工业生物技术发展战略研究报告

更新时间:2015-04-29点击次数:1055次字号:T|T

生物与医药科技

 调 研 报 告

  

第 013 期

 

科技部中国生物技术发展中心             20076

 

工业生物技术发展战略研究报告

 

目  录

摘要 2

一、工业生物技术的国内外现状与发展趋势 3

二、国家需求分析 17

三、“十一五”期间发展战略 33

四、战略目标、主要研究内容与关键技术 34

五、实施原则和措施 48

六、战略目标实现后,对本领域发展的影响预测 51

摘    要

从化石经济向碳水化合物经济过渡,是社会经济发展的一种必然趋势,工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度。继医药生物技术、农业生物技术之后,工业生物技术已经成为生物技术领域发展的第三次浪潮,正推动着一个以生物催化和生物转化为特征,以生物能源、生物塑料、生物化工、生物冶金等为代表的庞大的现代工业王国的形成,正推动着一场以矿业资源为基础的经济向以碳水化合物为基础的经济发展的现代工业技术革命。

中国正处于一个全面建设小康社会、迈向中等发达社会的关键发展时期,工业经济对于一个发展中国家尤为重要。为应对日益激烈的国际竞争、日益严峻的环境问题和日趋紧迫的资源、能源危机,工业生物技术已经成为迫切发展的战略重点。发展工业生物技术将有利于减少我国经济对石油资源的依赖程度,促进社会经济可持续发展。有利于我国化工等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重之困境,加快我国工业产业结构的调整;有利于化工、材料、医药、食品加工、纺织、造纸、冶金和能源等产业国际竞争力的提升,实现相关产业的跨越式发展。工业生物技术是实现生物质工程与生物质产业的根本途径,对于我国工业可持续发展具有重要的战略意义。

863计划十一五期间,工业生物技术将以国家战略目标为导向,以市场需求为牵引,加强体制创新、技术创新与协调管理,建立完善我国工业生物技术研究体系,实现环境友好工艺与生物能源、生物材料、生物基化学品等重要基础物质生物制造技术的重大突破,使我国工业生物技术及其产业跨入世界先进行列,为我国工业的全面提升与社会经济可持续发展提供技术支撑。继续保持食品和药物等产业规模的世界领先地位,主要产品的生产技术达到世界一流水平。力争生物能源和生物基产品的生产技术接近世界先进水平,降低原油资源依赖。实现传统生物产业的改造和提升,显著提高若干重大生物产品与化学品生产的技术水平,增强市场竞争力,力争实现资源消耗、能源消耗与污染物排放各减少20%。新增产值1000-1500亿元,带动形成一个现代工业产业链。

几十年来,生物技术在医药和农业食品行业中的应用已经成为人们众所周知的两个领域。但是在今天,工业生物技术的发展使现代生物技术已经渗透到包括医药、农化、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域,已经成为可持续发展的希望。工业生物技术的突破与战略目标的实现,将极大地改变公众与社会对工业生物技术的理解与认识,将重新确立生物加工在国民经济发展中的地位与作用,将在我国形成一个庞大的现代生物技术工业王国。工业生物技术将是我国社会经济可持续发展必然选择。

 

一、工业生物技术的国内外现状与发展趋势

(一)工业生物技术已经形成生物技术革命的第三次浪潮,是社会经济可持续发展最有希望的技术,将会成为现代新文明的支柱。

在19-20世纪以化石资源为经济基础的近代工业文明取得了辉煌的成就。工业文明使用高度浓缩的化石资源,集中的生产方式,带来生产效率的大大提高,创造了大量的物质财富,满足了人类社会不断增长的物质需求,促进了人类社会的发展和人类文明的进步。

进入21世纪,人类面临着化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面。一方面化石资源在地球上储量是有限的,现已逐步走向衰竭。可开采石油储量仅可供人类使用大约50年,天然气75年,煤炭200~300年。另一方面,目前地球所面临的环境危机直接或间接与化石燃料的加工和使用有关。如化石燃料燃烧后放出大量CO2,SOx,NOx等,被认为是形成局部环境污染,产生酸雨以及温室气体等环境问题的根源。因此人类面临着前所未有的生存与发展的危机。因此,目前工业的生产模式是不可持续的,必须要进行彻底的变革。

