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,工业生物技术与生物炼制 姜 岷 Email:jiangminnjtech.edu.cn 南京工业大学制药与生物工程学院,History of biotech.,生物技术的发展史 经验生物技术时期:天然发酵阶段(混合发酵),近代生物技术建立时期:纯种培养、通风搅拌发酵技术,中国有着悠久的生物技术应用的历史,早期的作坊式生物技术代表: 夏朝 酿酒 商朝 制酱 周朝 酿醋,现代生物技术进步的重要标志 青霉素深层发酵,1928年,弗莱明爵士发现青霉素 1944年,辉瑞公司开发了青霉素大规模液体深层发 酵标志工业化生物技术的诞生,医药生物技术,人类基因组学 及相关科学,农业生物技术,动植物基因组学 及相关科学,工业生物技术,微生物基因组学 及相关科学,推动,推动,推动,拉动,人口 健康,食品,资源 能源 环境,拉动,拉动,科学,技术,社会需求,Red Biotechnology,Green Biotechnology,White Biotechnology,现代生物技术的发展历程,医药生物技术,现代生物制药发展包括两个方向:“采用基因工程的加工技术来生产蛋白质”和“将基因和分子生物学领域先进技术作为研究工具”。 前一类药品仍将是未来5-10年生物技术药品市场的主流,后一类药品代表着生物技术行业的研发方向,主要指靶向性药物,包括治疗型单抗和治疗型疫苗领域。,抗生素:青霉素等生物法制备的药物及其衍生药物,农业生物技术,农业生物技术是指运用基因工程、发酵工程、细胞工程、酶工程以及分子育种等生物技术,改良动植物及微生物品种生产性状、培育动植物及微生物新品种、生产生物农药、兽药与疫苗的新技术。,Industrial biotechnology,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。,依赖化石资源的工业文明利用不可再生的化石资源,集中的生产方式,高的生产效率,创造了大量的物质财富,丰富人类的物质社会,创造了当今繁华盛世。 工业文明在科学技术上取得巨大的进步,是未来人类物质文明的科技基础。,基于化石资源的工业文明的巨大成就,化石经济,付出了巨大的环境代价(白色污染、水污染、空气污染、臭氧层空洞、全球变暖等),工业文明的恶果:环境污染,文明的困惑:资源能源短缺,化石资源的替代,远古生命体是今天化石能源的来源,煤炭,石油,天然气,植物,藻类,动物,今天的煤、石油、天然气是远古时动植物、藻类死后沉积后经过亿万年物理化学变化形成的。,远古生命体是生物固定CO2的产物,早期地球,CO2占空气量的80%,氧气不多,温度达460 C温室效应严重,当今地球,蓝色星球 拥有防辐射的臭氧层,CO2占空气量0.038%,氧气21%,植物,消除大量CO2,海藻,今天的蓝色星球,源于生命的拓荒,混沌世界,生态乐园,温室气体排放导致的地球温室效应带来严重的灾害性气候,北极冰融化,飓风肆虐,冰灾突袭,干旱频发,当使用石油与煤炭时,就意味着将远古时期埋藏的CO2释放出来,由于人类超量使用化石资源排放大量温室气体,带来严重的温室效应,导致灾害性气候频发,已造成农业减产、绝收,引发粮食危机和社会危机。,洪水爆发,荒漠推进,大气中CO2浓度导致气温上升,CO2浓度,气温,目前,空气中CO2含量较100年前已提升了35.7%,并导致了约1 C的温升。气温上升1.5 C,20%物种将面临灭绝。气温若升高2 C,海平面则可能上升0.4-1.4米,我国东南沿海部分城市将不复存在,如上海,我国的CO2排放问题已相当严峻,我国的发电、钢铁、水泥、汽车造成的工业排放总量已超过美国,居世界第1位,人均已超过世界平均水平,实际远不止这些 我国的单位GDP能耗是世界平均水平的3.1倍。