工业生物技术研究现状及发展趋势

工业生物技术的研究

现状与发展趋势

生物工程（技术）是指运用现代生物科学、工程学和其他基础学科的知识，按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能，用来发展商业性加工、产品生产和社会服务的新兴技术领域。

基础：现代生物科学、工程学等

方法：按照预先的设计，对生物进行控制和改造或模拟生物及其功能

目的：发展商业性加工、产品生产和社会服务

范畴：包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程五个方面，前四项是生物工程的四大支柱生物工程（技术）的定义

生物生产过程生物工程（技术）的核心是建立生物生产过程

细胞酶生物催化剂（游离或固定化）

原料基质或培养基（营养物质）

预处理上游加工过程

空气能量

生物反应器

检控系统生化反应过程

产品

提取副产品精制废物下游加工过程灭菌1、工业生物技术的崛起

2、工业生物技术产业的主要形式

3、工业生物技术发展的关键技术

4、工业生物技术的未来展望主要内容

◆人类活动需求的基本物质是人类文明的基础，而生物质一直是人类文明的重要物资基础。事实上，今天在地球上所发生的最大的物质和能量的循环（如C、N、O和太阳能）也是由生物加工所完成的。

自然生物质资源转化阳光游牧文明食物工业文明化石原料农耕文明衣食住行人类文明演化人口资源压力1万年3千年2百年文明演化方向新文明未来生物质一直是人类文明的重要物质基础。生物质资源加工利用方式的进步推动了人类文明的进步。

化石资源日益匮乏:

石油:50～100年

煤炭:20～30年

天然气:75～120年

文明危机：石油战争、资源争夺资源——外交政策和国家安全人类面临着前所未有的生存与发展的危机目前地球所面临的环境危机直接或间接与化石燃料的加工和使用有关。如化石燃料燃烧后放出大量CO2、SOx、NOx等，被认为是形成局部环境污染、产生酸雨以及温室气体等环境问题的根源。联合国人口基金统计2050年地球人口将达到100亿！！！年1900210020002020205017亿人口1970（forecast）增长的极限

（ClubofRome,1972）生长极限

资源人均食品产量

人均工业品产量

人口

环境污染文明冲突100亿人口

61亿人口发展生物质加工产业是解决人类文明冲突的重要途径生物工程是解决人类面临危机的有效途径

生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的生成过程如下

CO2+H2O+太阳能--（CH2O）+O2生物质的具体种类:植物类中最主要也是我们经常见到的有木材、农作物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等）、杂草、藻类等。非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。生物质作用生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能照射到地球后，一部分转化为热能，一部分被植物吸收，转化为生物质能；由于转化为热能的太阳能能量密度很低，不容易收集，只有少量能被人类所利用，其他大部分存于大气和地球中的其他物质中；生物质通过光合作用，能够把太阳能富集起来，储存在有机物中，这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。

植物是生物质的主要种类，如木材、农作物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等）、杂草、藻类等是生物加工产业的基础木质纤维素的成份

木质纤维素由纤维素、半纤维素、木质素和少量的可溶性固形物组成。(C6H10O5)n+nH2O→nC6H10O6纤维素葡萄糖(C5H8O4)n+nH2O→nC5H10O5半纤维素戊糖（木糖为主）木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物，是一种酚类聚合物，起胶质的作用，将纤维素和半纤维素连接在一起。

因化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧目前化学工业的生产模式必须要进行彻底的变革，转向以生物可再生资源为原料，生物可再生能源为能源，环境友好、过程高效的新一代物质加工模式。其核心技术是工业生物技术。

一、工业生物技术的新崛起

1、工业生物技术是生物质资源利用的关键工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。发展工业生物技术的任务，是把生命科学的发现转化为实际的产品、过程或系统，以满足社会的需要。工业生物技术不仅仅面对发酵行业，它已经开始进入包括农业化学、有机物、药物和高分子材料在内的很多领域，广泛应用于许多日常用品的生产，如洗涤剂和纺织品等，而且它的作用具有更加深远的意义2、工业生物技术的核心是生物催化生物催化剂与普通化学催化剂（通常为强酸和强碱等）相比，具有以下特点：（1）催化效率的高效性。每公斤天冬氨酸转氨酶可以催化生产本身质量10万倍的天冬氨酸。（2）专一性强。酶只选择催化某种反应并获得特定的产物，所以其位点专一性、化学专一性和立体专一性强。生物催化法可高效地生产大量的光学活性化合物。（3）环境友好。生物催化剂（酶与微生物）的本质是蛋白质，在使用后可方便地被消除。反应条件温和，一般在常温常压下进行，其能耗和水耗低，可大大降低化石能源和水资源的消耗，减少了温室气体的排放。是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。

