工业生物技术与生物制造

生物尼龙纤维材料
羊毛
27
生物基PX系列聚酯
O
生物基PX
传统PX产业发展受限 对外依存度达55%
•生物质原料 •过程安全环保 •产品低毒 •易降解
市场需求： 国内市场4500万吨/年 直接产值约6000亿/年 发展受限： 基础原料PX产能严重不足 产品性能固有缺陷
生物基PX聚酯
生物基PX系列聚酯
•国外诸多大型企业正在强化生物PX聚酯（PEF）开发 可口可乐公司已将PEF材料用于饮料包装 •制备了系列聚酯产品（PEF、PEF共混、PEF共聚） •测试表明：PEF对水、二氧化碳和氧气的阻隔性能 分别高于PET的2倍、2倍和6倍 力学性能相似、拉伸行稍差 •可实现千元/吨左右的成本优势
甲醇作为原料生物合成化学品的前景广阔
氨基酸
有机酸
代谢改造
脂肪酸
我国煤碳资源丰富，从而带来甲醇资源充沛，若可以替代葡 萄糖等粮食资源作为原料合成化学品，将具有广阔的前景。
谢谢大家！
已实现3万吨/年规模转化 项目整体规划为15万吨/年
江苏飞航工大科技有限公司
在与BASF、杜邦、帝斯 曼等国外巨头的竞争中 全面占优
生物医用材料：聚酯PCL
聚酯PCL：具有优良的机械性能，生物降解性
聚合
手术缝合线
聚合过程使用金属催化剂导致的
残留使得聚酯PCL目前只能用于手 术缝合线
高性能、无毒
催化体系的开发
排放 304亿吨CO2
生物甲烷 转化
节能
2000亿m3 生物甲烷
+
减排
10亿吨 CO2排放
+
资源化
代替 30%化肥
天然气开采量的2倍
生物甲烷的作用广泛
生物甲烷制造过程不仅仅提供能源，还可以治理环境污染、解决 公共卫生问题等。
动植物 生物燃气 CH4
工业应用
低品味生物质 沼渣沼液
甲烷 发酵
有机肥
当前我国正成为世界上生物甲烷发展速度最快、建设规模最大、 普及最广的国家。
产业规模统计
产品
生物保温材料（聚氨酯） 生物保湿材料（聚氨基酸） 生物基含能材料（硝化纤维） 生物医用材料（聚酯） 生物衣用材料（尼龙56） 生物PX聚酯
产值规模
300亿/年 >100亿/年 >100亿/年 200亿/年 200亿/年 600亿/年
产业化进展
3万吨/年（15万吨规划） 1500吨/年 产业示范 300吨/年中试 小试完成 小试完成
首次在国内实现了cAMP 的生物合成途径替代！ 生物法制造cAMP的生产 成本仅为化学制造的1/10！
低劣生物质的利用—甲烷
低劣生物质是造成水环境污染的主要因素
中国养殖世界近50%的猪，1/3的鸡鸭
工业排放 废水 总量 COD 221.6亿吨 338.5万吨
生活排放 462.7亿吨 912.8万吨
市场需求：200亿以上规模的市场需求 核心技术：戊二胺的生物制备工艺突破 技术成熟度：已完成小试，进行中试 良好的产业化前景
戊二胺
尼龙56
生物尼龙的市场前景
尼龙材料全球产量在700 万t 以上，市值超过2000 亿人民币，其中尼龙66及尼龙6
约占90%；中国对尼龙的消费量占全球尼龙产量的30%。
代替 丝绸
生物质能的利用
生物化石资源：煤和石油
自然界演变
生物质
现代生物质能的利用主要还是作为燃料使用。 生物质能在食品、医药、材料等方面具有广阔的应用前景
材料的生物制造
15
材料的生物制造
1000吨
生物基材料发展趋势预测
2011年各种生物基材料占有的市场分布情况
• 生物材料的突破将在5-10年内完成 • 估计在2020年左右，它在衣用材料及医用材料上大规模应 用会成为2025中国制造的亮点。 16
农业排放 >2000亿吨 1152.8万吨
氨氮
26.4万吨
144.6万吨
80.6万吨
生物制造可将低劣生物质转化为化学品
“减排以能耗为代价”
直接排放 环境污染
相当于2011 年的排放量
+
资源浪费
30亿 吨低 劣生 物质
污染治理
？
1.5亿吨COD
能耗117亿吨标煤
陆小华 中国科学2010,53,671
细菌纤维素规模化低成本制造
植物纤维素 含量 结晶度 纤维直径 产品质量 30%-95% 70%左右 1-30 um 不稳定 纳米纤维素 >99% >95% 30-100 nm 非常稳定
结晶度可控、制备成本低
高含量、特殊结构的纳米细菌 纤维素可用于制备含能材料、 医用材料
生产条件
受土地、气候限制
不受自然条件限制
2.生物热力学问题：非平衡过程热力学
3. 生物质能在生物体内的转移与平衡
6
生物质能的转移与转化：辅因子
Enzymes+ Cofactors Substrate
Products
ATP
NAD
NADP
FAD
通过提高辅因子ATP的供给实现了FDP的高产
Glucose
Biomass 1.5 41.9 Glycerol 84.7 12.0 OAA
人造血管
亲水碳纳米纤维
生物基含能材料
相关工作受中国兵总高度关注，已列入国家XXX专项。
生物衣用材料：生物基尼龙56
尼龙56：高性能纺织材料 兼具尼龙的结构强度、棉布的吸水性能、羊毛的柔软性
赖氨酸
•全流程的节点性因素 •具有自主知识产权的 高效菌种 •戊二胺转化率可达80% •连续批次实现稳定 •完善的后处理工艺
生物基材料的研发立足市场、面向市场
研发
找市场
聚乳酸
需求
研发
现有市场：聚氨酯、 尼龙、PVC等
产品框架
生物基材料
•生物保温材料 •生物保湿材料 •生物含能材料 •生物医用材料 •生物纺织材料