面对这一严峻形势,人们呼唤一种自然与社会环境协调的生产方式,呼唤一种可循环,可持续发展的超现代化生产模式。20世纪50年代以来,人类所面临的人口猛增、粮食短缺、能源紧张、资源破坏和环境污染等问题日益恶化,导致生态危机逐步加剧,经济增长速度下降,局部地区社会动荡,这就迫使人类重新审视自己在生态系统中的位置,并努力寻求长期生存和发展的道路。1972年罗马俱乐部发表了《增长的极限》这一重要报告,该报告用悲观的语言描述人类未来,认为人类文明最终因为人类相互争夺资源而自我毁灭。从而唤起了人类对环境与发展问题的极大关注,并引起了国际社会的广泛讨论。1992年,联合国在巴西里约热内卢召开了环境与发展大会,正式提出了可持续发展的概念,并将之确认为全人类未来发展的道路和模式。可持续发展是人类文明延续和进步的基础。因此迈向以可持续发展的现代新文明是历史发展的必然要求。现代新文明主要指生物经济时代,其主要特征为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。其核心技术是工业生物技术。

工业生物技术是以可再生生物资源为原料,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。近年来,随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展,大大地推动了工业生物技术的基础研究和应用研究。人们普遍认为工业生物技术将是生物技术革命的第三次浪潮。世界经合组织(OECD)指出:工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术。可持续发展工业将为人类现代新文明提供充裕的物质财富,是现代新文明的支柱。

我们这个星球每年从太阳所获得的能量相当于今天人类社会消耗的能源与资源的一万倍(按照热量计算)。在太阳能的驱动下,水和二氧化碳通过植物的光合作用生成有机物,有机物通过食物链转化为水和二氧化碳,进行不断物质循环,如碳循环和氮循环等,进而形成地球上丰富的生物质资源。可持续再生的生物质资源在地球上储量丰富,而且可通过自然生态系统循环再生,与环境相容性好,是人类未来理想的资源和能源。在地球上,每年生物体产生的生物质的总量大约在1700亿吨,由75%的糖类物质,20%的木质素和5%其他物质如油脂、脂肪、蛋白质、萜烯和生物碱组成。估计现在只有60亿吨生物质(3.5%)在被人类利用,其中37亿吨(62%)作为人类的食物,20亿吨的木材(33%)作为能源,3亿吨(5%)被用于满足人类其他需求。而大部分生物质资源尚没有被人类有效利用,任其自生自灭。如果生物质资源能得到有效利用,人类相当于拥有了一个取之不尽、用之不竭的资源宝库。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术,是可再生生物质资源利用的关键,是打开可再生生物质资源宝库的钥匙!我们只要充分、合理地利用工业生物技术,就可能解决人类面临的资源与环境、食品与营养、环境与健康等重大问题,并实现人类社会的可持续发展。德国经济学家赫尔曼.舍尔指出实现阳光经济是人类文明的最后机遇。

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重要趋势。工业生物技术是化石经济向生物(碳水化合物)经济过渡的必要手段和工具,是生物经济的支柱技术。目前正在开发的聚乳酸、聚氨基酸、聚羟基烷酸、燃料乙醇以及各种功能寡糖等可视为生物(碳水化合物)经济时代来临的前奏。到2020年,预计将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料。

工业生物技术将会成为现代新文明的支柱,对人类社会具有重要作用。工业生物技术的快速发展将会大大增加对生物质工业原料的需求,这将大力促进农业生物技术的发展,特别是高产转基因作物技术的发展,并逐渐形成工农生物技术联盟,从而减少工农差别,有利于解决三农问题。工业生物技术与现代工业技术组合,可以迅速转化为生产力。例如利用生物质资源生产成乙烯,所生产的乙烯可以直接和传统化工技术结合,生产各种各样的材料产品。工业生物技术将推动传统产业的结构调整和提升,大力发展工业生物技术,推行过程工业的生物制造,可以有效提升和改造现有传统生产技术,大大减少原材料和能源消耗,使产品精细化,提高经济效益,提高市场竞争力,进而形成新的产业和新的经济增长点。工业生物技术将会推动工业加工方式的一场重大革命。从化石资源集中的加工方式(传统工业文明)转为分散生物资源的分散加工方式(现代新文明)。