3、工业生物技术的贡献1）制造路线变更生物催化过程(生物催化剂---绿色技术的重要应用)1)高效率，高转化率2)高选择性3)环境友好传统化学催化过程1)高能耗2)高物耗3)污染环境丙烯腈H2O脱色丙烯酰胺水合（室温）分离催化剂生物催化剂Yield99.99%Purity99.99％丙烯酰胺生产路线的变更化学催化路线生物催化路线Cu2+催化丙腈烯浓缩丙烯酰胺水合100℃催化剂分离除氧Cu2+除去和脱色丙烯腈H2O

Cu2+催化法生物催化法单耗～0.80.75产品纯度～95%99.99%副产物和杂质产物中存在Cu2+,基本上没有三废副产物少转化率83～87%99.99%成本高低温度（℃）10010能耗高低丙烯酰胺生产路线的比较只有生物催化法才能生产高纯度的丙烯酸，从而才可以合成超高分子量的聚丙烯酸，在三次采油中发挥重大作用。

工业生物催化技术的原料是生物质中国生物质可利用的数量我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在3.3×103～8.4×106kJ/m2之间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于2.4×104亿吨标准煤。如果将中国8％的土地覆盖上高能作物，达到世界平均水平的森林覆盖面积，按光合效能6.6％计算，相当于产生126亿吨标准煤。随着生物技术的发展，生物质数量将更大。

发展工业生物催化技术，实现生物质能源的高效利用，中国可以走向一条通往绿色生态现代化之路。2）原料路线变更——生物质3）以生物质为原料采用工业生物技术能

实现大多数产品的生产微生物代谢途径（生物催化网络）EMP的化学历程

糖原或淀粉1-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2

1，3-二磷酸甘油酸2

3-磷酸甘油酸2

2-磷酸甘油酸2

磷酸烯醇丙酮酸2

丙酮酸第一阶段第二阶段第三阶段葡萄糖葡萄糖的磷酸化磷酸己糖的裂解2-磷酸甘油和ATP生成丙酮酸和ATP的生成第四阶段糖酵解过程

OCH3-C-SCoACoASHNADH+CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP三羧酸循环

（TCA）

草酰乙酸再生阶段

柠檬酸的生成阶段

氧化脱羧阶段柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸－酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA延胡索酸苹果酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+③

①②生物质加工的产品体系C4C3C2C1生物质糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等乳酸、丙烯酸、丙二醇等丁二酸、富马酸、丁二醇、丁四醇等衣康酸、木糖醇等高分子材料产品和化学品柠檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等生物质加工过程就是酶催化的过程，21世纪是生物催化的世纪工业生物技术应用于大规模化学品生产已初见端倪，如农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域。21世纪是工业生物技术崛起的新纪元。中国也十分重视工业生物技术的发展。国家中长期科学与技术规划中将工业生物技术列为重点研究的领域。国家重大基础研究计划（973计划）将生物催化项目立项。国家高技术研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题。我国工业生物技术产业发展也较快。如目前我国的谷氨酸和柠檬酸产量为世界第一，但是技术水平和国外还有一定差距。总体来说，我国是工业生物技术产业大国，但还不是强国。二、工业生物技术产业的主要形式

工业生物技术在生物能源、生物材料以及生物质资源化（生物基大宗化学品和化工原料

）方面发挥着重要作用。

工业生物技术的新崛起有两个巨大的推动力，即社会强烈需求和生物技术的进步。人类社会发展迫切需要解决的问题是资源、能源、人口、环境问题。随着生物技术突破性进展，使得人类可以设计和构建新一代的工业生物技术，可高效快速地将各类可再生生物质资源转化为新的资源和能源。1、生物能源产业

2000－2020年将是世界各国大力发展生物质能的关键时期。目前，生物能源的主要形式有

1）燃料乙醇2）生物柴油3）沼气4）生物制氢清洁可再生生物能源的开发和利用是公众关注热点之一。其中，生物质能具有资源量大、相对集中、能量品位较高的特点。植物将低品位能源太阳能浓缩转变为高品位的化学键能，消耗CO2，产生大量氧气。木质纤维素和纤维素每年以约1.640ⅹ1011t的速度不断再生，以能量换算，相当于目前石油年产量的15－20倍。在基因工程、代谢工程发展的带动下，新一代能源作物和微生物物种的诞生将会大大地推动生物能源技术的进步。1）燃料乙醇乙醇燃料乙醇糖精馏除水发酵燃料酒精是目前应用最广泛的生物燃料，是较为理想的汽油替代品，已在一些国家和地区得到广泛使用。目前我国酒精年产量为300多万吨，仅次于巴西、美国，列世界第三，预计到2005年可达1000万吨。中国发展燃料酒精不应采用粮食转化的路线，需要发展木质纤维素生产酒精的综合利用技术，需要大力发展高效产糖的C4能源植物，如新品种甜高粱和甘蔗等。