生物基材料助剂
•无毒增塑剂
•无毒表面活性剂
•高性能固化剂/扩链剂 •水溶性涂料单体
•生物PX系列聚酯
开发包含生物基材料和生物基材料助剂 共计十余种品种的产品群
合成生物学与生物制造
合成生物：目标设定后设计生物机器系统
化学
设计
工程学
构建 组装
生物学
生物机器系统
根据设定的目标，设计生物机器系统，解决医药、农业、工 业现在与未来问题。
生物机器低成本、高精度的自主组装可 以大幅度提高生物催化效率
从设计到制造！
大肠杆菌基因组：4.6Mb
底盘生物基因 化学合成
基因元件装配与适配性研究
生物尼龙6
无毒增塑剂 无毒高性能助剂 合计
400亿/年
400亿/年 200亿/年 2500亿/年
小试完成
16万吨/年 中试完成 已形成产值36亿/年
•直接产值可达2500亿/年的生物基材料产业 •通过产品应用，可形成万亿级的产业集群效应
生物保温材料：生物基聚氨酯
轻质板材
管路保温
建筑保温
家电保温
传统产品三大问题： 白料市场混乱 石化资源依赖性过强 工艺过程危险
ADP ATP ADP ATP
FDP+ADP⊿G=-14.2
Pepc CO2
Pyruvate
CoA
Lactate
Formate
Succinate
CO2
反应时间 相同的基因组
77.6 9.7
H2
Acetyl- CoA
NADH NAD
Pta
Acetyl-P Ack
ADP ATP
相同的转录组 相同的蛋白组 4h
NADH NAD NAD NADH
Glucose-6-P Fructose 1,6-diP
ATP ADP ATP ADP
F6P+Pi ATP+H2O F6P+ATP
Ldh
NADH NAD
FDP+H2O ⊿G=17.8 ADP+Pi ⊿G=-32
FDP
NAD NAD+ NADH
NADH
Glycerate-1,3-diP 22.6 88.2 PEP
聚酯PCL仿生催化合成的重要进展
产品优势
分子量可控，满足各类需求 国际上首次实现仿生催化，没 有任何金属残留 催化剂用量10ppm，降低了成本
模块化有机催化体系构建：无毒、高性能
产业化进展： 与巴陵石化合作 进行300吨/年中试
聚酯PCL的应用前景
体内支架
人工骨骼
缓释辅料
无毒、高性能的聚酯PCL将可以大大拓展其在医 用材料领域的应用。
工业生物技术与生物制造
南京工业大学
欧阳平凯
生物质能中的若干科学Baidu Nhomakorabea题
生物质能的产生 生物热力学 生物质能在生物体内的转移与平衡
2
1. 生物质能产生
3
生物合成：光合作用
物质循环， 生态平衡， 固定CO2， 产生大量O2
光合 作用
CO2
陆生植物 1100亿吨生物质
海洋藻类 600亿吨生物质
若人类仅利用全球生物量的7%，将可以解决资源、 能源的难题。
24h
TCA
Ethanol
Acetate
通过能量的介入改变了碳物质代谢的代谢流分配与通量！
能量调控环磷腺苷的生物合成
化学途径
吗啡啉DCCI盐 吡啶 溶 解 浓 缩 干 燥
乙醇
cAMP
内酯化反应
吡啶DCCI
120° C 滴加2小时
复盐成品
AMP
环磷酸腺苷(cAMP) 生物途径
需大量昂贵的缩合试剂和有机溶剂
替代
聚氨酯（硬泡）： 性能最为优良的保温材料 市场需求： 国内市场220万吨/年 直接经济效益300亿/年
生物基聚氨酯材料
生物基聚氨酯的产业化
植物油 木质素 多元醇
PU硬泡 首个在性能和成本方面全面超越石化产品的生物基材料
四大优势 资源优势：各类植物油脂为原料，可再生 成本优势：价格可降低500-800元/吨 性能优势：保温性能可提升>20% 工艺优势：不涉及任何高压危险工艺 产业化进展：
酵母代谢甲醇几乎可以合 成以葡萄糖作为底物相同的代 谢产物。
甲醇生物转化
分子量192 热值高 分子量180 热值比甲醇低
高纯度
1300-1600元/吨
含10%左右水
3000元/吨
6 CH4O
甲醇
Vs
C6H12O6
葡萄糖
甲醇含氢高于葡萄糖，可以用于生产高能化合物。
酵母利用甲醇产单细胞蛋白
葡萄糖对产品得率为0.25g/g 甲醇对产品得率为0.40g/g
酿酒酵母基因组：12Mb
基因工程3.0
酶工程2.0
代谢工程2.0
玉米基因组：2 500 Mb
合成生物学技术将可以大幅度提高植物光 合作用
“合成生物学”被列 为未来巅覆性技术之 一。 利用合成生物学技术，将有可能使目前的光合作用效率提 高至10%。
未来中国生物制造的原料从何而来
• 中国粮食产量已超过5.5亿吨，丰年有余，灾年不足，6亿吨可 能达天花板 • 人均耕地不足1.4亩，是加拿大的1/18，俄罗斯的1/10，美国的 1/8，印度的1/2
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我国甲醇产能增长迅速
近年来，我国甲醇产能增长迅速，出现过剩趋势。
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甲醇可以作为微生物的优良碳源
葡萄糖 甲醇 Pichia pastoris, Hansenula polymorpha , Candida boidinii,Pichia methanolica等酵母菌都可以利 用甲醇作为碳源