(二)工业生物技术已经成为世界各国的强国策略,是保障国家能源安全、环境质量和经济发展的战略选择。

以生物催化剂为核心内容的工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度。欧美日已不同程度的制定出在今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划。美国政府将生物与医药产业作为新的经济生长点,生物技术研究开发年费用高达380多亿美元,仅次于军事科学。英国、德国政府已通过立法,强化生命科学基础研究和生物技术企业的发展。

2000年美国国会通过了生物质研发法案(Biomass R & D Act of 2000);2002年布什政府组建了生物质项目办公室(Office of the Biomass Program),成立了专门的生物质技术咨询委员会(Biomass Technical Advisory Committee)。2002年,美能源部和农业部联合提出了《生物质技术路线路》的政策性报告。该报告提出了美国的雄心勃勃的发展目标:即到2020年,生物燃油取代全国燃油消费量的10%,生物基产品取代石化原料制品的25%,减少相当于7000万辆汽车的碳排放量约1亿吨,每年增加农民收入200亿美元。其在结语中指出:这份报告预示了一个充满活力的新行业将在美国出现,它将提高我们的能源安全、环境质量和农村经济,它将生产我们国家相当大一部分的电力、燃料和化学品。2002年美国计划投资22亿美元继续促进利用生物质生产燃料及化学品的科技方向。

日本政府从2001年开始实施基于利用生物机能的循环产业体系的创造计划,提出了生物产业立国口号与阳光计划,重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系,将生物催化过程视为能够和环境协调的产业体系形成的实现技术。新加坡政府制定了5年跻身生物技术顶尖行列,把新加坡建成生命科学中心的目标。欧盟委员会提出到2020年运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代,英国计划到2010年可再生能源发电量将占到全国总发电量的10%。印度制订了绿色能源工程计划,巴西的酒精能源计划等,纷纷投入巨资进行生物能源的研发。荷兰皇家壳牌石油公司和英国石油公司/美国国际石油公司都开始了包括生物质能源在内的可再生能源的投资;一些跨国公司如巴斯弗、杜邦、陶氏化学等亦介入此领域,巴斯弗的燃料电池汽车已在德国几个城市驰骋。

据联合国统计,1990年生物能源消费占总能耗的6.7%,而到2000年生物能源的消费上升至13.8%。目前,一些国家生物能源消费已占总能源需求中很高的比例,瑞典为17.5%,芬兰为20.4%, 巴西为23.4%。生物能源研究主要集中在液体运输燃料(燃料乙醇和生物柴油)、生物质发电/供热、生物制氢与燃料电池、生物质气化、液化技术以及能源植物选育等。已市场化产品主要是燃料乙醇、生物柴油、生物质发电/供热等。

美国政府一份21世纪发展规划提出,到2020年,通过生物催化技术,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%。这将对包括化学工业、医药工业及农业在内的各产业带来极其深远的影响。到2020年,将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料,而工业生物技术将起核心作用。因此有人预测21世纪将是工业生物技术崛起的新纪元。

(三)工业生物技术已成为当今科技发展的最重要前沿之一,是世界知识产权争夺的战略制高点之一。

放眼今天的科技领域,无疑生物学的发展最为迅速。具有代表性的成果,当推人类基因组计划(human genome project, HGP)的成功,人类基因组的全序列的测定完毕,为全部遗传信息的破译奠定了基础。生命科学的研究已进人后基因时代,研究的重点也从结构基因过渡到功能基因研究。但是生物功能的主要体现者或执行者是蛋白质,细胞的许多重要功能是由蛋白质来完成的,因此对基因组的研究已回归到对基因的执行体一蛋白质组学的研究,特别是对功能蛋白质组的研究。从蛋白质相互作用组学到生化代谢网络,再到系统生物学。目前基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、生化代谢网络、系统生物学等方面的发展突飞猛进,日新月异。人类基因组学及相关研究有力推动了医药生物技术发展,动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技术发展,微生物基因组及相关研究有力地推动了工业生物技术发展。工业生物技术发展的重点领域为:

1、微生物资源库和微生物功能基因组学技术

微生物菌种或酶是工业生物技术的基础。目前至少有58个国家建立了484个菌种保藏中心,保藏菌种80多万株。目前已经开发的商品酶有200种左右。可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物技术的需求。

从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物技术的主要特点,大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。但是目前人类筛选的范围十分有限,仅占微生物总数的0.1%~1%,需要拓展筛选的范围。

