工业生物技术研究现状及发展趋势课件

,工业生物技术的研究现状与发展趋势,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,生物工程（技术）是指运用现代生物科学、工程学和其他基础,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,生物生产过程生物工程（技术）的核心是建立生物生产过程 预处,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,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,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。,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,化石资源日益匮乏:,石油: 50100 年 煤炭: 2030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,化石资源日益匮乏:文明危机：石油战争、资源争夺,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CO,2,、SO,x,、NO,x,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。,人类面临着前所未有的,联合国人口基金统计,2050年地球人口将达到100亿！,联合国人口基金统计2050年地球人口将达到100亿！,年,1900,2100,2000,2020,2050,17,亿人口,1970,（,forecast）,增长的,极限,（Club of Rome, 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,年1900210020002020205017亿人口1970,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,CO,2,+H,2,O+太阳能-（CH,2,O）+O,2,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。,生物工程是解决人类 生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它,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,生物质作用 生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。,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。,(C,6,H,10,O,5,)n+nH,2,O nC,6,H10O,6,纤维素葡萄糖,(C,5,H,8,O4)n+nH,2,O nC,5,H,10,O,5,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。,木质纤维素的成份 木质纤维素由纤维素、半纤维素、木,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,因化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧一、工业生物,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,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,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。,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,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,3、工业生物技术的贡献1）制造路线变更,丙烯腈,H,2,O,脱色,丙烯酰胺,水合,（室温）,分离催化剂,生物催化剂,Yield 99.99%,Purity 99.99,丙烯酰胺生产路线的变更,化学催化路线,生物催化路线,Cu,2+,催化,丙腈烯,浓缩,丙烯酰胺,水合,100,催化剂,分离,除氧,Cu,2+,除去和脱色,丙烯腈,H,2,O,丙烯腈H2O脱色丙烯酰胺水合分离催化剂生物催化剂Yield,Cu,2+,催化法,生物催化法,单耗,0.8,0.75,产品纯度,95%,99.99%,副产物和杂质,产物中存在 Cu,2+, 基本上没有三废,副产物少,转化率,83 87%,99.99%,成本,高,低,温度（）,100,10,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。,Cu2+ 催化法生物催化法单耗0.80.75产,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3.31038.4106 kJ/m2之间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于2.4104亿吨标准煤。,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,工业生物催化技术的原料是生物质2）原料路线变更,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）,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,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,EMP的化学历程 糖原或淀粉1-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-,O,CH,3,-C-SCoA,CoASH,NADH,+CO,2,FADH,2,H,2,O,NADH,+CO,2,NADH,GTP,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,+,FAD,NAD,+,OCoASHNADH+CO2FADH2H2ONA,生物质加工的产品体系,C4,C3,C2,C1,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,C5,C6,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,生物质加工的产品体系C4C3C2C1糖甲烷、甲醇等乙醇、乙酸,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。,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、,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。,二、工业生物技术产业的主要形式 工业生物技术在,1、生物能源产业,20002020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1.6401011t的速度不断再生，以能量换算，相当于目前石油年产量的1520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、生物能源产业,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。,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,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,目前乙醇作为燃料，政府必须补贴。