面向资源与环境的生物基化学品技术创新与展望.pdf
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1、化 工 进 展 2 0 1 5 年第3 4 卷第 1 1 期 C H E MI C A L I N D U S T R YA N D E N G I N E E ! 3 8 2 5 面向资源与环境的生物基化学品技术创新与展望 徐鑫,陈骁 ,咸漠 ( 中国科学院生物基材料重点实验室,中国科学院青岛生物能源与过程研究所,山东 青岛2 6 6 1 0 0 ) 摘要 :生物基化 学品是 以可 再生的生物质 为原料 ,以生物细胞 或酶 蛋 白为催化 剂合成的产 品。由于摆脱 了对化 石原料的依赖,同时避免了石油基产品制备过程的高能耗高污染,为了资源和环境的绿色、可持续发展,以可 再生的生物质资源为原料,
2、以生物转化技术制备化学品是未来发展的主要趋势。本文对目前国内外生物基化学 品研 发 及生产概况进行 综述 ,预 测生物基化 学品制造业将朝 着为原料 多元化、生物转化 过程 高效化 、产品高值 化的方向发展。针对生物转化过程高效化的关键科学问题进行深入探讨,提出生物学科与其他学科交叉融合是 生物基 化学品制造 技术未来 的发展方 向,包括生物技 术 自身融合 、生物与化工 技术融合及生物 与过程 控制技 术 融 合 。 关键词 :生物基化学品 ;制备 技术 ;转化体 系;学科 融合 中图分类号:T l 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 06 6 1 3( 2 0 1 5)1 1 3 8
3、 2 5 0 7 D oI :1 0 1 6 0 8 5 i s s n 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 5 1 1 0 0 1 Bi o b a s e d c he mi c a l s t e c hno l o g y i nno va t i o n a nd pr o s pe c t s f a c i ng r e s o ur c e a nd e n v i r o n m e nt c ha l l e ng e s XUX n, CHEN Xi ao,XI AN M o ( C AS Ke y L a b o r a t o r y o f B i o b
4、a s e d Ma t e r i a l s ,Q i n g d a o I n s t i t u t e o f B i o e n e r g y a n d B i o p r o c e s s T e c h n o l o g y ,C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ,Qi n g d a o 2 6 6 1 0 0 ,S h a n d o n g ,C h i n a ) Ab s t r a c t :Bi o b a s e d c h e mi c a l s a r e s y n t h e s i z
5、 e d f r o m s u s t a i n a b l e a n d r e n e wa b l e b i o ma s s b y b i o l o g i c a 1 c a t a l ys t s The s u pe r i o r i t i e s o f t he ne w i nd us t r i a l mo de a r e o b vi o us , s u c h a s i nd e pe nd e nc e of f o s s i l r e s o u r c e s , a n d a v o i d a n c e o f e n e
6、r g y c o n s u mp t i o n a n d p o l l u t i o n T a k i n g a c c o u n t o f t h e s u s t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f r e s o u r c e a n d e n v i r o n me n t ,g r e e n s y n t h e s i s wi l l d o mi n a t e i n f u t u r e b i o b a s e d c h e mi c a l s ma n u f a c t u r i n
