生工与化工前沿课程报告课件

工业生物技术发展与新产品可开采石油储量仅供人类使用40年；天然气约60年，煤炭200－300年。资源枯竭环境污染日益加剧可再生生物资源为原料可再生生物能源为能源环境友好核心技术：工业生物技术生物技术发展的三次高潮红色生物技术redbiotechnology（医药生物技术）

1982年重组人胰岛素的上市绿色生物技术greenbiotechnology（农业生物技术）

1996年转基因大豆，玉米和油菜相继上市白色生物技术whitebiotechnology（工业生物技术）

2000年聚乳酸的上市2003年，白色生物技术已影响全球5％的化学品市场（约500亿美金的市场值）预计，2015年，全世界的化工行业将有1/6产值源自白色生物技术，金额高达3050亿美元。现代工业体系的形成：以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物材料、生物化工、生物冶金为代表。工业生物技术工业生物技术指以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模采用生物体系生产人类必需的能源与化学品的先进技术，面向资源、环境、能源、人口与健康、材料和农业等领域的可持续发展。2001年，OECD在一些国家和地区进行了生物技术用于改造传统工业的21个试验。试验主要是测试生物技术对传统重污染工业的绿色改造效率：

改造纸浆和造纸行业方面，减少漂白过程10-15％的氯排放；漂白过程的能耗降低40％；

纺织业方面，减少14-18％的水耗量，与用水有关和空气散热方面费用减少50－60％，漂白构成的能耗降低9－14％；

塑料产品生产，减少20-80％对不可再生资源的需求，而且产品绿色可降解；

化学制药行业，VB2的生产，减少80％CO2排放量，减少67％的污水排放量；头孢类抗生素的生产，减少50％的CO2排放量，节约20％的能源消耗，节水75％。OECD指出：工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术。工业催化剂功能基因组学与代谢工程系统生物学国际工业生物技术的研究热点工业生物催化剂改性和提高

生物催化剂快速定向改造技术已被用于上百个酶的进化。如：枯草杆菌蛋白酶E在有机溶液中活性提高了170倍；

-内酰氨酶的耐抗菌素浓度提高了32000倍；卡那霉素核苷酸转移酶在60-65度的热稳定性提高了200倍。生物催化剂的发展方向

性能更好（选择性、热稳定性、溶剂耐受性等）、催化范围更广、催化速度更快、生产成本更低。生物催化剂具体的研究工作极端微生物：嗜高温、嗜低温菌、嗜盐菌、嗜极端pH菌等。嗜高温菌主要应用于食品工业和洗涤剂工业（已筛选出30多属中的70多种嗜高温菌）；嗜低温菌有助于提高热敏性产品的产量；嗜盐菌用于含盐体系催化剂。最近的研究集中在与工业生物催化相关的极端酶的认定上，包括：酯酶/脂肪酶、糖苷酶、醛缩酶、腈水解酶/酰胺酶、消旋酶等。非水相酶催化对一些传统化学催化困难的过程具有重要意义。通过改变溶剂和相条件，可以得到不同空间结构和光学特性的聚合物。为了提高酶活性和使用寿命，可采用化学修饰、表面改性、固定化等多种方法。催化剂改造

