工业生物技术研究现状及发展趋势课件.ppt

1、 细胞细胞 酶酶 生物催化剂生物催化剂（游离或固定化）（游离或固定化）原料基质或培养基原料基质或培养基 （营养物质）（营养物质）预处理上游加工过程上游加工过程 空气空气 能量能量 生物反应器生物反应器 检控系统检控系统生化反应过程生化反应过程 产品产品 提取提取 副产品副产品 精制精制 废物废物下游加工过程下游加工过程灭菌 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。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。游牧文明食物工业文明

2、化石原料农耕文明衣食住行人类文明演化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。年年1900210020002020205017亿人口亿人口1970（forecast）增长的增长的极限（Club of Rome,1972）生长极限生长极限 文明冲突文明冲突100亿人口亿人口 61亿人口亿人口文明冲突的重要途径文明冲突的重要途径生物工程是解决人类生物工程是解决人类面临危机的有效途径面临危机的有效途径 生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能照射生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能

3、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生物质能；由于转化为热能的太阳能能量密度密度很低，不容易很低，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集起来，储存在有机物中，这些能量是人类发展所需能源能源的的源泉和基础源泉和基础。植物是生物质的主要种类，如植物是生物质的主要种类，如木

4、材木材、农作物（秸秆、稻、农作物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、草、麦秆、豆秆、棉花棉花秆、谷壳等）、杂草、藻类等秆、谷壳等）、杂草、藻类等 是生是生物加工产业的基础物加工产业的基础木质纤维素的成份木质纤维素的成份 因化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧因化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧 目前目前化学工业的生产模式化学工业的生产模式必须要进行彻底的变革，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。其核心技术是工业生物技术

5、。1、工业生物技术是生物质资源利用的关键、工业生物技术是生物质资源利用的关键工业生物技术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。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

6、品、过程或系统，以满足社会的需要。工业生物技术不仅仅的产品、过程或系统，以满足社会的需要。工业生物技术不仅仅面对面对发酵发酵行业，它已经开始进入包括行业，它已经开始进入包括农业化学农业化学、有机物、药物和、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，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如洗涤剂和纺织品等，而且它的作用具有更加深远的意义 2、工业生物技术的核心是生物催化、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）相生物催化剂与普通化学催化剂（通常为强酸和强碱等）相比

7、，具有以下特点：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）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化生产本身质量10万倍的天冬氨酸。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）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，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。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）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。

8、反应条件温和，一般在白质，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。绿色化工发展的重要趋势之一。3、工业生物技术的贡献、工业生物技术的贡献 生物催化过程生物催化过程(生物催化剂生物催化剂-绿色技术的重要应用绿色技术的重要应用)1)高效率，高转化率高效率，高转化率 2)高选择性高选择性 3)环境友好环境友好 传统化学催化过程传统化学催化过程 1)高能耗高能耗 2)高物耗

9、高物耗 3)污染环境污染环境 丙烯腈丙烯腈H2O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丙烯酰胺生产路线的变更化学催化路线化学催化路线生物催化路线生物催化路线Cu2+催化催化丙腈烯丙腈烯浓缩浓缩丙烯酰胺丙烯酰胺水合水合100催化剂催化剂分离分离除氧除氧Cu2+除去和脱色除去和脱色丙烯腈丙烯腈H2O Cu2+催化法催化法生物催化法生物催化法单耗单耗0.80.80.750.75产品纯度产品纯度95%95%99.99%99.99%副产物和杂质副产物和杂质产物中存在产物中存在 CuCu2+2+,基本上没基本上没有三废有三废副产物

10、少副产物少转化率转化率83 83 87%87%99.99%99.99%成本成本高高低低温度（温度（）1001001010能耗能耗高高低低丙烯酰胺生产路线的比较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。成超高分子量的聚丙烯酸，在三次采油中发挥重大作用。工业生物催化技术的原料是生物质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，每年辐射总量在我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在3.33.3103103

11、8.48.4106 kJ/m2106 kJ/m2之间。我国陆地面积每年接受的之间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于太阳能相当于2.42.4104104亿吨标准煤。亿吨标准煤。如果将中国如果将中国8 8的土地覆盖上高能作物，达到世界平均水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，按光合效能平的森林覆盖面积，按光合效能6.66.6计算，相当于产生计算，相当于产生126126亿吨标准煤。亿吨标准煤。随着生物技术的发展，生物质数量将更大。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发展工业生物催化技术，实现生物质能源的高效利用，实现生物质能源的高效利用，中国可以走向一条通往

