生物制造国内外状况 PPT课件

建立生物转化2,2-二甲基环丙甲腈生产 (S)-(+)-2,2-二甲基环丙甲酰胺的生物催化技 术路线，有机溶剂使用氯化亚砜、氯仿、二 氯甲烷、乙醚、甲醇等,废物5吨/吨产品基本 消除，废水2000吨/吨产品下降到300吨以下/ 吨产品，减少了85%。
我国生物制造产业现状
生物基材料： 生物可降解塑 料PHB、聚乳酸 等实现产业化， 并达到世界规 模最大，产品 出口量大
生物制造已显示出巨大潜力
Hale Waihona Puke Baidu
• OECD预测：至2030年，将有 35%的化学品和其它工业产品来 自生物制造
工业39%
农业36%
医药25%
2030年：生物技术的经济贡献与环境效益
我国生物制造产业现状
我国从事生物制造的企业有5000多家，涉及到发酵工业、 石油化工、医药化工、精细化工、采矿工业、纺织工业、食品 工业、造纸制革等工业，总产值约6000亿。 特点： 产业领域与规模不断扩大，已经形成国民经济新增长点 产业水平不断提高，正在从传统发酵工业向现代生物制造产 业转变 现代创新能力正在形成，基因技术成为新的技术制高点 国际资本、技术与市场的渗透与融合，国际企业本土化
➢大多重视生物加工过程开发，对生产原料 品质改良、产品后续应用技术重视不够
➢在生物材料领域，偏重原料的生产，对材料改 性及应用技术重视不足，如PHA、PLA等大部 分出口供深加工，制约了整个行业的发展。
➢在酶制剂领域，同样偏重单酶品种的生产，缺 乏对复合酶和酶制剂工艺的完整技术解决方案 的开发。
问题---社会认知度不够
基因工程菌的 育成与采用
Feed vessel
Balance P
Controller
Temp. control system
Pump
Gas flow controller
conc.
Feed volume
AD converter
Agitation speed
P
Acid/base
volume
O2 analyzer
生物制造是变革经济增长方式的重大需求
•燃料(汽煤柴) •橡胶、塑料 •合成纤维 •三烯三苯
能源资源短缺
我国原油进口比例已达 51.3%
• 生物燃料(醇、油、气) • 生物聚合物材料 • 平台化合物
生物制造
化石 资源
气候变化
能源与基础 化工产品
我国CO2排放量已成 为全球最大
• 大宗化学品 • 精细化学品
开辟了长链二元酸的 新来源，为尼龙工程 塑料、热熔胶、涂料 和香料等十几大类高 档产品的化学合成提 供了丰富的原材料
生物催化新技术实现产业化
CO2H
CO2Na
S
H
NH2
H
CH3
H
CH3
HN
HN
CH3
CH3
西司他丁钠关键手性中间体——(S)-(+)-2,2-二甲O 基环丙甲酰胺
O
由8步化学合成变为双酶一步法
头孢菌素
精细化学品
传统方法 10步化学合成
生物法 1步发酵+酶法
❖ 原料降低65％ ❖ 能耗降低65％ ❖ 成本降低50％
1,3丙二醇
大宗化学品
传统方法 化学法
生物法 工程菌发酵
❖ 原料降低37% ❖ 能耗降低30% ❖ CO2减排63%
资料来自EuropaBio主席Sijbesma F报告
世界基金委员会预测，到2030年，工业生物技 术每年将可降低10亿到25亿吨的二氧化碳排放
最小基因组细胞工厂、微生物基因组的合成、多基因组工程培育新物 种、合成生物学与人工生命合成等重大科技创新，使利用微生物高效合 成原来不存在、或者原来制造效率很低的工业产品成为可能，工业生物 技术正在催生着重大的科技革命。
国际生物制造技术发展迅猛，正在推动着生物产业 体系的变革
工业生物催化技术逐渐成熟，高能耗、高污染 的有机合成逐步被绿色可持续的生物合成替代
生物炼制技术体系的生化途径不断进步，高分 子材料、大宗化工原材料正在从石油原料向生物 质原料转变
工业微生物分子育种技术不断进步，发酵产业 技术水平与竞争力不断提高
植物化学药物与保健品的植物提取正在转向生 物合成制造，天然药物对珍稀自然资源的依赖和 破坏的局面将被扭转
绿色生物工艺新技术不断出现，正推动着采矿、 轻纺等传统产业节能降耗的革新
二、产业面临的形势
资源、环境形势需要新的经济发展模式
我国现代工业化经济进程与能源、 资源、环境形势的现实形成了剧烈 冲突。到2020年要实现单位GDP CO2减排40-45%的目标，面临巨大 压力和特殊困难
