与化学工业的可持续发展第1页/共82页可持续发展面临的问题资源能源水源环境土地人口第2页/共82页保持可持续发展的对策1.循环经济（资源循环使用）2.节约资源（能源），发掘新资源3.利用国际资源4.提高资源（能源）利用效率5.绿色产品、绿色工艺6.采用生物技术7.保护环境及土地8.控制人口减少资源能源消耗减少废弃物排放改变原料路线改变物质生产工艺第3页/共82页世界各国产出1美元的能源消耗比较日本1.00意大利1.33法国1.50德国1.50英国2.17美国2.67加拿大3.50中国11.50第4页/共82页生物技术能做些什么？改变产品生产原料路线改变产品生产工艺第5页/共82页生物技术产业的特点利用再生性资源符合可持续发展生产过程温和污染少，多为可利用废料自身效率提高潜力大第6页/共82页生物技术改造后自身效率提高实例α-淀粉酶热稳定性提高，活力增加2500倍6-磷酸葡萄糖脱氢酶酶活性提高1000倍洗涤剂用蛋白酶抗螯合剂性能提高1000倍半乳糖苷酶特异性提高1000倍腈水合酶酶活性提高1500倍井冈霉素250倍7051杀虫素300倍第7页/共82页生物技术生产化学品的方式生物质原料产物相关底物产物多酶系统催化（发酵）单酶催化（生物催化）第8页/共82页生物直接生产的化学品1.

医药品6.

色素2.

农药7.

化工原料3.

维生素8.

能源产品4.

氨基酸9.高分子聚合物5.

有机酸10.

保健品第9页/共82页生物技术生产农用抗生素赤霉素井冈霉素7051杀虫素浏阳霉素Spinosaid多氧霉素多醚类抗生素放线酮黄霉素多粘菌素第10页/共82页生物质原料生产的主要有机酸世界产量中国产量柠檬酸105万吨30万吨乳酸15万吨15000吨衣康酸3万吨6000吨第11页/共82页生物质原料生产的主要氨基酸世界日本中国L-谷氨酸150万吨8.5万吨72万吨L-赖氨酸40万吨500吨20000吨L-谷氨酰胺2100吨1200吨－L-脯氨酸500吨250吨250吨L-苏氨酸30000吨5000吨400吨L-精氨酸1500吨1000吨－第12页/共82页生物技术生产维生素β-胡萝卜素维生素C维生素D维生素B2泛酸菸酰胺生物素维生素B12第13页/共82页生物技术生产保健品不饱和脂肪酸冬虫夏草虾青素灵芝辅酶Q10云芝有益微生物异黄酮第14页/共82页生物质原料生产高分子化合物蛋白质（大豆蛋白、丝蛋白）核酸壳聚糖纤维素（木质纤维、棉纤维）黄原胶多聚β-羟基丁酸聚谷氨酸聚赖氨酸聚精氨酸第15页/共82页生物技术生产化工原料甲醇乙醇丙酮丁醇乳酸丙酸二元酸衣康酸乙酸琥珀酸甘油1,3-丙二醇第16页/共82页生物技术的能源路线太阳能陆地：1150亿吨/年海洋：550亿吨/年碳水化合物生物柴油农业生物技术25吨/公顷甲醇乙醇甲烷氢1700亿吨/年第17页/共82页生物技术生产乙醇生产工艺的进步糖蜜淀粉葡萄糖乙醇淀粉乙醇化学品纤维素葡萄糖乙醇酒精浓度10％20％生产用菌种：耐高温、耐乙醇、耐渗透压自凝絮、快发酵传统化工工艺第18页/共82页乙醇代替汽油的可能性美国巴西燃用乙醇400万吨1200万吨第19页/共82页石油有关的生物技术生物脱腊生物三次采油生物脱硫石油制品中含硫量受到控制1996年2000年目标汽油美国400ppm50－100ppm欧共体500ppm100ppm柴油美国2500ppm500ppm欧共体500ppm350ppm日本2000ppm500ppm韩国2000ppm500ppm泰国5000ppm500ppm第20页/共82页生物催化脱硫流程第21页/共82页生物催化反应1.氧化9.缩合15.核苷化2.还原10.氨基化16.卤化3.脱羧11.乙酰化17.转移4.脱氨12.脱甲基18.重排5.水解13.酰胺化19.异构化6.甲基化14.脱甲氧基8.脱水第22页/共82页生物催化技术生产化学品淀粉麦芽糖、葡萄糖葡萄糖果糖富马酸L-天冬门氨酸富马酸L-苹果酸环氧琥珀酸L-酒石酸丙烯腈丙烯酰胺丙烯腈丙烯酸苯对苯二酚L-天冬门氨酸L-丙氨酸肉桂酸L-苯丙氨酸淀粉酶、糖化酶异构酶天门冬氨酸酶苹果酸酶水合酶腈酶水合酶加氧酶脱羧酶加氨酶第23页/共82页酶催化在光学活性手性化合物合成中的应用1.水解5.氧化2.还原6.加氨3.羟基化7.水解4.异构化第24页/共82页手性化酶脂酶醇氰酶腈酶酰胺酶还原酶转氨酶羟基化酶旋光异构酶第25页/共82页微生物酶异构化合成手性化合物NOClNH3BackmanrearrangementreactionH2SO4CyclohexeneNitrosdimerDL-AminocaprolactamD-型L－型L-Lysine异构酶水解第26页/共82页氨基化合成氨基手性化合物加氨酶第27页/共82页水解手性化水解酶第28页/共82页还原手性化还原酶DL-（L-）（D-）第29页/共82页Microbialreductionofinabenfideketonederivativeto(S)-inabenfideKetonederivativeofinabenfide(s)-inabenfideAgonomycetalessp.yield:98%opticalpurity:ca100%第30页/共82页Asymmetricenzymatichydrolysisofracemicallethrolonacetateto(R)-allethrolonmicroorganismorenzymeacetateofracemicallethrolon(R)-allethrolon(S)-allethrolon第31页/共82页生物技术在工业中应用的问题生物技术效率低、成本高产物浓度稀在水溶液中反应水消耗量大酶（生物体）安定性差易污染杂菌工艺过程复杂、控制点多计算机联机控制较难操作者技术素质要求高动植物细胞培养技术问题更多胰腺癌手术前后如何护理/a/yixianaihuli/2014/1103/129.html第32页/共82页生物技术在化工领域应用