美国、日本、欧洲等国对新来源的菌种(包括极端微生物与未培养微生物)研究非常重视,特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等极端微生物在工业生物催化应用表现出巨大兴趣。美国政府一份研究规划中指出,到2020年可实现酶在130下催化反应,反应速度可提高16-30倍。

新型生物催化剂的来源是工业生物技术发展的基础。需要特别指出的是:正是耐高温的DNA聚合酶的发现,才导致了PCR技术的诞生,从而才会有今天分子生物学的巨大成就,并且改变了生物技术的面貌。

2、生物催化剂快速定向改造新技术

近年来发展起来的定向进化技术,大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。蛋白质定向进化技术是由美国工程院院士加州理工学院化工系教授Dr. Frances Arnold于90年代初提出。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E,在有机溶液中(60% DMF)的活性提高了170倍;β-内酰胺酶的耐抗菌素cefotaxime浓度提高了32,000倍;胸苷激酶对新底物(gancyclovir)的利用提高了43倍;卡那霉素核苷酸转移酶,在60-65的热稳定性提高了200倍;细胞色素P450酶,对完全新底物(过氧化氢)的利用提高了5-20倍;辣根过氧化酶,在酵母中表达产量提高了88倍。

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,扩大底物底的选择性,改变光学异构体的选择性等。定向进化的核心技术为易错PCR技术、DNA shuffling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反应多样性,改变酶的各种性能等方面已有应用。

3、重要工业微生物的代谢工程

1991年Bailey提出代谢工程的概念。过去10年以主要工业微生物为对象的基因组学、蛋白质组学和代谢组学研究非常活跃。随着对微生物代谢网络研究的深入及DNA重组技术的日臻完善,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。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1,6-二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(Zymomonas mobilis),能同时发酵利用五碳糖和六碳糖产乙醇,大大降低燃料乙醇的生产成本。

实际上,众所周知,高产又无害的生产菌种插入新的遗传信息后,会高效率,高产率的生产所需要的物质,利用基因工程菌生产的一个主要优点是它们可以被仔细的与外界隔离并容纳在发酵罐或生物反应器中,在可控制的条件下生产,它们不会从工厂逃逸,而由于基因工程菌泄露引起的环境问题和担忧就可以被避免。传统微生物发酵产业格局大体上包括抗生素、维生素、氨基酸、有机酸、(醋酸、乳酸、柠檬酸、衣康酸、苹果酸、葡萄糖酸等)、酶制剂、单细胞蛋白、溶剂(丙酮、丁醇)、乙醇、多糖、核酸、核苷酸等等。为了大幅度提高产量,国外近十年已大量采用基因重组技术改造原有菌种,并取得了相当明显的效果。如酶制剂产品,国外在非食品领域已有80%左右的产品使用基因工程和蛋白质工程技术改造生产菌种和产品,使产量大幅度提高,产品性能明显改善。在氨基酸工业、有机酸工业、抗菌素工业等都有许多品种,取得了很好的进展。如采用基因工程菌,苏氨酸的产酸提高了3倍左右,苯丙氨酸的产酸水平提高2倍多。随着现代生物技术的介入,生物技术将促进传统生物产业的全面技术改造,向以高产、优质、高效、资源节约、环境友好型为特征的现代生物技术产业过渡,并将培育一批新产业,包括生物材料产业、生物能源产业、生物化工产业及环境生物技术产业等。根据世界经合组织报告,应用工业生物技术可以降低成本和污染(环境成本),一般地,投资和操作费用可以下降10-50%,能量和水的费用可以下降10-80%。

转基因技术、代谢工程技术等将构造微生物新的合成途径,并大大提高物质转化效率,从而有利于我国化工等行业摆脱能耗高、物耗高、污染严重之困境,加快我国工业产业结构的调整;发展微生物工程有利于化工、材料、医药、食品加工、纺织、造纸、冶金和能源等产业国际竞争力的提升,实现相关产业的跨越式发展。

(四)工业生物技术呈现学科融合交叉的突出特点,体现了现代技术科学的活力与优势,将产生重大突破性成果

在科学技术高速发展的今天,学科间的交叉、渗透和融合的趋势日趋增强。化学学科是自然科学中的重要学科,是在分子水平上研究物质世界的科学,其联系着物理学和生物学,材料科学和环境科学,农业科学和医学,它是所有处理化学变化的基础。化学化工学科经过长期的发展,目前已是一门较为成熟的学科,无论在结构反应性原理,还是工程应用方面。

