工业生物技术研究现状及发展趋势剖析

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 + 纤维素 (C5H8O4)n + 半纤维素 nH2O →nC6H10O6 葡萄糖 nH2O →nC5H10O5 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。
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！！！
人口 资源 人均食品产量 人均工业品产量
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
丙烯酰胺生产路线的变更
化学催化路线
丙腈烯
生物催化路线
丙烯腈
H2 O 生物催化剂
H2O
3千年
文 明 演 化 方 向
人 口 Байду номын сангаас 源 压 力
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。
2百年 未来
新文明
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
除氧 水合 100℃
丙烯腈
Cu2+ 催化
水合 （室温） 分离催化剂 脱色
催化剂 分离 浓缩
Cu2+ 除去和脱色
Yield 99.99% Purity 99.99％
丙烯酰胺
丙烯酰胺
丙烯酰胺生产路线的比较
Cu2+ 催化法
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 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。
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
工业生物技术的研究
现状与发展趋势
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
文明冲突
生长极限
100亿人口
环境污染
发展生物质加工产业是解 决人类文明冲突的重要途径61亿人口
17亿人口
1900 年 2000 2020 （forecast） 1970 2050 2100
增长的极限 （Club of Rome, 1972）
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。
4、工业生物技术的未来展望
人类文明演化
◆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。 游牧文明 食物
1万年
阳 光
自然生 物质资 源转化
农耕文明 衣食住行
工业文明 化石原料
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
空气
能量
提取
产品 副产品
生物催化剂 （游离或固定化）
预处理
生物反应器
精制
废物 检控系统
原料基质或培养基 （营养物质）
上游加工过程
生化反应过程
下游加工过程
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、工业生物技术发展的关键技术
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。