优先研发的课题实现几个关键化工原料产品的经济性产业化从可再生资源开发新产品更广泛地发现新生物源改造生物，提高生物加工效率开发生物催化的新领域开发未利用的生物资源生产有用物质解决生物技术规模生产的工程问题，控制及过程检测问题基因重组技术的开发和应用第33页/共82页利用生物质开发生物源农药静丝霉素（Cystamycin）链丝霉素新多氧霉素杀粉蝶素潮霉素抗霉素三烯霉素Starosporine莫能霉素放线酮灭瘟素第34页/共82页发现的新生物源农药活性物质磷氮霉素白肽霉素制黄杆菌素拟鲥霉素变构霉素RS-22A、B、C第35页/共82页磷氮霉素类化合物的结构第36页/共82页AntifungalavtivityofphosphazomycinCTestorganismMIC(μg/mL)*AspergillusoryzaeIFO52391.6A.niger1.6Penicilliumchrysogenum0.4TrichophytonmentagrophytesIFO62020.4CochliobolusmiyabeanusIFO52771.6PyriculariaoryzaeIFO59440.8RhizoctoniasolaniIFO625825ColletotrichumlagenariumIFO7510.05BotryotiniafuckelianaIFO53650.0004GlomerellacingulataIFO97670.2AlteriariamaliIFO89840.025FusariumoxysporumIFO976112.5*Conventionalagardilutionmethodwasemployedusingpotato-sucrosemedium.MICswereobservedafter72hoursincubation.第37页/共82页磷氮霉素对黄瓜灰霉病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm99.398.598.598.599.350ppm100100100100100磷氮霉素对菌核病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm10081.368.883.178.150ppm100100100100100第38页/共82页磷氮霉素增加血小板作用