特别是过去的一百年,是工程科技取得巨大成就的一百年。由于西方科技使用高度浓缩化石资源为原料,集中的生产方式,大大推动了过程工程技术的进步,并使得过程耦合、过程集成、过程强化、过程综合、过程控制、过程优化等系统工程技术得到长足的发展,为将化学化工科学和技术成果转化为现实的生产力打下了坚实基础。

20世纪后叶分子生物学的突破性成就,使得在分子水平上研究生命现象和生命活动规律成为了可能,使生命科学在自然科学中的位置发生了革命性的变化。化学及工程学与生物学交叉与渗透无疑将给科学家提供一个范围广阔而欣欣向荣的发展领域-工业生物技术。将化学化工的优势和生物学的最新成果结合,将会产生突破性的成果,具有远大的发展前景。过程工程学科在生物制造体系的应用,将为实现高效的生物催化和转化提供工程实现的基础。人们广泛认为,工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮,是21世纪化学工业的基本工具。 

工业生物技术作为一门新兴的交叉学科,边界还不十分明确,但它在研究方式上有一个化学家和生物学家从实验到工程紧密合作的特色,这种学科的密切交叉体现了现代技术科学的活力与优势;而在研究方法上则体现了化学向生物学的深层次渗透,并与生物学共享分子的结构与反应性原理。

在微生物基因组学、蛋白质组学、代谢组学与代谢工程、分子酶学与酶工程、基因操作、生物催化工程及其他一系列工程体系和技术平台的基础上,工业生物技术可对传统工业生产加工过程进行根本的变革,以可再生生物资源取代不可再生化石资源,以清洁高效的生物加工方式取代低效污染的传统物质加工方式,以精细化产品取代大量粗加工产品。工业生物技术是工业可持续发展的一个重要支撑,是解决资源危机、能源危机、生态环境危机的根本技术途径。

(五)工业生物技术产业发展迅猛,生物材料和生物能源成为新的经济增长点

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、药物及高分子材料等领域。2002年J.Stratham 在 Current Opinion in Biotechnology重点综述了129个已工业化的生物催化和转化过程,近年来呈现快速增长的趋势。美国该行业的产值已达200亿美元,超过了生物医药行业。工业生物技术的发展使现代生物技术已经渗透到包括医药、农化、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域。生物塑料、生物橡胶、生物饲料、生物肥料、生物乙醇、生物增塑(韧)剂、生物防腐剂、生物乳化剂、生物降解剂、生物化妆品、生物基化工平台化合物以及生物制药、生物采油、生物冶金、生物监测和生物降解等一系列新的产品和技术形成了一个庞大的现代生物技术工业王国,其产值已经在全球总GDP中占据了近十分之一的份额,并且呈现出强劲的增长势头。

工业生物技术被用于生产多种原料和精细化学品如:乙醇,乳酸,柠檬酸,维生素,氨基酸,溶剂,抗生素,生物大分子,生物杀虫剂,工业用酶,生物染色剂,生物表面活性剂,生物碱,类固醇等等。通过工业生物技术,微生物(细菌,酵母和真菌)被培养并高效地将糖类转化为各种有用产品。工业生物技术在精细化学品、生物能源、生物材料以及生物质资源化方面发挥着重要作用。

生物技术产业已经从医药领域逐渐向化工领域转移,使传统的以石油为原料的化学工业发生变化,向条件温和、以可再生资源为原料的生物加工过程转移。许多原来用化学法生产的大宗化学品改用工业生物技术生产,如日本天野制药公司和美国杜邦公司用微生物生产乙醛酸,取代了原来反应条件苛刻、乙醛酸转化率低、环境污染严重的化学法工艺;采用传统化学法由丙烯腈合成的丙烯酰胺目前已基本被微生物技术工艺所取代;采用生物法取代化学法生产长链二元酸,不但工艺简单,而且品种多样。日本及德国早在上世纪90年代将高能耗的传统化学法生产的单甘油酯的生产技术被微生物法所取代等。2000年,美国的Cargill-Daw公司利用玉米为原料生产的生物塑料聚乳酸(PLA,140000吨/年)进入商业化,标志着工业生物技术产业进入了一个新的发展阶段。2020年全世界估计聚乳酸的需求量将达到1150~2300万吨。Dupont公司已经开发出生物法生产1,3丙二醇技术,正在进行工业化努力。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场竞争优势(前者能耗降低30~50%,后者降低25%)。美国能源部(DOE)ANL国家实验室(Argonne National Laboratory)开发了发酵法生产丁二酸新技术,2002年在Applied CarboChemials Inc.(ACC)进行了工业化生产。目前全球已拥有年销售额超过10亿美元的工业生物技术产品数十种,据统计,到2001年底全球工业生物技术工业产品销售额超过1500亿美元。

