工業生物技術與生物煉制

姜岷Email:jiangmin@

南京工業大學制藥與生物工程學院

Historyofbiotech.

生物技術的發展史

經驗生物技術時期：天然發酵階段（混合發酵）

近代生物技術建立時期：純種培養、通風攪拌發酵技術中國有著悠久的生物技術應用的歷史早期的作坊式生物技術代表：夏朝釀酒商朝制醬周朝釀醋

現代生物技術進步的重要標志——

青霉素深層發酵

1928年，弗萊明爵士發現青霉素

1944年，輝瑞公司開發了青霉素大規模液體深層發酵標志工業化生物技術的誕生醫藥生物技術人類基因組學及相關科學農業生物技術動植物基因組學及相關科學

工業生物技術微生物基因組學及相關科學推動推動推動拉動人口健康食品資源能源環境拉動拉動科學技術社會需求RedBiotechnologyGreenBiotechnologyWhiteBiotechnology現代生物技術的發展歷程醫藥生物技術現代生物制藥發展包括兩個方向：“采用基因工程的加工技術來生產蛋白質”和“將基因和分子生物學領域先進技術作為研究工具”。前一類藥品仍將是未來5-10年生物技術藥品市場的主流，后一類藥品代表著生物技術行業的研發方向，主要指靶向性藥物，包括治療型單抗和治療型疫苗領域。抗生素：青霉素等生物法制備的藥物及其衍生藥物農業生物技術農業生物技術是指運用基因工程、發酵工程、細胞工程、酶工程以及分子育種等生物技術，改良動植物及微生物品種生產性狀、培育動植物及微生物新品種、生產生物農藥、獸藥與疫苗的新技術。Industrialbiotechnology

以微生物或酶為催化劑進行物質轉化，大規模生產人類所需的化學品、醫藥、能源、材料等，是解決人類目前面臨的資源、能源及環境危機的有效手段。

依賴化石資源的工業文明利用不可再生的化石資源，集中的生產方式，高的生產效率，創造了大量的物質財富，豐富人類的物質社會，創造了當今繁華盛世。工業文明在科學技術上取得巨大的進步，是未來人類物質文明的科技基礎。基于化石資源的工業文明的巨大成就化石經濟，付出了巨大的環境代價（白色污染、水污染、空氣污染、臭氧層空洞、全球變暖等）工業文明的惡果：環境污染文明的困惑：資源能源短缺化石資源的替代？資源危機能源危機環境危機化石經濟化石經濟發展工業生物技術，尋求化石資源的替代已經成為社會經濟可持續發展的重大戰略方向。社會經濟可持續發展生物經濟遠古生命體是今天化石能源的來源煤炭石油天然氣植物藻類動物

今天的煤、石油、天然氣是遠古時動植物、藻類死后沉積后經過億萬年物理化學變化形成的。遠古生命體是生物固定CO2的產物早期地球，CO2占空氣量的80%，氧氣不多，溫度達460oC溫室效應嚴重當今地球，藍色星球擁有防輻射的臭氧層，CO2占空氣量0.038%，氧氣21%植物消除大量CO2海藻今天的藍色星球，源于生命的拓荒混沌世界生態樂園溫室氣體排放導致的地球溫室效應帶來嚴重的災害性氣候北極冰融化颶風肆虐冰災突襲干旱頻發

當使用石油與煤炭時，就意味著將遠古時期埋藏的CO2釋放出來，由于人類超量使用化石資源排放大量溫室氣體，帶來嚴重的溫室效應，導致災害性氣候頻發，已造成農業減產、絕收，引發糧食危機和社會危機。洪水爆發荒漠推進大氣中CO2濃度導致氣溫上升CO2濃度氣溫

目前，空氣中CO2含量較100年前已提升了35.7%，并導致了約1oC的溫升。氣溫上升1.5oC，20%物種將面臨滅絕。氣溫若升高2oC，海平面則可能上升0.4-1.4米，我國東南沿海部分城市將不復存在，如上海我國的CO2排放問題已相當嚴峻我國的發電、鋼鐵、水泥、汽車造成的工業排放總量已超過美國，居世界第1位，人均已超過世界平均水平，實際遠不止這些我國的單位GDP能耗是世界平均水平的3.1倍。比美國高5倍，比日本高8.2倍，甚至比菲律賓還高3.52倍中國單位GDP的二氧化碳排放量是美國的5.5倍，日本的13.8倍，高收入國家平均水平的7.9倍，世界平均水平的4.6倍CO2排放問題將可能引發政治危機Carbontariff