（体内试验）剂量mg/kg投药天数血小板数×1040.1382.180.1488.560.15110.060.16115.060.3386.620.34101.780.35125.040.36152.22对照384481.14586.54688.68第39页/共82页变构菌素的结构Tautomycetin第40页/共82页AntimicrobialactivityoftautomycinTestorganismMIC(μg/ml)BotrytiscinereaIFO536512.5AlternariamaliIFO898450PyriculariaoryzaeIFO599450ColletotrichumlagenariumIFO751325GlomerellacingulataIFO976750Cochliobulusmivabeanus25RhizoctoniasotaniIFO6258200Fusariumoxysporum200Aspergillusniger50Penicilliumchrysogenum50Theconventionalagardiutionmethodwasused.Medium:potato–sucroseagar.第41页/共82页拟鲥霉素的结构第42页/共82页拟鲥霉素的抗菌作用抑菌圈直径（30μg/disc）黄瓜灰霉病菌(Botrytiscinerea)40mm黄瓜炭疽病(Colletotrichumlagenarium)20mm水稻稻瘟病(Pyriculariaoryzae)0格链孢菌(Alternariamali)0水稻黄单孢菌(Xanthomonasoryzae)0大肠埃希氏菌(Eschiacoli)0金色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)0白色念珠菌(Candidaalbicans)0第43页/共82页拟鲥霉素的抗菌作用试验化合物喷药浓度防治效果药害SR-105096无2594无12.587无6.2577无苯莱特*25092对照处理-0－*1－（丁基氨基甲酰）－2－苯并咪唑第44页/共82页白肽霉素的结构第45页/共82页白肽霉素的抗菌活性TestorganismMinimalinhibitoryconentration(mcg/ml)AlbopeptinAAlbopeptinBAlternariamaliIFO898412.512.5BotrytiscinereaIFO536512.512.5CollectotrichumlagenariumIFO751312.512.5PyriculariaoryzeaIFO59942525FusriumoxysporumIFO97615025RhizoctoniasolaniIFO625812.525AspergillusoryzeaIFO52395050GlomerellacingulataIFO97672525CochliobollusmiyabeanusIFO52772512.5TrichophytonmentagrophytesIFO620210010CandidaalbicansIFO15945050SaccharomycescerevisiaeIFO03045050StaphylococcusaureusIFO127322512.5BacillussubtilisIFO35132512.5EscherichiacoliIFO3301＞100＞100PseudomonasaeruginosaIFO13130＞100＞100第46页/共82页制黄杆菌素的结构第47页/共82页制黄杆菌素的抗菌活性TestorganismMinimalinhibitoryconcentration(mcg/ml)XanthomonasoryzaeIFO33122XanthomonasoryzaeIFO37814EscherichiacoliIFO3301＞1,000SalmonellatyphimuriumTV119＞1,000Staphylococcusaureus209PIFO12732＞1,000BacillussubtilisIFO513＞1,000第48页/共82页RS-22活性成份的化学结构RS-22A:R1=H,R2=HRS-22B:R1=CH3,R2=HRS-22C:R1=CH3,R2=CH3第49页/共82页实现产业化的研究成果可再生资源生产活性物质井冈霉素7051杀虫素浏阳霉素Lovastatin2098FK506金核霉素Tautomycin胰腺癌食欲差怎么办/a/yixianaihuli/2014/1103/130.html第50页/共82页井冈霉素A白色吸湿性粉末，微碱性分子式：C20H35NO13分子量：497.5熔点：无固定熔点，约102℃开始熔化，135℃分解旋光性：旋光〔α〕110°±10（C=1H2O）溶解性；溶于水、甲醇、DMF、DMSO；微溶于乙醇、丙酮；不溶于酯、醚、苯等有机溶剂稳定性：pH5～9时稳定第51页/共82页井冈霉素对主要病害的防治作用DiseaseConcentrationa.i.(ppm)Preventionefficacy(%)水稻小球菌核病Helminthosporiumsigmoideum40ppm95黄瓜立枯病Rhizoctoniasolani40ppm100菜豆菌核病Sclerotiniasclerotirum25ppm80水稻稻曲病Ustilaginoideadvirens80ppm100小麦纹枯病Rhizoctoniasolani80ppm85水稻纹枯病Pelliculariasasakii30ppm100第52页/共82页井冈霉素年产量及防治面积（亿亩/次）年份1971～19791980～19831984～19861987～19941995～2003产量（t）450190036001500～20003000～4000可防面积0.93.87.23～4/Y6～8/Y井冈霉素的发酵水平（微克/毫升）年份19701976197719781979～19811982～发酵单位80300060001200020000～3000020000～30000第53页/共82页井冈霉素和有机砷制剂的比较有机砷井冈霉素原料非再生性资源可再生性资源对动物毒性40－50mg/kgLD50＞5000mgkg对植物和其他生物毒性对水稻有毒害无毒对土壤污染残留在土壤中易分解，无残留生产过程中的三废废气、废渣、废水除释放CO2外无其他废料每亩用药量30－50克3－5克第54页/共82页7051杀虫素原料淀粉黄豆粉等农副产品微生物发酵第55页/共82页7051杀虫素和目前常用杀虫剂效果的比较药剂类型田间用药量（克/公顷）有机氯500－3000有机磷600氨基甲酸酯700除虫菊酯类10－2007051杀虫素1－10第56页/共82页7051杀虫素生产的工艺路线生产菌种制备种子罐发酵罐放罐压滤上柱吸附解吸浓缩结晶制剂第57页/共82页7051杀虫素产业化后的经济效益年份新增产值（万元）新增利税创收外汇1993～1994年7290.002754.704176.001995年12537.004420.008759.001996年15205.004485.006229.001997年22010.007800.0012500.00第58页/共82页浏阳霉素结构及其急性毒性药物动物给药部位LD50（mg/kg）纯品小鼠口服＞10000大鼠口服＞10000制剂小鼠口服＞5000经皮＞2000R1,R2,R3,R4=methyl;nonactinR1,R2,R3=methyl,R4=ethyl;monactinR1,R2=methyl,R3,R4=ethyl;dinactinR1=methyl;R2,R3,R4=ethyl;trinactinR1,R2,R3,R4=ethyl;tetranactin第59页/共82页浏阳霉素对抗性螨害的防治效果药剂药前基数（螨头数/叶）用药后减退率（％）8天22天36天5％复方浏阳霉素16697.895.699.5三菊杀螨醇25增加160％浏阳霉素对天敌昆虫的影响天敌浓度（mg/cm2）死亡率金小蜂4.35×10-4017.4×10-40回斑目瓢虫50ppm孵化率98.9%100ppm孵化率86.8%第60页/共82页2098抗生素2098＝FR900520