酶的改进技术主要集中于——基于酶结构和催化机理的理性分子设计；基于随机突变、DNA重排等技术的定向进化。尽管生物催化技术前景广阔，但发展还受到现有生物技术发展水平和研究水平的制约。目前已定性的酶有3000多种，其中商品酶200种，但工业上应用的仅50多种，大量工业生产的只有10多种。表明，酶工程仍然是一门年轻的学科，需要加强基础研究。代谢工程是在对细胞内代谢途径网络系统分析的基础上，进行定向的、有目的的改变，以更好的理解和利用细胞代谢进行化学转化、能量传递和超分子组装。通过对不同细胞菌体进行遗传改变并观察识别产生的生理响应，找出基因组-生理学之间的关系。根据功能基因组信息，可以进行代谢网络重建、优化与设计，进而通过代谢工程改进细胞菌体性能。系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。国际工业生物技术的未来发展趋势传统的以石油为原料的化学工业发生变化，向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移；利用生物技术生产有特殊功能，性能和环境友好的化工新材料，特别是生产一些用化学方法无法生产或成本高以及对环境产生不良影响的新型材料，如壳聚糖等。利用生物生产工艺取代传统工艺，如生物可降解高分子的生产。传统的发酵工业已由基因重组菌取代或改良；生物催化成为化工产品合成的支柱。我国工业生物技术现状近年来，在微生物资源、基因组学、蛋白质组学、代谢工程、酶蛋白分子等研究领域呈现快速成长的势头；主要产品：丙稀酰胺、谷氨酸、柠檬酸、VC、青霉素、黄原胶、L-苹果酸等。生物能源方面：酒精产量300多万吨，仅次于巴西、美国列世界第三。总体水平与世界水平差距：预计国外未来5年内将有一批产品至少在中试规模上用工程菌生产。我国大多研究仍停留在前期的单基因操作阶段，而生物能源、生物材料和精细化学品的生物制造技术和研究水平落后于发达国家10－20年。主要工业生物技术领域的研发现状生物能源生物材料生物基产品能源种类占全球能耗的比例％可使用年限/年煤25220石油3240天然气1760核能（裂变）4260非可再生能源占全球能耗比例及可用年限生物质能源将成为未来能源的重要组成部分。2015年，全球总能耗将有40％来自生物质能源。我国能耗占世界总消耗量的20％以上。生物能源生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质体内的一种能力形式，它以生物质为载体，直接或间接地来源于植物的光合作用。中国的生物质能主要源于农业废弃物、农林产品加工废弃物、薪柴、城市生活垃圾等。分布广泛且产量巨大。仅次于煤、油、天然气列第四位的能源。每年全球生物质通过光合作用产生的有机物达1800×108t（3×1021J），是全球总能耗量的10倍，而作为能源的利用量还不到1％。可再生性好。绿色能源。可以减少有害气体及烟尘排放量和温室气体增量；还可减少公害，如生产、生活废物堆积引起的大量占用耕地现象和对景观的影响。生物质能的特性：生物乙醇：理想的汽油替代品，美国运输燃料的2％。美国以玉米为原料生产；巴西以甘蔗为原料；欧盟以小麦或大麦。美国开发纤维废料生产酒精，构建了把秸秆中五碳糖发酵成酒精的重组大肠杆菌。生物柴油：优质的石油柴油替代品，美国运输燃料的0.01%。欧盟是最大生物柴油生产和消费地区。以油菜为原料生产，或以大豆、油菜籽等油料作物为原料。沼气：厌氧条件下生成的以甲烷为主的可燃气体。可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水土资源再生有促进作用。生物制氢：利用微生物代谢产氢。生物丁醇等新型生物液体燃料也在开发中。2000年，生物柴油和乙醇占欧盟柴油和汽油消费总量的1％，2003年生物柴油产量超过143万吨。美国能源部拟定将于2025年以生物燃油替代30％液体运输燃料、以生物基产品取代25％化石原料制品。2003年5月14日，欧盟委员会通过“促进运输生物燃油生产指令”。要求生物燃油消费量在2005年必须占各成员国汽车燃油消费量的2％，到2010年达5.75%。生物材料广义的生物材料：一切与生物体相关的应用性材料或由生物体合成的材料。狭义的生物材料：生物医用材料，即能够用来制作各种人工器官和制造与人工生理环境相接触的医疗用具和制品的材料。聚乳酸（PLA）：包装、纺织和医用材料；