7、g ,i e u s i n g r e n e wa b l e b i o ma s s t o s u b s t i tut e f o s s i l r e s o u r c e s I n t h i s a r t i c l e ,d e v e l o p me n t o f b i o b a s e d c h e mi c a l s wa s r e v i e we d fro m t h e a s p e c t s o f r e s e a r c h a n d i n d u s t r i a l i z a t i o n I n t h e
8、fut u r e , b i o ba s e d c h e mi c a l s t e c h n ol o g y wi l l be d i v e r s i fie d i n t e r m s of f e e d s t o c k s , e m c i e nt t r a ns f o rm a t i o n s y s t e ms a n d h i g h v a l u a b l e p r o d u c t s T h e k e y s c i e n t i fi c p r o b l e ms r e l a t e d t o h i g
9、h e f f e c t i v e b i o - t r a n s f o r ma t i o n p r o c e s s wa s d i s c u s s e d,t o g e t h e r wi t h t h e futur e d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f b i o b a s e d ma t e r i a l s p r o d u c t i o n ,w h i c h c o mb i n e d b i o l o g i c a l t e c h n o l o g y wi t h o
10、t h e r t e c h n o l o g i e s ( e g b i o l o g y , c h e mi c a l o r p r o c e s s c o n t r o 1 ) Ke y wor ds : bi o ba s e d c h e mi c a l s ; pr e p a r a t i o n t e c h no l o g y; t r a ns f o rm a t i o n s y s t e m;d i s c i pl i n e i nt e g r a t i o n 生物基化学品是指利用可再生 的生物质( 淀粉、 葡萄糖、木质纤
11、维素等)为原料生产的高需求量的 大宗化学品和高附件值的精细化学品等产 品。由于 摆脱 了对化石原料的依赖 ,同时避免了石油基产品 制各过程 的高能耗和高污染,基于资源和环境可持 收稿 日期:2 0 1 5 0 4 0 8 ;修改稿 日期:2 0 1 5 0 5 1 9 。 基金项 目:中国科学院重点部署项 目 ( K GZ D E W- 6 0 6 1 3 )及山东省 科技发展计划项 目 ( 2 0 1 4 GG F 0 1 0 7 0 ) 。 第一作者 : 徐鑫 ( 1 9 8 1 一) ,女, 助理研究员。联系人:咸漠 , 研究员, 从事生物化工领域研究。E - ma i l x i a
12、n mc lq ib e b t a c c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 2 6 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 续发展的双重考量,以可再生的生物质资源替代不 可再生的化石资源制备化学品是未来发展的主要趋 势。据世界经济合作与发展组织预计,到 2 0 2 5年, 生物基化学品的产值将超过 5 0 0 0亿美元 , 占全部化 学品的 2 5 左右。 世界各 国政府 、跨 国企业、研究机构均高度重 视生物基化学品的研发和生产。欧盟发布 “ 创新可 持续发展:欧洲生物经济 ”战略,提 出增加研发投 入和开发生物基产品市场等内容。美 国