R＝CH2CH3

FK-506R＝CH2-CH=CH2第61页/共82页Compactin类降低胆固醇药物CompactinProvastatinLovastatinSimvastatin第62页/共82页变构霉素的结构第63页/共82页AntimicrobialactivityoftautomycinTestorganismMIC(μg/ml)BotrytiscinereaIFO5365125ColletotrichumlagenariumIFO7513125PyriculariaoryzeaIFO5994125RhizoctoniasolaniIFO6258125Aspergillusniger125AlternariamaliIFO8984500GlonerellacingulataIFO9767500XanthomonasoryzaeIFO331232X.CitriIFO378132StaphylococcusaureusIFO12732＞500EscherichiacoliBE1186＞500BacillussubtilisIFO3513＞500Theconventionalagardilutionmethodwasused.Medium:Potato-sucroseagarforyeastsandfungi.Bouillonagarforbacteria.第64页/共82页腈酶、腈水合酶在工业上的应用丙烯酰胺工业化生产脂肪腈化合物的催化水合芳香腈化合物的催化水合杂环腈化合物的腈化水合手性催化中的应用第65页/共82页分解腈类化合物的微生物BacillusEnterobacterBacteridiumEscherichiaMicrococcusFravobacteriumBrevibacteriumAeromonasCorynebacteriumMycoplanaNocardiaCellulomonasPseudomonasErwiniaRhodococcusCandidaArthrobacterusAspergillusRhizobiumCochliobolusAcinetobacterRhodopseudomonasAlcaligenesStreptomycesCaseobacterPenicillumGordonaFusariumAureobacterium第66页/共82