合成方法：生物以葡萄糖合成乳酸，然后化学法高分子聚合反应合成聚乳酸。

生产厂家：2001年美国的CargillDow公司年产14万吨（NATUREWORKS）;2005年销量10万吨；日本JVC公司、三菱公司、富士通公司以玉米塑料生产DVD光盘、电池包装和电脑外壳等。预计2020年聚乳酸全球需求量达到1150-2300万吨。聚羟基脂肪酸酯（PHA）：生物医用材料和生物可降解包装材料。某些微生物在非平衡生长状态下的合成物。

特性：PHB高熔点、拉伸强度大，耐紫外线，生物相容性好，不含任何有毒物质等。

用途：作为新的医学材料，英国ICI公司将PHB作为无需拆除的外科材料。制备：构建高表达基因工程菌；通过转基因植物构建合成PHA。生产厂家：奥地利林茨化学工业公司，英国帝国化学工业公司ICI（Zeneca）PTT纤维材料：聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维。PTT纤维与PET（聚对苯二甲酸乙二酯）纤维、PBT（聚对苯二甲酸丁二酯）纤维同属聚酯纤维，由同类聚合物纺丝而成。生产工艺：生物合成1,3-丙二醇，与对苯二甲酸缩聚。Dupont和Genecer公司生产。预计2020年全球PTT需求量约为100万吨。涤纶：爽而挺，强力大，弹性较好，不易变形。不易起皱，在阳光下有闪光。锦纶（Nylon聚酰胺纤维

）具有很高的强度和耐磨性氨伦(聚氨基甲酸酯)

弹性纤维，弹性强，加强服装的伸缩性涤纶的稳定性和锦纶的柔软性防污性能好易于染色手感柔软干爽、挺括、良好的抗腐蚀性不久的将来，PTT纤维将替代涤纶和锦纶成为21世纪大型纤维。国际主要生物技术公司德国F.Hoffman-L-Roche公司核黄素德国/奥地利BIOCHEMIE公司7-氨基头孢烷酸荷兰DSM公司头孢氨苄日本田边制药公司（TananbeSeiyaku）氨基酸日本三菱丽阳公司酶法合成丙稀酰胺英国Avecia公司S-氯丙酸英国CIBA公司酶催化合成丙烯酸英国巴辛屯公司（Baxenden）酶催化合成聚酯美国CargillDow公司聚合物预计2020年，全世界将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。其他生物基产品酶、香料、化妆品、润滑剂、抗生素、杀虫剂、氨基酸、维生素、抗氧化剂及其他化学制品等。可降解化妆品包装（PHA）可降解唇膏转基因产品转基因药物：基因工程乙肝疫苗。DNA疫苗、口服植物型疫苗、治疗性乙肝疫苗有望成为新的研究热点。“中科红”海湾扇贝转基因鱼1985年我国生产了世界上第一批转基因鱼。可能存在的安全性问题——

遗传和生态安全性：外源基因的扩散导致种质资源的混乱，某些野生种可能因不具备竞争力而灭亡，威胁物种的遗传多样性；破坏原有的种群生态平衡。转基因食品的安全性——直接影响/间接影响

直接影响：营养成分、毒性或增加食物过敏性物质的可能性；

间接影响：引发基因突变或改变代谢途径，致使产物可能含有新的未知成分或改变现有成分的含量。转基因食品的安全问题，科学家持不同观点。有些专家支持，有些人认为是一种潜在的祸害。转基因咖啡全球转基因作物已达5870万公顷，比2001年增长了12％，涉及全球16个国家。美国第一，种植面积3900万公顷（66％）；阿根廷第二，种植面积1350万公顷（23％）；加拿大第三，6％；中国第四，4％，最大数量是转基因棉花。目前生产最多的转基因作物依次是大豆（62％）、玉米（21％）、棉花（12％）。转基因咖啡：安全、低咖啡因含量，美味。（日本正在研究中）转基因花草“蓝色妖姬”最早来自荷兰。是一种加工花卉．它是用一种对人体无