12、绿色生态现代化之路。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）原料路线变更生物质生物质 A B C D E F G H I J K L 1 Biochemical Pathways 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3）以生物质为原料采用工业生物技术能）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实现大多数产品的生产微生物代谢途径（生物催化网络）微生物代谢途径（生物催化网络）EMP的化学历程的化学历程 糖原或淀粉糖原或淀粉1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸果糖磷酸果糖1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2

13、 1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸2 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2 磷酸烯醇丙酮酸磷酸烯醇丙酮酸2 丙酮酸丙酮酸第第一一阶阶段段第第二二阶阶段段第第三三阶阶段段葡萄糖葡萄糖葡萄糖的磷酸化葡萄糖的磷酸化磷酸己糖的裂解磷酸己糖的裂解2-磷酸甘油磷酸甘油和和ATP生成生成丙酮酸和丙酮酸和ATP的生的生成成第第四四阶阶段段糖酵解过程糖酵解过程 OCH3-C-SCoACoASHNADH+CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP三羧酸循环 （TCA）草酰乙酸草酰乙酸 再生阶段再生阶段 柠檬酸的柠檬酸的生成阶段生成阶段 氧化脱氧化脱 羧阶段羧阶段柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠

14、檬酸顺乌头酸顺乌头酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰CoA延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+C4C3C2C1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C5C6苯、苯酚等 工业生物技术应用于大规模化学品生产已初见端倪，如农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。等领域。21世纪是工业生物技术崛起的新纪元。世纪是工业生物技

15、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（大基础研究计划（973计划）将生物催化项目立项。国家计划）将生物催化项目立项。国家高技术研究计划（高技术研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题。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和柠檬酸产量为世界第一，但是技术水平和

16、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。是强国。乙醇燃料乙醇糖精馏除水发酵 目前目前乙醇作为乙醇作为燃料，政燃料，政府必须补府必须补贴。贴。100001000026662666434043400 02000200040004000600060008000800010000100001200012000补贴乙醇成本乙醇燃料价值赢余2666乙烯及衍生物价值CH2OCOOR1CH2OCOOR3CHOCOOR2R1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3CH2OHCH2OHCHOH+3CH3OH。是有机物质在厌氧条件下

17、，经过微生物发酵作用而生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效率可高达87%87%，是其他加工技术所难以达到的。沼气发酵可以综合，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

18、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。化应用阶段。是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的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。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

19、予大力支持。视。我国对该领域的基础研究也给予大力支持。与石油化工材料相比，生物材料具有可再生、可生物降解、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，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成竞争力。目前已成功实现商业化的有Cargill DowCargill Dow公司的公司的聚乳酸工厂和聚乳酸工厂和DuPontDuPont公司由公司由1 1，3 3丙二醇生产丙二醇生产PTTPTT的工厂。这的工厂。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两项成果标志着用生物原料生产的生物材

20、料已经开始具备市场竞争优势（前者能耗降低场竞争优势（前者能耗降低30%30%50%50%，后者降低，后者降低25%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。膜和成纤维的能力，可以用来做包装材料和纺织材料。聚乳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。过化学法进行高分子聚合反应，生成聚乳酸。采用采用1 1，3 3丙二醇与对苯二甲酸进行缩聚，制造的聚酯丙二醇与对苯二甲酸进

21、行缩聚，制造的聚酯PTTPTT纤纤维材料具有良好的抗腐蚀性，维材料具有良好的抗腐蚀性，又具有尼龙又具有尼龙6666的弹性，且更容的弹性，且更容易印染，被认为是一种优质的高分子纤维材料。易印染，被认为是一种优质的高分子纤维材料。生物质加工的重大产品体系生物质加工的重大产品体系C4C3C2C1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C5C6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乙醇是最生物乙醇是最重要重要C2平台化合物平台化合物乙醇乙烯燃料乙醇糖环氧乙烷乙

22、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，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物质如生物乙烯等 。目前目前乙醇作为乙醇作为燃料，政燃料，政府必须补府必须补贴。贴。100001000026662666434043400 02000200040004000600060008000800010000100001200012000 生物质加生物质加工乙醇，生产工乙醇，生产生物乙烯已具生物乙烯已具备

23、产业化商业备产业化商业化条件，并与化条件，并与新建石脑油乙新建石脑油乙烯装置竞争。烯装置竞争。（中东乙烷乙（中东乙烷乙烯除外）烯除外）补贴乙醇成本乙醇燃料价值赢余2666乙烯及衍生物价值我国生物乙烯面临重大需求我国生物乙烯面临重大需求2003年年2005年年2010年年2020年年乙烯乙烯1620万吨万吨1900万吨万吨 2600万吨万吨 4000万吨万吨取代率取代率1030生物乙烯生物乙烯5万吨万吨260万吨万吨1200万吨万吨生物乙烯生物乙烯的产值的产值5亿元亿元260亿元亿元1200亿元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。巨大的市