燃料乙醇是国际上近年来最受关注的石油替代燃料之一,克莱斯勒、福特、通用等汽车巨头都推荐乙醇燃料,几乎世界上所有汽车制造商都把使用乙醇-汽油燃料列入其产品保证范围。生物质通过水解和发酵制燃料乙醇的技术是利用生物质资源的最为有效途径。2002年,欧洲大约生产了160万吨的酒精,其中225000吨主要在西班牙,法国和瑞典,被当作生物燃料使用。美国和巴西各自生产570万吨和870万吨被用做生物燃料的酒精(表1),与他们相比,欧洲处于比较弱的地位。就整个世界而言,2002年共生产了2600万吨酒精,其中63%当作生物燃料使用。在未来20年里,美国利用木质纤维素废物生产的乙醇产量有可能达到每年4.7亿吨,就能量而言,相当于现在的汽油消耗量。

表1. 生物燃料生产统计表

国家

最重要的原材料

生物酒精总产量(百万吨/年)

生物燃料的应用(百万吨/年)

生物燃料比例

(百万吨/年)

巴西

甘蔗

9.5

8.7

92%

美国

玉米

6.4

5.7

90%

欧洲

甜菜和小麦

1.6

0.2

14%

世界

多种

26

16.4

63%

 

二、国家需求分析

21世纪是生物世纪,生物经济取代化石经济是一种必然趋势。在经济发展模式上,生物经济是一种更加优越的经济发展模式。我们必需清醒地看到,目前世界正处于化石经济与生物经济的交替时期,新旧经济模式交替的矛盾非常严重,旧的经济模式的一些因素仍在严重地制约着新的经济模式的成长。我国经济总量占世界的4%,而资源消耗占10%以上,这种不计消耗、牺牲环境的经济模式已经走到了尽头,面对在资源、能源、环境以及工农业经济等领域的空前挑战,我国必须尽快寻求新的经济发展模式。工业生物技术是可持续发展的重要支撑,抓住时机,大力发展生物经济,将会对各行各业产生一系列革命性的影响,这对中国的未来发展具有重大战略意义。

(一)我国能源形势紧张,工业生物技术是实施能源替代策略、实现可供给能源多元化的重要支撑

中国是一个能源需求大国,是世界第二能源消耗大国。《全球矿产资源战略研究2001年报告》指出:中国的许多资源不足,并将在二三十年内面临包括石油和天然气在内的各种资源的短缺,同时还将增加矿产资源对进口的依赖程度。随着未来经济的快速发展和能源和材料结构的调整,世界各国对石油的需求还在继续增大。随着我国经济快速发展和工业化进程,我国对石油的需求量不断增加。受资源状况限制,中国原油产量增幅将十分有限。因此我国不得不进口大量的原油以满足国内需求。2002年我国进口原油6941万吨,2004年我国原油进口首次突破1亿吨大关,达到创记录的1.2亿吨,比2003年增长34.8%。中国国内市场原油供应依赖进口的比重正逐年上升,今年的进口依赖程度将达到百分之三十左右。随着美国加紧对海湾地区和中亚地区的渗透与控制,日本在国际能源市场的竞争、俄罗斯石油管道的不确定性,中国的资源和能源的战略安全空间将进一步被压缩。按现在的消耗水平,到2020年﹐中国需要进口5亿吨原油和1000亿立方米天然气﹐分别占其国内消费量的70%和50%。所有这些都意味着在我国现有海外影响和外交控制力不变的情况下,在中国石油需求对外依存度增大的同时,我国石油安全风险也相应增大。资源和能源短缺对我国经济发展来说是一个非常急迫的问题,资源问题和能源问题已经严重影响我国经济安全和国家安全。