目前乙醇作为燃料，政府必须补贴。补贴乙醇成本乙醇燃料价值赢余2666乙烯及衍生物价值2）生物柴油生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在下，发生酯化反应，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃烧。生物柴油环境友好，无需对现有柴油发动机进行任何改造即可使用，且对发动机有保护作用。立足于本国原料大规模生产替代液体燃料——生物柴油，对增强我国石油安全具有重要的战略意义。发展我国生物柴油，亟需解决油脂资源的生产问题。

3）沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87%，是其他加工技术所难以达到的。沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。4）生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术，所用原料是阳光和水，也可以是有机废水、秸秆等，来源丰富，价格低廉，生产过程清洁、节能。德国、英国、美国、日本、以色列、瑞典等许多同家的政府部门，对氢能源的开发及其应用技术的研究都给予了高度重视。我国对该领域的基础研究也给予大力支持。2

、

生物材料

与石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可生物降解、应用前景广阔的突出优点，但实现商业化还需要在价格上形成竞争力。目前已成功实现商业化的有Cargill

Dow公司的聚乳酸工厂和DuPont公司由1，3－丙二醇生产PTT的工厂。这两项成果标志着用生物原料生产的生物材料已经开始具备市场竞争优势（前者能耗降低30%～50%，后者降低25%）。聚乳酸是性能优异的功能纤维和热塑性材料，具有优异的成膜和成纤维的能力，可以用来做包装材料和纺织材料。聚乳酸的生产主要是通过生物法将葡萄糖转化成乳酸，然后再通过化学法进行高分子聚合反应，生成聚乳酸。采用1，3－丙二醇与对苯二甲酸进行缩聚，制造的聚酯PTT纤维材料具有良好的抗腐蚀性，又具有尼龙66的弹性，且更容易印染，被认为是一种优质的高分子纤维材料。3、生物质资源化（生物基大宗化学品和化工原料

）生物质加工的重大产品体系C4C3C2C1生物质糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等乳酸、丙烯酸、丙二醇等丁二酸、富马酸、丁二醇、丁四醇等衣康酸、木糖醇等高分子材料产品和化学品柠檬酸、山梨醇等C5C6苯、苯酚等甲烷是最重要的C1平台化合物，也是最重要的生物能源之一生物乙醇是最重要C2平台化合物乙醇乙烯燃料乙醇糖环氧乙烷乙二醇精馏除水催化脱水发酵

生物乙醇作为一个纯物质，熵值较低，如果与普通燃料（混合物）一样用于燃烧产生能量，其在经济性上不太合理。更适宜用于制造其他纯物质如生物乙烯等。

目前乙醇作为燃料，政府必须补贴。

生物质加工乙醇，生产生物乙烯已具备产业化商业化条件，并与新建石脑油乙烯装置竞争。（中东乙烷乙烯除外）补贴乙醇成本乙醇燃料价值赢余2666乙烯及衍生物价值我国生物乙烯面临重大需求2003年2005年2010年2020年乙烯1620万吨1900万吨2600万吨4000万吨取代率10％30％生物乙烯5万吨260万吨1200万吨生物乙烯的产值5亿元260亿元1200亿元我国生产乙烯的满足率平均不到50％，需要大量进口。

1吨乙烯需要3吨石脑油，且消耗1吨标油。巨大的市场需求和经济可行性为生物乙烯的产业化提供了巨大的动力。我国已有3万吨/年生物乙烯的工业装置，用于生产3万吨/年环氧乙烷，经济效益良好。印度、巴西等国已有40万吨生物乙烯的生产规模。