补贴乙醇乙醇赢,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,。,2）生物柴油 生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的,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。,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,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CargillDow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。,2、生物材料 与石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可,3、生物质资源化（生物基大宗化学品和化工原料）,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,C4,C3,C2,C1,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,C5,C6,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,生物质加工的重大产品体系C4C3C2C1糖甲烷、甲醇等乙醇、,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 。,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,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,目前乙醇作为燃料，政府必须补贴。 生,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。,我国生物乙烯面临重大需求2003年2005年2010年202,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,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,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。,乙醇乙烯原料生物乙烯的关键技术生物乙烯的关键技术：,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9296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,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,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。,低成本原料的生物乙醇工艺路线：,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,1/2,1/2,1/3,1/3,1/3,1/5,1/7,1/8,2/7,能源,材料,化学品,裂解,氢解,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,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9598。,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。,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,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,NADH,NAD,+,NADH,NAD,+,ATP,ADP,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,ADP,ATP,ADP,ATP,乙醇,2,3,-丁二醇,NADH,NAD,+,ADP,ATP,2NAD,+,2NADH,1,3,-丙二醇氧化还原酶,甘油,脱水酶,NADH,NAD,+,2NAD,+,2NADH,ADP,ATP,NADH,NAD,+,ATP,ADP,ATP,ADP,甘油脱氢酶,激酶,1，3丙二醇的代谢途径,C3平台化合物,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,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,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,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,EMP,ATP+NADH,2,NAD,NADH,2,(7),NAD,NADH,2,CO,2,CO,2,(8),(9),(10),H,2,O,CO,2,ATP,NADH,2,NAD,CO,2,NAD,NADH,2,(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,CO,2,调控,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,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,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,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,微生物是生物圈的基础，控制地球的生物化学循环，影响土壤的生,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。,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,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,Red Biotechnology,Green Biotechnology,White Biotechnology,医药生物技术人类基因组学农业生物技术动植物基因组学工业生物技,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。,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,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,利用极端微生物的独特基因资源，从而发现一些具有工,目前已经有200多种微生物的基因组被全测序,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,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,蛋白质序列,测试数据,基因序列,测试数据,基因序列数据库,蛋白质序列数据库,蛋白质结构数据库,因特网,输入,同源模型,对接及模型化,分子动力学计算,输出,药物分子模型,酶与底物反应机理,蛋白质改造信息,蛋白质结构,测试数据,From Data to Discovery,蛋白质序列基因序列基因序列数据库蛋白质序列数据库蛋白质结构数,定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。,蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性强，可在实验室试管中操作。它可以使蛋白质（酶）在自然界需要几百万年才能完成的进化过程缩短到几年甚至几个月。,分子定向进化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（60%DMF）的活性提高了170倍；内酰胺酶的耐抗菌素cefotaxime浓度提高了32000倍；胸苷激酶对新底物（gancyclovir）的利用提高了43倍；卡那霉素核苷酸转移酶在6065的热稳定性提高了200倍；细胞色素P450酶对完全新底物（过氧化氢）的利用提高了520倍；辣根过氧化酶在酵母中表达产量提高了88倍。,2）,生物催化剂快速定向进化技术,定向进化技术，大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐,活性,200,175,150,125,100,75,50,25,0,0 1 2 3 4,代,在试管中数周之内可完成数万年的自然进化过程，,提高酶活几倍到几万倍。,活性200 0,定向进化目前主要研究方向是：提高热稳定性、提高有机溶剂中酶的活性和稳定性，扩大底物的选择性，改变光学异构体的选择性等。定向进化的核心技术为易错PCR技术、DNAshuffling技术及高通量筛选技术。 各类工业微生物的基因组学和蛋白质组学研究的飞速发展，产生了海量信息，随着高性能计算机和数据管理分析方法的进步，大大促进了工业微生物的生物信息学的发展，从而使得人们对酶的认识加深，使得应用传统的理性分子设计方法制造新的酶更加容易。这些技术在增加酶的反应多样性、改变酶的各种性能等方面已有应用。,定向进化目前主要研究方向是：提高热稳定性、提高有,RNAi技术,阻断代谢支路,化学小分子,RNAi技术阻断代谢支路化学小分子,基因微阵列技术,快速筛选和检测基因,基因微阵列技术快速筛选和检测基因,proteolysis,elution,peptides,Mass,Spectrometry,二维电泳蛋白质表达差谱的研究技术。,建立酶的高效分离纯化平台。,LCMSMS肽谱的快速分析方法。,蛋白质组学,proteolysiselutionpeptidesMass,酶的高效固定化技术。,酶固定化,大大提高酶的活力和稳定性（耐盐、耐热、耐pH等），拓展酶的应用。,海藻酸钙固定化酵母凝胶珠在柱内连续进行生物催化反应,酶固定化大大提高酶的活力和稳定性（耐盐、耐热、耐pH等），拓,Cell 工厂,Cell 工厂,3）重要工业微生物的代谢工程,代谢工程：随着对微生物代谢网络研究的深入及DNA重组技术的日趋完善，通过基因克隆技术改变微生物代谢途径的某些关键步骤，大大提高了产物产率；通过基因重组技术改变微生物的代谢途径，还生产出传统发酵工业无法获得的新产品。,微生物基因组学和代谢组学的快速发展，对代谢工程有极大的推动作用。大量新生物化学合成途径的解析，为生产化学品创造了前所未有的特殊机会。,例如在分析代谢流的基础上，找到刚性节点，通过化学小分子调节关键酶，从而可以实现1，6二磷酸果糖的超量生产。在木素纤维素为原料的燃料酒精工艺中，美国学者利用基因工程手段，将五碳糖产乙醇的代谢途径和六碳糖产乙醇的代谢途径整合到一个微生物中，构建出优良的产乙醇重组菌（Zymomonasmobilis），能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产乙醇，大大降低了燃料乙醇的生产成本。,3）重要工业微生物的代谢工程 代谢工程：随着对微生物代,基因组,转录组学,蛋白质组学,Citrate Cycle,代谢组学,生化反应,产品,基因组 转录组学蛋白质组学Citrate Cy,微生物代谢途径（生物催化网络）,大量新生物化学合成途径的解析，提供了新的机遇：,提升传统产品的制造水平,新化学品生产,工艺路线的变更（资源、能源）,微生物代谢途径（生物催化网络） 大量新生物化学合成途径,代谢网络,葡萄糖,产物,利用基因工程手段，重构代谢途径，抑制代谢支路，增强主代谢（产物方向）的代谢流量，从而超量生产所需要的产物。,微生物代谢工程（组合生物催化）,代谢网络葡萄糖产物 利用基因工程手段，重构代谢途径，抑,4）生物反应器工程与过程放大,25L气升式发酵罐,500L发酵罐,4）生物反应器工程与过程放大25L气升式发酵罐500L发酵罐,5）生物分离技术,蛋白快速纯化系统,膜分离装备,模拟移动床色谱分离系统,5）生物分离技术蛋白快速纯化系统膜分离装备模拟移动床色谱分离,工业试验平台,生物反应单元,分离单元,多功能、模块化、组合集成式生物制造技术平台,工业试验平台生物反应单元分离单元多功能、模块化、组合集成式,四、工业生物技术的未来展望,四、工业生物技术的未来展望,中国的人均资源，尤其是人均化石资源很低，中国面临严重的资源、环境与人口矛盾。目前，我国已成为世界第一资源加工消费大国和第二能源耗用大国。大力发展工业生物技术对解决我国资源和能源短缺问题是十分迫切的。,中国的人均资源，尤其是人均化石资源很低，中国面临严重的资源、,我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在,3.3,10,3,8.4,10,6,kJ/m,2,之间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于,2.4,10,4,亿吨标准煤。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。,发展工业生物技术，实现生物质的高效利用，中国可以走向一条通往绿色生态现代化之路,我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在3.3,我国农业所生产的废弃生物量近14亿吨（包括7.5亿吨秸秆与农林加工废弃物）,生物量,14亿吨,纤维素,4.9亿吨,半纤维素,4.2亿吨,木质素,3.5亿吨,乙醇,2.7亿吨,乙烯,1.6亿吨,苯酚（0.7亿吨）,苯（0.5亿吨）,燃料油（0.45亿吨）,燃料气（1.0亿吨）,木质纤维素原料生物量,我国农业所生产的废弃生物量近14亿吨（包括7.5亿吨秸秆与,工业生物技术将在我国开创新的加工模式和调整产品结构方面发挥重大作用。预计在未来20年内，生物能源、生物材料和生物质资源化技术将得到实际应用。预计工业生物技术在我国国民经济GDP中的贡献达到2.2万亿元年（2020年）。 传统的加工工业是以化石资源为原料和能源进行的，面临着化石资源的日益枯竭，世界正孕育着一场用生物可再生资源代替化石资源的资源战略大转移。一个全球性的产业革命正在朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。,目前正在开发的多聚乳酸、多聚氨基酸、多羟基烷酸、燃料乙醇以及各种功能寡糖等可视为这个碳水化合物经济时代来临的前奏。到2020年，预计将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。,工业生物技术将在我国开创新的加工模式和调整产品结,生物质,H,2,CH,4,气化,生物炼制示意图,新材料,转化反应,化学品,燃料,化学原料,半纤维素,纤维素,木质素,寡糖,葡萄糖,工业生物技术原料,水解,溶解,食品,非食用成分,分离,生物质H2CH4气化生物炼制示意图新材料转化反应化学品燃料,大力发展工业生物技术，为最终解决生物能源和材料的生物制造提供技术支持，这对我国的经济发展，对解决我国资源和能源短缺问题，对加强我国的国际竞争力具有重要的战略意义,OECD（经济合作与发展组织，简称经合组织）提出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。,大力发展工业生物技术，为最终解决生物能源和材料的生物制造提供,思考题,1、什么是工业生物技术，工业生物技术产业的主要形式有哪些，现阶段工业生物技术发展的关键技术是什么？,思考题1、什么是工业生物技术，工业生物技术产业的主要形式有哪,谢谢大家!,谢谢大家!,