加快调整经济结构、转变增长方式， 节约发展、清洁发展、安全发展， 是我国现阶段的历史使命。建立绿 色、低碳与可持续的产业经济体系 的核心科技具有重大战略意义。
长链二元酸生物制造实现产业化
• 筛选、改造获得了-氧化酶/-氧化酶活性比高的微生物，能 将C9～C18的正构烷烃发酵得到相应碳数的长链二元酸，替代 化学合成路线 • 山东莱阳瀚林生物项目一期工程已投资7亿元，计划总投资30 亿元，将建成世界上产量最大的长链二元酸生产和研发基地， 年产能将达到6万吨，预计产值近40亿元，利税约10亿元
• 该技术长期为国外企业垄断， 我国企业无法获得生产菌株
海正药业集团近期开始生产多拉菌素， 预计年销售收入6亿元，利税总额1.8 亿元。目前已投资9亿元，新发行股票
5000万股
红霉素、头孢菌素生产水平大幅提高
红霉素发酵单位达到 8,000 U/mL
头孢菌素发酵单位达到
40,000 U/mL
形成了抗生素优化技术 体系
超过GDP约40%的工业是生物制造发展的空间
大宗化学品： 石油炼制-----生物炼制
石 油 天 然 气
生 物 质
生物制造的生产模式
生
选择性 高效性
物
生物制造
含氧原料
质
手性特征 3-羟基丙酸
石 油
减 压
分裂 离化
分精 离馏
分氧 离化
分氧 离化
丙烯酸
建筑、纺织、包装 目前国内需求55万 吨， 产值88亿
问题---创新能力不足
基因技术能力 智能化控制与放大技术 生物炼制技术 生物催化技术 技术集成能力 粗原料利用能力
问题---企业规模小
以中小企业为主，龙头企业少 信用结构不合理，融资机制不健全 企业科技创新能力弱， 市场竞争能力弱，利润率低。国际市场 开拓能力弱 高端人才缺乏
问题---产业链不完整
实现One-Pot反应，缩短石油化学品生产的工艺流程，减 少原油资源消耗，降低投资成本，减少污染与CO2排放。
生物制造已显示出巨大潜力
• OECD对6个发达国家进行分析的结果表明：生物制造技术的 应用可以降低工业能耗15-80%，原料消耗35-75%，空气污染 50-90%，水污染33-80%，生产成本降低9-90%
生物 能源
生物基 材料
微生物 制造
精细化 学品
石油化 学品
微生物 工艺
产业领域与规模不断扩大，已经形成国民经济新增长点
产业现状
氨基酸、维生素、有机酸等大宗发 酵产品规模稳居全球第一，产值超
过1000亿元
乙二醇、丁醇、乙烯等实现生物法 制造，生物塑料、生化纤维等新材
料生物法生产初具规模
泛酸、丙烯酰胺、乳链菌肽等占据 世界市场50-70%，原料消耗、废物
- 2030年替代25%有机化学品和20%石油 燃料
• 欧盟：
欧洲工业生物技术2025远景规划，期望 取得基于生物技术型社会转变的实质性进展
- 生物能源替代化石能源20%， - 化学品替代10-20% ， 其中化工原料替代 6-12%，精细化学品替代30-60%
系统生物学、定量生物学飞速发展，生物体的设计改造技术 日渐成熟，生物制造的工业模式正在形成。
➢ 酶制剂市场1/2为外国企业垄断。诺维信、杰能科、天野公司在国内设 厂
金融危机启示
国内消费品市场与产业结构调整
食品
生物制造
化工
饲料
食品安全（防腐剂、香精等添加剂） 可降解塑料与限塑令 轻纺制品（棉麻、皮革）
应对危机 拉动内需 增强消费
我国产业发展需求迫切
产品的市场现状
国际竞争将更加激烈
大型跨国公司斥巨资用于生物制造技术的研发
➢ 杜邦公司剥离石油资产，未来3年将向应用生物技术部门投资5亿美元， 并将2010年销售额的25%定位于生物质产品
➢ 欧洲BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche等大型跨国公司已纷 纷转向工业生物技术领域，并已有产品投放市场
生物制造相关路线图
• 美国：生物质发展路线图 •美国：GTL路线图 •欧洲：21世纪可持续化学工业路 线图 •加拿大：基于生物的基础原料、 燃料及工业产品科技创新路线图
工业生物技术已成为各国的战略培育方向
• 美国：
- 2020年，实现化学工业的原料、水资源 及能量的消耗降低30%，污染物排放和污染 扩散减少30%。
Genome engineering, Science 2009, 1173759v1
multiplex genome engineering, Nature, 2009, 460: 894-898
Long-chain alcohol biosynthesis PNAS, 2008, 105:20653
Cell conc.