13、 2 0 1 2年发 布 的 “ 国家生物经济蓝图”将发展生物基化学品作 为生物经济的主要内容之一 1 】 o 我国政府自“ 九五” 起就不断加大对生物基化学品的研发投入 ,“ 十二 五 ”将生物产业作为大力发展和重点扶持的战略新 兴产业,并出台相关财税政策扶持。全球范围内, 能源及化工制造业正在从不可再生的“ 碳氢化合物 ” 时代 向可再生的 “ 碳水化合物”时代过渡l 2 。 2 0 1 5年 3月 2 4日,中央政治局会议中首次提 出 “ 绿色化”的概念,即加快推动科技含量高、资 源消耗低、环境污染少的产业结构和生产方式。生 物转化技术的重金属、 有机溶剂 、 化学助剂使用少, 对化石资
14、源依赖程度低 ,是符合 “ 绿色化”标准的 环保的生产方式。因此,应大力发展生物基化学品 制备技术 ,并 以此为基础,构建绿色新型产业结构 和工业体系,逐步实现资源 、环境及社会的可持续 发展。 1 国内外生物基 化学品研发 与生产 概况 生物质原料替代石油基原料、生物法替代化学 法是国际化学品制造业发展的重点方向。近年来基 因组学、蛋 白组学、代谢组学及系统生物学等技术 的进步,共 同构建了化学品的生物合成通道。在各 国政府政策和计划的鼓励和刺激下,英国石油公司 ( B P ) 、 壳牌( S h e l 1 ) 、 巴斯夫( B A S F ) 、 拜尔 ( B a y e r ) 、 杜
15、邦 ( Du p o n t ) 、道化学 ( Do w C h e mi c a 1 )等大型 跨国石油和化工集团斥巨资投入生物化工产业,发 展面 向生物制造的工业生物技术 。目前己建立 1 , 3 一 丙二醇、3 一 羟基丙酸、丁二酸、类异戊二烯 、l , 4 一 丁二醇、异戊醇、丙烯酸等传统石油化工产品的生 物制造路线,生物合成技术已经或即将产业化 J 。 全球生物基化学品技术迅猛发展,目前 己成功合成 生物概念橡胶、生化纤维及生物塑料等产品己进入 产业化应用 。随着绿色生物催化技术的进步,生物 催化剂在化妆品、药物及其中间体,或其他精细化 表 1 部分跨国公司生物基化学品生产规模 1
16、5 - 1 8 1 学品合成 中的应用正逐步扩大 1 0 - 1 4 。部分跨 国公司 生物基化学品生产规模见表 1 。 作为国家重点扶持的战略新兴产业,我国具备 发展生物基化学品制造业的迫切需求与 良好基础。 在政府的支持及企业、研究机构的努力下,我 国生 物基化学品方面的研究取得了一些成果。例如,中 国科学院青 岛生物能源与过程所通过代谢工程技术 在大肠杆菌中构建了异戊二烯 的生物合成途径 ,形 成具有 自主知识产权的制造技术【 4 J 。 清华大学的 1 , 3 丙二醇生物转化技术打破了杜邦等跨国企业的技术 壁垒 ,并己与河南天冠集团等企业建成年产 5 0 0 0 t 的工业生产线 ,
17、】 。南京工业大学与中国石化集 团 公司共同开发生物发酵法合成丁二酸技术,己建成 1 0 0 0 ff a丁二酸生产中试装置【 2 J 。 安徽丰原格拉特 乳酸有限公司是亚洲 大洋洲地区最大的 L 一 乳酸生 产厂家,年生产能力为 3 0 0 0 0 t ,可以为聚乳酸项 目 提供高质量乳酸单体 。 当前, 工业生物技术己进入大规模产业化阶段, 全球生物经济处于起步向快速发展的跃升期,生物 制造产业势头强劲,已成为现代生物经济和生物产 业发展的重点。然而,原料利用局限、产品种类单 一 、转化效率不高,是制约生物基化学品产业化的 极大障碍,也是生物基化学品基础研究的关键攻关 方向。加大生物基化学
18、品的研发投入,培育与环境 协调的高效生物炼制与生物转化体系,尽快与国际 接轨 , 成为我国工业生物技术领域重要的战略任务。 2 生物基化学品发展与创新展望 2 1 原料利用多元化 原料成本 占到生物基化学 品总成本 的 3 0 4 0 ,乃至更高,开发价格低廉的多元化原料,是 绿色化学品制备面临的重要任务。我国目前每年约 有 l 1 1 0 t 各类农林废弃物、1 5 1 0 t 畜禽粪便、 1 6 1 0 t 城市垃圾、0 0 5 1 0 t 餐饮废油 ,另外还 有 1 1 0 多公顷不宜耕种农 田可用于种植能源植 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 1
19、徐鑫等:面向资源与环境的生物基化学品技术创新与腱望 3 8 2 7 物,这些低劣生物质的可用量经不同转化途径得到 的能源约折合 1 0亿吨标准煤, 是我国发展绿色化学 品产业的重要的可持续资源L 2 J 。此外,我 国拥有 丰富的煤炭资源, 由煤炭而来的 C 资源也是化学品 转化 的重要原料之一,这些都是对短缺的石油资源 的有效 补充 。 图 1 示意 了采用不同原料制备重要化学品丁二 酸的合成路线 2 5 - 2 7 。以合成气、葡萄糖和丁烷为原 料制备丁二酸的理论产率 分别为 9 2 2 、1 l 7 和 2 0 3 ,尽管合成气到丁二酸的原子利用效率较低 , 但是考虑其相对低廉的价格 ,