比美国高5倍,比日本高8.2倍,甚至比菲律宾还高3.52倍 中国单位GDP的二氧化碳排放量是美国的5.5倍,日本的13.8倍,高收入国家平均水平的7.9倍,世界平均水平的4.6倍,CO2排放问题将可能引发政治危机,Carbon tariff,面对国际金融危机的严峻形势,欧美国家已提 出碳关税。面临这一形势,我国将如何应对?,低碳经济:我们必须的选择与重大机遇,现代人类活动与化石能源引起的温室效应、干 旱、洪灾、冰川融化,我们已不能承受 21世纪末温升可能超过5 C 西方经济与科技模式的问题 低碳:未来经济的核心,未来科技的特征,低碳经济模式,经济转型的若干问题: 能源工业和材料工业是基础工业转型的核心 工业与经济核算的模式变更 全生命周期的质量、能量、成本、效益分析 全生命周期的碳排放分析,据估计,全球每年能产生相当于650亿吨碳的生物质,仅需利用小于 10% 生物质资源,即可替代化石资源。,生物质资源:永不枯竭的金矿,产品 化学品和能源,植物生物量,阳光,过去,化石资源,石油路线,现在和将来,生物可再生资源,生物路线,原料和加工路线的变更,微生物代谢途径,石油路线,生物路线,粗原料,终产品,原料 中间体,平台 化合物,衍生 化学品,合成 中间体,生物能源,精细化学品,生物基材料,微生物工业制剂,大宗化学品,超过GDP约40%的工业是生物制造发展的空间,生物制造是全球战略性新兴产业,生物高分子材料 生物基单体聚合物 生物质加工材料,食品与配料,大宗发酵产品,化工醇、酸、溶剂、涂料、表面活性剂,抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶制剂 等,甾体激素、手性胺、手性醇、医农化产品,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,工业生物技术是生物质资源利用的关键,OECD提出:“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。,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,生物制造已显示出巨大潜力,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。,美国: 2005年,美国农业部以及能源部的报告均提出了发展生物基能源和生物基产品,逐步实现有机化学品和石油燃料的生物基替代。,欧盟: “生物炼制细胞工厂”关键行动,日本: “阳光计划”,印度: “绿色能源工程计划”,1989年,成立了国内首家工业生物技术研究所 1995年,成立国家生化工程技术研究中心 “十一五”期间,提出了利用生物质生产大宗化学品 工业生物技术列入国家中长期科学和技术发展规划 (2006-2020年) 2003年和2006年国家“973” 项目立项,世界各国共同掀起工业生物技术的热潮,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,糖平台 葡萄糖 果糖 木糖 阿拉伯糖,高分子材料,平台化合物,基础原料,成份分离,SG,C2,C3,C5,C6,C4,淀粉,半纤维素,纤维素,蛋白质,碳水化合物,热化学平台 合成气,平台化合物系列,生 物 质,H2、甲烷 混合醇,衣康酸 乙酰丙酸,富马酸 丁二酸 天冬氨酸 苹果酸,柠檬酸 葡萄糖酸 山梨醇,乳酸、甘油 丙烯酸 3-羟基丙酸,乙醇、乙烯,微生物,现代化学工业体系,木质素,油脂,生物质能源现状,生物质能是优质的可再生能源:生物质合成是地球上最大的CO2固定途径,生物通过光合作用固定CO2制造生物质为我们提供了可观的能源来源,CO2,陆生植物 1100亿吨生物质,海洋藻类 600亿吨生物质,固定1600亿吨CO2,固定880亿吨CO2,光合 作用,产生大量O2 