24、场需求和经济可行性为生物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。的产业化提供了巨大的动力。我国已有我国已有3 3万吨万吨/年生物乙烯的工业装置，用于生产年生物乙烯的工业装置，用于生产3 3万吨万吨/年环氧乙烷，经济效益良好。年环氧乙烷，经济效益良好。印度、巴西等国已有印度、巴西等国已有40万吨生物乙烯的生产规模。万吨生物乙烯的生产规模。中东乙烯中东乙烯乙醇（运输）乙醇（运输）乙烯乙烯乙醇乙烯原料原料生物乙烯的关键技术生物乙烯的关键技术生物乙烯的关键技术：生物乙烯的关键技术：1 1）低成本的发酵糖（原料）制备高技术。2 2）代谢工程技术改造酒精发酵菌种，提高发酵乙醇的相

25、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 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。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）制备高技术低成本原料的生物乙醇工艺路线：采用低成本的非粮

26、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。五碳糖利用是降低成本的关键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1/21/21/31/31/31/5 1/71/82/7能源材料化学品裂解氢解乳酸是最乳酸是最重要重要C3平台化合物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。甘油甘油1,3-丙二醇丙二醇葡萄糖葡萄糖3-磷酸甘油

27、醛磷酸甘油醛3-羟基丙醛羟基丙醛二羟丙酮二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮NADHNAD+NADHNAD+ATPADP乙酸乙酸乙酰辅酶乙酰辅酶A乳酸乳酸琥珀酸琥珀酸丙酮酸6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATPADPATP乙醇乙醇2,3-丁二醇丁二醇NADHNAD+ADPATP2NAD+2NADH1,3-丙二醇丙二醇氧化还原酶氧化还原酶甘油甘油脱水酶脱水酶NADHNAD+2NAD+2NADHADPATPNADHNAD+ATPADPATPADP甘油脱甘油脱氢酶氢酶激酶1，3丙二醇的代谢途径C3平台化合物丁醇、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

28、,3-丁二醇1,4-丁二醇丁醇丁二烯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EMPATP+NADH2NADNADH2(7)NADNADH2CO2CO2(8)(9)(10)H2OCO2ATPNADH2NADCO2NADNADH2(1)(2)(3)(4)(5)(6)TCA线粒体胞液途径（64）利用代谢利用代谢工程手段工程手段，可以大，可以大大提高目大提高目标化合物标化合物的产量。的产量。反应分离耦合技术CO2调控三、工业生物技术的关键技术问题三、工业生物技术的关键技术问题 1）微生物资源库和微生物功能基因组学技术 微生物是生物圈的

29、基础，控制地球的生物化学循环，影响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。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。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，如极端微生物能够适应环境的多样性，减轻环境的威胁，如极端pHpH值、温度和盐度。因此利用微生物可以在工业环境中大值、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

30、品。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工业生物技术的基础 微生物物种巨大的多样性及其基因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巨大机遇，工业生物催化技术的发展前景十分诱人。展前景十分诱人。医药生物技术医药生物技术人类基因组学人类基因组学及相关科学及相关科学农业生物技术农业生物技术动植物基因组学动植物基因组学及相关科学及相关科学工业生物技术工业生物技术微生物基因组学微生物基因组学及相关科学及相关科学推动目前人类所了解的微生物仅占总数1，

31、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科学技术技术社会需求社会需求Red BiotechnologyGreen BiotechnologyWhite Biotechnology 微生物物种巨大的多样性及其基因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巨大机遇，工业生物催化技术的发展前景十分诱人。展前景十分诱人。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

32、生物强碱强酸高温高寒生物催化剂多样性研究目前已经有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 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。伐。蛋白质定向进化技术最大的优势在于可操作性强，

33、可在实验室试管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。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 E在有机溶液中（在有机溶液中（60%DMF60%DMF）的活性提高了）的活性提高了170170倍；倍；内酰胺酶的耐内酰胺酶的耐抗菌素抗菌素cefotaximecefotaxime浓度提高了浓度提高了3200032000倍；胸苷激酶对新底

