工业生物技术与绿色生物制造-谭天伟
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工业生物技术与绿色生物制造 -谭天伟
工业生物技术已成为各国的战略方向
➢ 美国：2012年《国家生物经济蓝图》，将生物经济列为优先政策领域 - 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%。 - 2030年替代25%有机化学品和20%石油燃料
➢ 欧盟：2012年《一个强大的欧盟工业有利于增长和经济复苏》，工业生 物技术列入六大关键势能技术
Dehydration
Dehydration
2,3-丁二醇
Fermentation
葡萄糖
ABE发酵
n-丁醇
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
13
生物基芳烃
CO + H2
Gasification
生物质
甲醇
MtA
BTX
?
木质素
发酵 + 化学合成 (实验室水平)
葡萄糖
芳烃的生物合成路线
32% 32% 28% 75%
2.3 生物基化学品，是我国未来化工原料多元化战略 的重要突破口
丰富的可再生生物质资源是化工原料的重要选择
原料
过程
产品
糖、油脂、非 粮生物质、有 机废弃物、甚 至工业废气和 二氧化碳等
生物化工 技术
聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）聚合物 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯（PTT）
➢ 欧洲工业生物技术2025远景规划： - 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%
2. 生物基化学品
2.1 大宗化学品应用现状
原料：三烯三苯
产品及产量
合成 树脂
合成 纤维
合成 橡胶
4300万吨 1300万吨 300万吨以上
趋势：大宗化学品的生产和消费正在从西方向东方转移，我国大宗化学品 产业面临着前所未有的机遇和调整。
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
生物基丁二烯路线
Lebedev-Process (single step) or Ostromilensky-Process (two steps)
乙醇
1-丁烯
丁二烯
发酵
Oxidative Dehydrogenation
丁烷
De-Hydrogenation
1-丁烯
Oxidative Dehydrogenation
Dehydration
2,3-Butandiol
葡萄糖
Fermentation
ABEFermentation
n-丁醇
芳烃的其他合成路线
Gasification
甲烷
Catalysis
CO + H2
Gasification
CH 4
Natural gas
C1底物
via Syngas
CH3OH
Methanol
CH3OH
Source: J. Schrader DECHEMA-Institut
乙烷
Steam-Crபைடு நூலகம்cking
乙烯
+
2-丁烯
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
16
丁二烯的其他合成路线
甲烷
Plasma
乙炔
Lebedev-Process
乙醇
丁二烯
Fermentation
种类
乙二醇 二乙二醇 对二甲苯
双酚A 苯乙烯
丙酮 甲基丙烯酸甲
酯 正丁醇 丙烯腈 己内酰胺 异戊橡胶
表观消费量 （万吨，2013
年数据） 1165 94 1520 115.8 848 117.8
60.4
125.9 170.7 160 410
进口依存 度
70% 62% 51% 50% 43% 41%
40%
Ethane and higher
Naphtha
Steam Cracker
Oil
catalytic reforming
Methane Ethylene Propylene Butadiene Aromatics /
BTX Other
9
页岩气浪潮对乙烯价格的影响
10
可获得的碳氢化合物: 页岩气的影响
2.2 大宗化学品生产存在的问题
化工产业是国民经济和国防工业 重要支柱，但受资源匮乏所限， 原料高度依赖进口，需多元化原 料结构。
原油对外依存度为58% 烯烃对外依存度为30-50% 天然橡胶对外依存度为75%
碳排放严重
我国是世界第一碳排放大国， 减排压力巨大
水消耗严重
OECD:化工产品水消耗占工 业用水43%
………………….
走出一条可持续的化工原材料生产新路线 减少工业化进程对化石资源的依赖
生物基丙烯酰胺：化学和生物学技术的相互交融和耦 联推动了工业生物技术的产业化
微生物法生产丙烯酰胺的全局调控
水 AN
放热反应
20℃
热稳定性差：
水合温度需控制比较低(17-22℃)
能耗严重，酶易失活
副产物丙烯酸大量生成：
Ethylene Propylene Butadiene Aromatics Functionalised C3-Compounds
Methane
Availability from fossil sources
是否为生物基路线带来了机遇?
11
生物基丙烯路线
Metathesis
丙烯
乙烯
+
2-丁烯
Source: B. Kim, H. Park, D. Na, S.Y. Lee, Biotechnology Journal 2014, 9 15
丙烯的其他合成路线
甲烷
Gasification
合成气
Metathesis
汽油
Fluid Catalytic Cracking
甲醇
MtO
丙烯
丙烷
De-Hydrogenation
生物质
甲醇
MtA
BTX
Fermentation + Synthesis (lab stage)
?