面對國際金融危機的嚴峻形勢，歐美國家已提出碳關稅。面臨這一形勢，我國將如何應對？低碳經濟：我們必須的選擇與重大機遇

現代人類活動與化石能源引起的溫室效應、干旱、洪災、冰川融化…，我們已不能承受

21世紀末溫升可能超過5oC西方經濟與科技模式的問題低碳：未來經濟的核心，未來科技的特征低碳經濟模式經濟轉型的若干問題：能源工業和材料工業是基礎工業轉型的核心

工業與經濟核算的模式變更全生命周期的質量、能量、成本、效益分析全生命周期的碳排放分析據估計，全球每年能產生相當于650億噸碳的生物質，僅需利用小于10%生物質資源，即可替代化石資源。生物質資源：永不枯竭的金礦產品化學品和能源植物生物量陽光過去化石資源石油路線現在和將來生物可再生資源生物路線原料和加工路線的變更微生物代謝途徑石油路線生物路線粗原料終產品原料

中間體平臺

化合物衍生

化學品合成

中間體生物能源精細化學品生物基材料微生物工業制劑大宗化學品超過GDP約40%的工業是生物制造發展的空間生物制造是全球戰略性新興產業生物高分子材料生物基單體聚合物生物質加工材料食品與配料大宗發酵產品化工醇、酸、溶劑、涂料、表面活性劑抗生素、維生素、有機酸、氨基酸、酶制劑等甾體激素、手性胺、手性醇、醫農化產品發酵食品、功能食品、添加劑、功能菌劑等生物冶金、生物造紙、生物制革、生物紡織等菌劑工業生物技術是生物質資源利用的關鍵OECD提出：“工業生物技術是工業可持續發展最有希望的技術”。OECD預測：至2030年，將有35%的化學品和其它工業產品來自生物制造工業39%農業36%醫藥25%2030年：生物技術的經濟貢獻與環境效益生物制造已顯示出巨大潛力生物制造已經成為世界各經濟強國的國家戰略重點，工業生物技術正在育成一場新的產業革命世界各國在行動，美國《2020年制造業挑戰的展望》明確將工業生物制造技術作為戰略技術領域，并列為2020年制造技術挑戰的11個主要方向之一。

美國：2005年，美國農業部以及能源部的報告均提出了發展生物基能源和生物基產品，逐步實現有機化學品和石油燃料的生物基替代。

歐盟：“生物煉制細胞工廠”關鍵行動日本：“陽光計劃”印度：“綠色能源工程計劃”1989年，成立了國內首家工業生物技術研究所1995年，成立國家生化工程技術研究中心“十一五”期間，提出了利用生物質生產大宗化學品工業生物技術列入國家中長期科學和技術發展規劃(2006-2020年)2003年和2006年國家“973”項目立項世界各國共同掀起工業生物技術的熱潮生物制造相關路線圖

美國：生物質發展路線圖美國：GTL路線圖歐洲：21世紀可持續化學工業路線圖加拿大：基于生物的基礎原料、燃料及工業產品科技創新路線圖糖平臺

葡萄糖果糖木糖阿拉伯糖高分子材料平臺化合物基礎原料成份分離SGC2C3C5C6C4淀粉半纖維素纖維素蛋白質碳水化合物熱化學平臺合成氣平臺化合物系列生物質H2、甲烷混合醇衣康酸乙酰丙酸富馬酸丁二酸天冬氨酸蘋果酸檸檬酸葡萄糖酸山梨醇乳酸、甘油丙烯酸3-羥基丙酸乙醇、乙烯微生物現代化學工業體系木質素油脂生物質能源現狀

生物質能是優質的可再生能源：生物質合成是地球上最大的CO2固定途徑

生物通過光合作用固定CO2制造生物質為我們提供了可觀的能源來源CO2陸生植物1100億噸生物質海洋藻類600億噸生物質固定1600億噸CO2固定880億噸CO2光合作用產生大量O2改善大氣環境生物質能是相對穩定的再生能源

溫室效應帶來其他可再生能源的不確定性，如水電，而生物質能源來源可能增加第一代生物質能：燃料乙醇美國：玉米，占全球52%，產值約200億美元（大量）巴西：甘蔗，車用燃料主體（大量）中國：糧食安全、耕地、水資源（少量，難以普及）秸稈生產纖維素乙醇（第二代）的困境目前纖維素轉化為葡萄糖的成本依然是主要障礙自然界沒有能利用木糖產生乙醇的微生物構建的同時利用木糖和葡萄糖產酒精的工程菌依然還不是很成熟纖維素酶2000元/噸產品，補貼近3000元/噸產品木糖葡萄糖乙醇第一代生物質能：生物柴油中國：利用廢棄油脂、非食用油脂資源（少量，難以普及）各國國情不同歐洲：菜籽美國：大豆南美：棕櫚油（大量）生物柴油B10率先商業化推廣常州市新北區60輛環衛車輛使用B10常州卡特新能源的B100已公路試驗2年，即將商業推廣種植萬畝蓖麻，開發新型植物基潤滑油、增塑劑、聚氨酯等生物可降解材料廢棄油脂生物柴油利用邊際土地和沿海灘涂的潛力不小中國生物質能源之路：利用低劣生物質積極穩妥推廣生物燃油和生物燃氣及發電戰略應該是分步走臺階式的積極戰略：基礎技術和應用基礎研究大力發展利用沿海優勢和能源作物大力發展低劣生物質利用中國有農作物秸稈、廢棄林木和生物煉制加工剩余物的木質纖維等材料7億噸我國每年會產生極其可觀的低劣生物質種類年產生量（億噸）城市生活垃圾1.55養殖業畜禽糞便11.4農村家庭生活垃圾2.5農作物秸稈7林木剩余物3農產品加工副產物1能源作物副產物2.6水生植物2.6污水處理廠剩余污泥2城市生活污水260目前中國低劣生物質利用概況