中东乙烯—乙醇（运输）—乙烯乙醇乙烯原料生物乙烯的关键技术生物乙烯的关键技术：1）低成本的发酵糖（原料）制备高技术。2）代谢工程技术改造酒精发酵菌种，提高发酵乙醇的相对纯度，有效减少与乙醇物性相近的轻质组分（如某些醇类、酯类等）的产生。3）研究生物乙烯工艺过程中的反应分离耦联技术和乙醇发酵与乙醇脱水工艺耦联工艺，降低整体工艺过程的转化效率和能耗。选择低成本的原料路线是降低生物乙醇、生物乙烯乙烯生产成本和提高市场竞争力的关键。目前用于发酵生产乙醇的原料主要为▲淀粉质原料（80%）▲糖蜜原料（10％）。我国利用淀粉质原料生产乙醇和利用糖蜜原料生产乙醇的工艺成熟稳定，技术可行，糖转化率已达92～96％的水平。但是粮食类淀粉质原料，如玉米等价格较高，达到1400元/吨，使得乙醇的生产成本较高。低成本的发酵糖（原料）制备高技术低成本原料的生物乙醇工艺路线：▲采用低成本的非粮食类淀粉质原料，如木薯、红薯、陈粮等。▲以低成本木质纤维素原料生产乙醇的工艺是未来乙醇生产的重要发展方向。五碳糖利用是降低成本的关键甘蔗或甜高粱发酵糖非发酵糖纤维素半纤维素木质素葡萄糖木糖苯酚苯燃料油燃料气1/21/21/31/31/31/51/71/82/7能源材料化学品裂解氢解乳酸是最重要C3平台化合物乳酸乳酸酯聚乳酸糖丙烯酸催化脱水发酵1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸，理论上1吨糖可得1吨乳酸，实际转化率可以达到95％－98％。乳酸及乳酸甲酯脱水生成丙烯酸（甲酯）转化率达88%，但是尚未工业。甘油1,3-丙二醇葡萄糖3-磷酸甘油醛3-羟基丙醛二羟丙酮磷酸二羟丙酮NADHNAD+NADHNAD+ATPADP乙酸乙酰辅酶A乳酸琥珀酸丙酮酸6-磷酸葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸ADPATPADPATP乙醇2,3-丁二醇NADHNAD+ADPATP2NAD+2NADH1,3-丙二醇氧化还原酶甘油脱水酶NADHNAD+2NAD+2NADHADPATPNADHNAD+ATPADPATPADP甘油脱氢酶激酶1，3－丙二醇的代谢途径C3平台化合物丁醇、丁二酸、丁二醇、富马酸等是重要的C4平台化合物富马酸糖丁二酸2,3-丁二醇1,4-丁二醇丁醇丁二烯葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA柠檬酸丁二酸富马酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸富马酸（129％）丁二酸乙醛乙醇乳酸EMPATP+NADH2NADNADH2(7)NADNADH2CO2CO2(8)(9)(10)H2OCO2ATPNADH2NADCO2NADNADH2(1)(2)(3)(4)(5)(6)TCA线粒体胞液途径（64％）利用代谢工程手段，可以大大提高目标化合物的产量。反应分离耦合技术CO2调控三、工业生物技术的关键技术问题工业生物技术存在着一些关键技术问题亟待解决，目标是大大提高工业生物技术的效能。

1）

微生物资源库和微生物功能基因组学技术

◆微生物是生物圈的基础，控制地球的生物化学循环，影响土壤的生产力、水质和全球气候。◆微生物可解决人类面临的能源和环境问题。◆微生物具有巨大的潜力，几乎可以捕获任何形式能源。因此利用微生物可以进行能源生产。◆微生物能够适应环境的多样性，减轻环境的威胁，如极端pH值、温度和盐度。因此利用微生物可以在工业环境中大规模催化生产化学品。微生物是工业生物技术的基础微生物物种巨大的多样性及其基因改造的巨大潜力，将其与精妙现代工程技术结合，为人类提供了新的巨大机遇，工业生物催化技术的发展前景十分诱人。医药生物技术人类基因组学及相关科学农业生物技术动植物基因组学及相关科学工业生物技术微生物基因组学及相关科学推动目前人类所了解的微生物仅占总数1％，故以微生物应用为主的工业生物催化技术的发展潜力非常大，发展空间较大。推动推动拉动人口健康食品资源能源环境拉动拉动科学技术社会需求RedBiotechnologyGreenBiotechnologyWhiteBiotechnology微生物物种巨大的多样性及其基因改造的巨大潜力，将其与精妙现代工程技术结合，为人类提供了新的巨大机遇，工业生物催化技术的发展前景十分诱人。

利用极端微生物的独特基因资源，从而发现一些具有工业应用价值的新酶。极端微生物强碱强酸高温高寒生物催化剂多样性研究目前已经有200多种微生物的基因组被全测序几种重要模式微生物的全基因已经被测序E.coli运动单胞菌酿酒酵母乳杆菌米根霉菌蛋白质序列测试数据基因序列测试数据基因