木质素
葡萄糖
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
18
甲烷可作为工业生物技术的重要原料
Methylobacterium extorquens as „microbial cell factory“
精制压力大，废液排放多
液氨，冷冻盐水
丙烯酰胺
底物耐受性差：
底物浓度一般为0.1％以下
副产物减少86％； 水合温度提高到室温；
产物耐受性差：
产物浓度一般为28％(280g/L)
底物/产物耐受性提高2-3倍
催化机 结理构设 耐热计改造
全局转录 转座调子控敲除 副产物调阻控断调控
碳氢化合物来源
Natural gas
工业生物技术已成为各国的战略方向
➢ 美国：2012年《国家生物经济蓝图》，将生物经济列为优先政策领域 - 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%。 - 2030年替代25%有机化学品和20%石油燃料
➢ 欧盟：2012年《一个强大的欧盟工业有利于增长和经济复苏》，工业生 物技术列入六大关键势能技术
Dehydration
Dehydration
2,3-丁二醇
Fermentation
葡萄糖
ABE发酵
n-丁醇
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
13
生物基芳烃
CO + H2
Gasification
生物质
甲醇
MtA
BTX
?
木质素
发酵 + 化学合成 (实验室水平)
葡萄糖
芳烃的生物合成路线
32% 32% 28% 75%
2.3 生物基化学品，是我国未来化工原料多元化战略 的重要突破口
丰富的可再生生物质资源是化工原料的重要选择
原料
过程
产品
糖、油脂、非 粮生物质、有 机废弃物、甚 至工业废气和 二氧化碳等
生物化工 技术
聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）聚合物 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯（PTT）
➢ 欧洲工业生物技术2025远景规划： - 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%
2. 生物基化学品
2.1 大宗化学品应用现状
原料：三烯三苯
产品及产量
合成 树脂
合成 纤维
合成 橡胶
4300万吨 1300万吨 300万吨以上
趋势：大宗化学品的生产和消费正在从西方向东方转移，我国大宗化学品 产业面临着前所未有的机遇和调整。
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
生物基丁二烯路线
Lebedev-Process (single step) or Ostromilensky-Process (two steps)
乙醇
1-丁烯
丁二烯
发酵
Oxidative Dehydrogenation
丁烷
De-Hydrogenation
1-丁烯
Oxidative Dehydrogenation
Dehydration
2,3-Butandiol
葡萄糖
Fermentation
ABEFermentation
n-丁醇
芳烃的其他合成路线
Gasification
甲烷
Catalysis
CO + H2
Gasification
CH 4
Natural gas
C1底物
via Syngas
CH3OH
Methanol
CH3OH
Source: J. Schrader DECHEMA-Institut
乙烷
Steam-Crபைடு நூலகம்cking
乙烯
+
2-丁烯
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
16
丁二烯的其他合成路线
甲烷
Plasma
乙炔
Lebedev-Process
乙醇
丁二烯
Fermentation
种类
乙二醇 二乙二醇 对二甲苯
双酚A 苯乙烯
丙酮 甲基丙烯酸甲
酯 正丁醇 丙烯腈 己内酰胺 异戊橡胶
表观消费量 （万吨，2013
年数据） 1165 94 1520 115.8 848 117.8
60.4
125.9 170.7 160 410
进口依存 度
70% 62% 51% 50% 43% 41%
40%
Ethane and higher
Naphtha
Steam Cracker
Oil
catalytic reforming
Methane Ethylene Propylene Butadiene Aromatics /
BTX Other
9
页岩气浪潮对乙烯价格的影响
10
可获得的碳氢化合物: 页岩气的影响
2.2 大宗化学品生产存在的问题
化工产业是国民经济和国防工业 重要支柱，但受资源匮乏所限， 原料高度依赖进口，需多元化原 料结构。
原油对外依存度为58% 烯烃对外依存度为30-50% 天然橡胶对外依存度为75%
碳排放严重
我国是世界第一碳排放大国， 减排压力巨大
水消耗严重
OECD:化工产品水消耗占工 业用水43%
………………….
走出一条可持续的化工原材料生产新路线 减少工业化进程对化石资源的依赖
生物基丙烯酰胺：化学和生物学技术的相互交融和耦 联推动了工业生物技术的产业化
微生物法生产丙烯酰胺的全局调控
水 AN
放热反应
20℃
热稳定性差：
水合温度需控制比较低(17-22℃)
能耗严重，酶易失活
副产物丙烯酸大量生成：
Ethylene Propylene Butadiene Aromatics Functionalised C3-Compounds
Methane
Availability from fossil sources
是否为生物基路线带来了机遇?
11
生物基丙烯路线
Metathesis
丙烯
乙烯
+
2-丁烯
Source: B. Kim, H. Park, D. Na, S.Y. Lee, Biotechnology Journal 2014, 9 15
丙烯的其他合成路线
甲烷
Gasification
合成气
Metathesis
汽油
Fluid Catalytic Cracking
甲醇
MtO
丙烯
丙烷
De-Hydrogenation
生物质
甲醇
MtA
BTX
Fermentation + Synthesis (lab stage)
?
木质素
葡萄糖
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
18
甲烷可作为工业生物技术的重要原料
Methylobacterium extorquens as „microbial cell factory“
精制压力大，废液排放多
液氨，冷冻盐水
丙烯酰胺
底物耐受性差：
底物浓度一般为0.1％以下
副产物减少86％； 水合温度提高到室温；
产物耐受性差：
产物浓度一般为28％(280g/L)
底物/产物耐受性提高2-3倍
催化机 结理构设 耐热计改造
全局转录 转座调子控敲除 副产物调阻控断调控
碳氢化合物来源
Natural gas