CO2
CO2
analyzer pressure
pH
pH
meter
Thermometer
Temp.
DO sensor
Cell sensor
DO conc.
Cell conc.
Control signal
Interface
Printer Work station Personal computer
可再生 碳资源
• 化学药物 • 农药 • 精细化学品
环境污染
我国石化工业每年排 放废水达60亿吨
• 医药化学品 • 手性化学品
在我国工业化进程过度 依赖化石资源的模式转 变中发挥重大作用
生物制造已经成为世界各经济强国的国家战略重点，工业 生物技术正在育成一场新的产业革命。
世界各国在行动，美国《2020年制造业挑战的展望》明确将工业生 物制造技术作为战略技术领域，并列为2020年制造技术挑战的11个 主要方向之一。
排放量等减少50%以上
生物制浆工艺已累计生产纸浆100 余万吨，减少氯用量1.2万吨
产业趋势
发酵产业规模不断扩大， 产值稳步增长
大宗工业原料正在从石油 化工路线转移
化学工业过程不断被生物 制造过程取代
生物工艺正在成熟，生物 冶金、生物驱油、生物纺 织、生物造纸等正在发展
生物制造技术水平不断提高，正在从传统发酵工业向现代 生物制造产业转变
生物制造国内外状况
提纲
产业现状与问题 产业面临的形势 发展思路与发展目标 主要任务 政策措施建议
一、产业现状与问题
生物制造是绿色、低碳、可持续的经济发展模式
生物制造是利用“生物的机能”生产燃料、材料和化学品 的加工方式，具有高效、清洁、可再生等特点
生物质 废弃物
原料
生物转化
材料、 化学品
产品
生物制造是战略性新兴产业
“工业生物技术”公众关注的频率
2004年“新一代工业生物技术”已 经列入国家中长期科技规划发展纲要
•相对生物农业（温饱）、生物医药（健康）而言，缺乏鲜明主题（可 持续？清洁？绿色？） •生物制造涉及领域广泛，缺乏统一的统计数据，社会和政府部门的认 知度低。虽然目前生物制造的产值在所有生物技术产业中占到80％左右， 却远不如生物农业和生物医药那样得到重视。
➢ Dowpharma，Cambrex和Archimica等精细化工公司，通过收购其 他相关公司来大幅度增强其生物制造技术研发能力
➢ IBM、Microsoft等IT巨头也纷纷涉足生物技术的研究与开发
知名生物制造企业抢滩中国市场
➢ Amano Enzyme, Codexis，BioCatalytics, Novozymes， Bioverdent纷纷在我国设立以生物制造为核心技术的分支研发机构或 工厂，必将对我国新兴生物制造产业形成新一轮的冲击。
生物能源
生物基材料 大宗化学品 精细化学品 大宗发酵产品 食品与配料
微生物工业制剂
生物高分子材料 生物基单体聚合物 生物质加工材料
化工醇、酸、溶剂、 涂料、表面活性剂 甾体激素、手性胺、 手性醇、医农化产品
抗生素、维生素、有机 酸、氨基酸、酶制剂 等
发酵食品、功能食品、 添加剂、功能菌剂 等
生物冶金、生物造纸、生 物制革、生物纺织等菌剂
数字化、智能化、 自动化过程控制
新产品不断出现，新 技术快速实现产业化
多拉菌素基因工程菌——规模生产
利用基因组规模DNA大片段敲除技 术，基因组改组技术，构建了多拉 菌素工程菌，30吨大罐发酵单位约 1200 mg/L，达到了工业生产的水平
我国抗生素工业第一株自主产权基 因工程菌
• 多拉菌素是新型阿维菌素族中 最好的驱虫药