生活固體垃圾填埋，產生的甲烷排放問題秸稈大量焚燒產生氣體污染與大規模還田可能引發的甲烷排放問題大量糞便（14億人口；約占世界一半的養殖業糞便）排放江河，少量被城市污水站曝氣處理，消耗大量能源，排放CO2我國低劣生物質利用的特點資源高度分散

我國小城鎮和農村及農業污染占污染總量的90%以上；全國4.1萬鄉鎮、69萬行政村。收集、運輸過程導致集中傳統處理成本高昂。適合采用生物轉化糞便、生物垃圾中有機質、氮、磷、COD含量極高，只能采用生物轉化處理。

農業秸稈糖化難度大；秸稈還田→產生大量沼氣→毒害土壤和作物秸稈→燃料→硫化物、溫室氣體→污染空氣秸稈→堆漚腐熟→轉化生物甲烷，難度較小。低劣生物質利用——同時解決水污染和水資源問題生物質能量耗散排放CO2環境污染水體富營養化不利用利用清潔能源無CO2凈排放極大地降低水污染最大的節能減排

厭氧發酵系統：采用我校江浦校區植物秸稈、人糞尿、餐余垃圾等作為厭氧發酵原料，采用全混合、中溫厭氧消化工藝

設計規模：日處理約量30噸，物料TS約為5%，可實現日產生物甲烷200m3生物甲烷示范工程生物甲烷示范工程裝置系統厭氧反應器儲氣柜脫硫塔沼渣過濾沼氣燃燒發電機組抽糞車粉碎堆漚先進生物甲烷凈化裝置通過利用先進生物燃氣甲烷技術，將生物甲烷提升至甲烷含量>97%，達到民用天然氣標準生物甲烷試驗車利用低劣生物質生產生物燃氣CH4發酵殘渣（腐殖質）土壤改良有機廢棄物農業生物質動植物氫氣發酵H2甲烷發酵生物燃氣

利用低劣生物質，經兩階段厭氧發酵生產生物甲烷，可在提高理論能量回收率至99%的同時加快反應速度，效率高。若將我國的低劣生物質全部轉化為生物甲烷，可年減排CO2約25億噸

產氣池腐熟井生物燃氣對農村低劣生物質利用的設想

液化沼液沼渣還田

氣化

燃氣總管、集中收集

通過各村鎮建設低劣生物質資源化處理系統，就地轉化秸稈、糞便等為生物燃氣，剩余物就地利用。提高能源和資源的利用率，降低成本秸桿等糞便、生活污水對農村低劣生物質利用的設想

通過管道運輸，集中收集燃氣用于供熱或發電，達到能量的集中使用與城鄉一體的目標鄉鎮

城市生物甲烷的應用十分廣泛

直接用于燃料，熱值高，污染極小用于生產合成氣，進一步生產甲醇和乙醇等多種能源與化學品我國低劣生物質資源用于生物燃氣生產年所產生的能源量相當于3－5億噸標煤甲烷經濟：現實和未來結合的模式煤炭天然氣糞便甲烷氣體儲存工廠電廠居民生活汽車秸稈甲烷經濟模式第三代生物能源：微藻生物柴油

生物柴油(Bio-diesel)

生物航空煤油(Bio-jetfuel)(Bio-kerosene)2007年，美國啟動了微型曼哈頓計劃，預計到2010年實現藻類產油工業化，達到每天產油百萬桶的目標。微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高反應物濃度更高產物濃度更低1L空氣中含有約5.9×10-4gCO21L水中含有約1.7gCO21L空氣中含有約0.3gO2近3000倍1L水中含有約0.008gO21/40光照幾率更多微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高折射衍射水散射

由于水對光具有折射、衍射、散射等效應，使得微藻所有表面都有可能受光照，然后陸生植物只有向光面才有可能受光照。等量樹葉比表面積:10-3m2微藻比表面積:1.3×103m2

相同質量的微藻比表面積是樹葉的1.3×106倍，比表面積越大，受光面積越大，越有利于光合作用。

比表面積更大微藻通過光和作用固定CO2的效率比陸生植物更高1g干物質微藻具有高效的產油能力作物公斤油/ha升油/ha大豆(Soybean)375446芝麻(Sesame)585696向日葵(Sunflower)800952花生(Peanuts)8901,059油菜籽(Rapeseed)1,0001,190油橄欖(Olives)1,0191,212蓖麻籽(Castorbeans)1,1881,413麻瘋樹(Jatropha)1,5901,892椰子(Coconut)2,2602,689