34、物（倍；胸苷激酶对新底物（gancyclovirgancyclovir）的利用提高了）的利用提高了4343倍；卡那霉素核苷酸转移酶在倍；卡那霉素核苷酸转移酶在60606565的热稳定性提高了的热稳定性提高了200200倍；细胞色素倍；细胞色素P450P450酶对完全新底物（过酶对完全新底物（过氧化氢）的利用提高了氧化氢）的利用提高了5 52020倍；辣根过氧化酶在酵母中表达产量倍；辣根过氧化酶在酵母中表达产量提高了提高了8888倍。倍。2）生物催化剂快速定向进化技术生物催化剂快速定向进化技术 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。定向进化目前主要研究方向是：提高热稳

35、定性、提高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、技术、DNA shuffling技术及高通量筛选技术。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析方法的进步，大大促进

36、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。反应多样性、改变酶的各种性能等方面已有应用。RNAi技术技术阻断代谢支路化学小分子基因微阵列技术基因微阵列技术快速筛选和检测基因快速筛选和检测基因proteolysiselutionpeptidesMassSpectrometry二维电泳蛋白质表达差谱的研究技术。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。建立

37、酶的高效分离纯化平台。LCMSMS肽谱的快速分析方法。肽谱的快速分析方法。蛋白质组学酶的高效固定化技术。酶的高效固定化技术。酶固定化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Cell 工厂工厂3）重要工业微生物的代谢工程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键步骤

38、，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。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。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，从而可以实现调节关键酶，从而可以实现1，6二磷酸果糖的超量生产。在二

39、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（整合到一个微生物中，构建出优良的产乙醇重组菌（Zymomonas mobilis），能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产），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。乙醇，大大降低了燃料乙醇的生产成本。基因组基因组 转录组学转录组学蛋白质组学蛋白质组学Citrate Cycle代谢组学代谢组学 生

40、化反应生化反应产品产品微生物代谢途径（生物催化网络）微生物代谢途径（生物催化网络）A B C D E F G H I J K L 1 B i o c h e m i c a l P a t h w a y s 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 大量新生物化学合成途径的解析，提供了新的机遇：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提升传统产品的制造水平 新化学品生产新化学品生产 工艺路线的变更（资源、能源）工艺路线的变更（资源、能源）代谢网络代谢网络葡萄糖葡萄糖产物产物 利用基因工程手段，重构代谢途径，抑制代谢支路，增强主利用基因工程手段，重构代谢途径，抑制代谢

41、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。代谢（产物方向）的代谢流量，从而超量生产所需要的产物。GlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes(for detergents)ByproductsCO2Exploit the chemistry of living cellsExploit the chemistry of living cellsGlucoseNH4+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes(for detergents)ByproductsCO2GlucoseNH4

42、+OxygenEthanolPenicillinInsulineEnzymes(for detergents)ByproductsCO2Exploit the chemistry of living cellsExploit the chemistry of living cells微生物代谢工程（组合生物催化）微生物代谢工程（组合生物催化）4）生物反应器工程与过程放大）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）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工业试验平台工业试验平台生物反应单元分离单元多功能、模块化、组合集成式生物制造技术平台四、工

43、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。物技术对解决我国资源和能源短缺问题是十分迫切的。我国属于太阳能资源丰富的国家，每我国属于太阳能资源丰富的国家，每年辐射总量在年辐射总量在3.31038.4106 kJ/m2之之间。我国陆地面积每年接受的太

44、阳能相当间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于于2.4104亿吨标准煤。如果将中国亿吨标准煤。如果将中国8的的土地覆盖上高能作物，达到世界平均水平土地覆盖上高能作物，达到世界平均水平的森林覆盖面积，按光合效能的森林覆盖面积，按光合效能6.6计算计算，相当于产生，相当于产生126亿吨标准煤。亿吨标准煤。发展工业生物技术，实现生物质的高发展工业生物技术，实现生物质的高效利用，中国可以走向一条通往绿色生态效利用，中国可以走向一条通往绿色生态现代化之路现代化之路 我国农业所生产的废弃生物量近我国农业所生产的废弃生物量近1414亿吨亿吨（包括（包括7.57.5亿吨秸秆与农林加工废弃物）亿吨秸秆与农林加工

45、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木质纤维素原料生物量 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。预计在未来面发挥重大作用。预计在未来2020年内，生物能源、生物材料和年内，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国民经济GDPGDP中的贡献达到中的贡献达到2.2

46、2.2万亿元年（万亿元年（20202020年）。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。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。到临的前奏。到20202020年，预计将有年，预计将有50%50%的有机化学品和材料产自的有机化学品和材料产自生物质原料。生物质原料。生物质H2CH4气化生物炼制示意图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工业生物技术原料水解溶解食品非食用成分分离思考题思考题谢谢大家谢谢大家!