20、较其他原料更具有优 势。此外 ,合成气厌氧发酵还可转化为乙醇、丁醇、 乙酸 、乳酸 、丁酸、2 , 3 一 丁二醇 、丙酮等化学品, 是极具潜力与竞争力的原料L 2 引 。 图 1 采用不 同原料制备丁二酸 采用两段式生物转化技术从废水中提炼生物 能 源与生物基化学品,是拓展原料来源的又一重要案 例 。该技术第一阶段通过水解、酸解微生物将废水 中的有机物转化成有机酸、醇中间体 ;第二阶段利 用特殊功能微生物合成其他高附加值化学品I 2 圳,技 术路线见图 2 。对有机废水进行回用,一方面可以 解决环境污染问题 ,另一方面降低了生物基化学品 的成本 。从 资源利用、产品应用前景及经济性等角 度看
21、,有机废水是生物基化学品制造业值得探索的 第 阶段( 初级D H 1 5 ) 第 : 阶段f 精D N J 2 ) 图 2 以有机废水为原料合成生物基化学品 重 要原 料之 一 。 C O2 是主要的温室气体,也是取之不尽的廉价 碳源。 我国 2 0 1 3年的 C O, 排放总量达到 I O 0 1 0 t , 居全球首位,如能有效利用,一方面可提高碳 资源 的利用率,一方面可缓解高排放的压力。以C O2 为 原料合成化学品、染料或高附加值材料,在国内外 已有成功案例 。例如,美国 Mi c h a e l Ad a ms 课题组 构建成功可利用 C O 2 和 H2 生成 3 羟基丙酸 甲
22、酯的 微生物,该研究结果已发表于 尸 M 杂 川 J 。中国 科学院天津工业生物技术研究所马延和课题组通过 构建光合蓝细菌, 实现以 C O2 为底物, 生物合成酸、 醇、酮等典型化学品,为化学品的原料拓展提供 了 新的思路 3 1 - 3 2 J 。 2 2 生物转化体系高效化 生物转化技术制备化学品具有绿色、可持续的 特点,是发展低碳经济的关键技术。以生物转化技 术应用于大规模能源 、材料、化学品的制造,是传 统化石经济 向低碳经济过渡的必要工具,也是转变 经济增长模式,保障社会可持续发展的有效手段。 目前开发较好的生物基化学品有 l , 3 一 丙二醇 、L 一 乳 酸等_ j J 。然
23、而 ,相对于建立在 “ 三苯三烯 ”基础 上 已完全成熟的传统化工体系,建立在糖类醇类为 构筑单元的生物基化学品工业还很年轻 ,有很大发 展空间, 许多平台化合物的生物合成方法还不成熟, 存在合成效率不高、分离纯化困难、难于产业化等 问题 ,而理想的绿色工业技术应满足高转化率、高 选择性、易分离等特 点。通过汲取传统生物技术与 其他技术之长,实现学科的创新与交叉融合 ,提高 生物催化体系的催化效率及耐受性,提升生物基化 学品制备技术的产业化能力,是未来生物转化技术 的重要发展方向,包括生物技术自身融合、生物与 化工技术融合及生物与过程控制技术融合。 提升微生物的催化效率是实现高效生物转化体 系
24、的核心。由于体 内的各类反应并非孤立存在 ,而 是在复杂代谢网络中, 受到胞内的各项调控与制约, 因此基于单一途径代谢改造的方法常常达不到理想 催化效率或者无法构建复杂的合成路线。近年兴起 的合成生物学通过转录组学、蛋 白组学、代谢组学 等相关学科的融合,可较好地解决这个 问题 。通过 合成生物学技术,可从全细胞代谢网络角度改造、 优化 或从 头创 建具有特 定功能的人工生物转化 体 系,提高细胞的生物制造能力及对 目标产物的耐受 能力,是构建高效生物转化体系的创新技术 ( 见图 3 ) 。异丁醇的生物合成是人工生物转化体系构建的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
25、 化 工 进 展 2 0 I 5年第 3 4卷 经典案例。传统化工过程制备异丁醇 ,通常以石油 为起始原料, 通过丙烯羰基合成法生产 , 工艺繁琐, 催 化剂价格 高。美国加州大学洛杉矶 分校 J a me s L i a o课题组利用构建启动子元件、基因敲入 、代谢 途径替换等手段,在大肠杆菌中重构 了异丁醇的合 成途径:首先由 2 酮酸脱羧酶催化 2 一 酮异戊酸脱羧 生成异丁醛,然后 由乙醇脱氢酶催化 ,将异丁醛还 原为异丁醇。该菌株在常温常压下 以葡萄糖为原料 合成高级醇及其衍生物 ,避免了传统化学法催化剂 成本高、工艺复杂等问题。该工作发表于 N a t u r e杂 志,并在次年
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