改善大气环境,生物质能是相对稳定的再生能源,温室效应带来其他可再生能源的不确定性,如水电,而生物质能源来源可能增加,第一代生物质能:燃料乙醇,美国:玉米,占全球52%,产值约200亿美元(大量) 巴西:甘蔗,车用燃料主体(大量) 中国:粮食安全、耕地、水资源(少量,难以普及),秸秆生产纤维素乙醇(第二代)的困境,目前纤维素转化为葡萄糖的成本依然是主要障碍 自然界没有能利用木糖产生乙醇的微生物 构建的同时利用木糖和葡萄糖产酒精的工程菌依然还不是很成熟 纤维素酶2000元/吨产品,补贴近3000元/吨产品,木糖 葡萄糖,乙醇,第一代生物质能:生物柴油,中国:利用废弃油脂、非食用 油脂资源(少量,难以普及),各国国情不同 欧洲:菜籽 美国:大豆 南美:棕榈油,(大量),生物柴油B10率先商业化推广,常州市新北区60辆环卫车辆使用B10 常州卡特新能源的B100已公路试验2年,即将商业推广 种植万亩蓖麻,开发新型植物基润滑油、增塑剂、聚氨酯等生物可降解材料,废弃油脂,生物柴油,利用边际土地和沿海滩涂的潜力不小,中国生物质能源之路:利用低劣生物质积极稳妥推广生物燃油和生物燃气及发电,战略应该是分步走台阶式的积极战略:基础技术和应用基础研究 大力发展利用沿海优势和能源作物 大力发展低劣生物质利用 中国有农作物秸秆、废弃林木和生物炼制加工剩余物的木质纤维等材料7亿吨,我国每年会产生极其可观的低劣生物质,目前中国低劣生物质利用概况,生活固体垃圾填埋,产生的甲烷排放问题 秸秆大量焚烧产生气体污染与大规模还田可能引发的甲烷排放问题 大量粪便(14亿人口;约占世界一半的养殖业粪便)排放江河,少量被城市污水站曝气处理,消耗大量能源,排放CO2,我国低劣生物质利用的特点,资源高度分散 我国小城镇和农村及农业污染占污染总量的90%以上;全国4.1万乡镇、69万行政村。收集、运输过程导致集中传统处理成本高昂。 适合采用生物转化 粪便、生物垃圾中有机质、氮、磷、COD含量极高,只能采用生物转化处理。 农业秸秆糖化难度大; 秸秆还田产生大量沼气毒害土壤和作物 秸秆燃料硫化物、温室气体 污染空气 秸秆堆沤腐熟转化生物甲烷,难度较小。,低劣生物质利用同时解决水污染和水资源问题,生物质,能量耗散 排放CO2,环境污染 水体富营养化,不利用,利用,清洁能源 无CO2净排放,极大地降低水污染,最大的节能减排,厌氧发酵系统: 采用我校江浦校区植物秸秆、人粪尿、餐余垃圾等作为厌氧发酵原料,采用全混合、中温厌氧消化工艺 设计规模: 日处理约量30吨,物料TS约为5%,可实现日产生物甲烷200 m3,生物甲烷示范工程,生物甲烷示范工程装置系统,厌氧反应器,储气柜,脱硫塔,沼渣过滤,沼气燃烧,发电机组,抽粪车,粉碎堆沤,先进生物甲烷净化装置,通过利用先进生物燃气甲烷技术,将生物甲烷提升至甲烷含量97%,达到民用天然气标准,生物甲烷试验车,利用低劣生物质生产生物燃气,CH4,发酵残渣(腐殖质),土壤改良,有机废弃物 农业生物质,动植物,氢气发酵,H2,甲烷发酵,生物燃气,利用低劣生物质,经两阶段厌氧发酵生产生物甲烷,可在提高理论能量回收率至99%的同时加快反应速度,效率高。,若将我国的低劣生物质全部转化为生物甲烷,可年减排CO2约25亿吨,产气池,腐熟井,生物燃气,对农村低劣生物质利用的设想,液化,沼液沼渣还田,气化,燃气总管、集中收集,通过各村镇建设低劣生物质资源化处理系统,就地转化秸秆、粪便等为生物燃气,剩余物就地利用。提高能源和资源的利用率,降低成本,对农村低劣生物质利用的设想,通过管道运输,集中收集燃气用于供热或发电,达到能量的集中使用与城乡一体的目标,乡镇,城市,生物甲烷的应用十分广泛,直接用于燃料,热值高,污染极小 用于生产合成气,进一步生产甲醇和乙醇 等多种能源与化学品 我国低劣生物质资源用于生物燃气生
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