大力发展生物能源等可再生能源技术,实现可供给能源多元化,以缓解和化解因化石能源短缺而引起能源问题,以保障我国能源安全、经济安全和国家安全。

2003年底,我国原油一次加工能力达到3.04亿吨,居世界第二位,加工原油2.43亿吨,生产汽煤柴三大类油品1.41亿吨,基本满足国内市场需求。2003年我国GDP增长率达到9.1%,汽煤柴油表观消费量为1.34亿吨,比上年增长7.2%。预计国内汽煤柴油的需求: 2010年为17360万吨,2020年为22500万吨。到2020年煤炭需求量为25-30亿吨/年。随着国民经济的强劲发展,对能源的需求加大。为了确保我国经济安全,甚至国防安全,首先必需确保能源安全。随着化石能源短缺形势不可逆转,因此必须大力开展化石能源的替代战略。

用可再生能源取代不可再生能源是可行的替代战略,比较重要的可再生能源形式有太阳能光伏发电、水能、风能和生物质能等。生物质能具有资源量大,资源相对集中,能量品位高等优点,是人类未来理想的能源之一,是人类能源的必要补充。

我国的传统生物质能极为丰富。我国属于太阳能资源丰富的国家,每年辐射总量在3.3×103~8.4×106 kJ/m2之间。我国陆地面积每年接受的太阳能相当于2.4×104亿吨标准煤。我国从16亿亩可耕地上生产出近7亿吨粮食,同时还有6-10亿吨秸秆和农林业加工下来的含有纤维质可生物降解的废料。如果将中国8%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6.6%计算,相当于产生126亿吨标准煤。如果能够在木质纤维质原料的生物转化利用方面取得突破,利用工业生物技术实现生物质能源的高效利用,中国可以走出一条通往绿色生态现代化之路。我国应该大力发展生物乙醇、生物柴油、沼气、生物制氢、生物燃料电池等生物能源技术,全面降低生物能源的生产成本,抢占生物能源技术知识产权的战略制高点。

发展燃料乙醇,按1000万吨燃料乙醇计算,可替代1000万吨柴油,相当于替代原油2000万吨,相当于半个大庆油田。增加产值400亿元产值,增加农民就业岗位达1000万。

利用林地种植高产油脂的木本植物,生产生物柴油1000万吨,利用沿海滩涂大量培育产油微藻,生产生物柴油500万吨。

我国有7亿吨秸秆、25亿吨畜禽粪便和大量有机工业废水需要无害化处理和资源化利用,沼气是生物能源最好的利用形式之一,其能量转换效率最高。仅每年7亿吨秸秆和25亿吨畜禽粪便可产生沼气12800亿立方米沼气,产值约为1.28万亿元/年。沼渣则是优良的农田肥料。如果上述有机物不经处理,直接排放到环境中,将会严重影响水体环境质量,造成COD超标,湖泊富营养化,加剧水资源严重局面。我国水体总量仍是丰富的,但是可供人类使用的水资源正呈急剧减少的趋势,其中水体的富营养化是最重要的原因之一。将有机垃圾通过微生物回收能源,同时大大减少有机物排放,是保护我国水资源的一条根本出路。

我国能源消耗结构仍以化石资源为主,大约占总能源消耗的90%左右。一方面我国需要大力提高能源利用效率,另一方面需要大力发展节能技术,特别要重视化工生产过程中的节能技术。利用工业生物技术改造传统化学工业可以大大提高效率,大大降低能源消耗。美国政府一份报告指出,到2020年,通过工业生物技术,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%。建设有中国特色的生物能源供给体系,提高我国能源安全度,对我国全面建设小康社会具有重要意义。

(二)我国已成为世界第一资源加工消费大国,资源短缺日益明显,工业生物技术是发展生物质资源替代化工原料、保障我国经济可持续发展的基本手段

中国是一个制造业大国,成为世界加工厂,已成为世界第一资源加工消费大国,对石油化工原料的需求旺盛和依赖程度较大。2003年,我国乙烯生产能力达到565万吨/年,居世界第三位,当年乙烯产量612万吨/年。合成树脂生产能力1720万吨/年,居世界第五位。合成橡胶生产能力139万吨/年,居世界第四位。合成纤维生产能力1250万吨/年,居世界第一位。2003年,中国丙烯酸(酯)产量为24.5万吨。其中,商品丙烯酸产量约3万吨,丙烯酸酯产量约21.5万吨。随着我国经济快速发展,对石油化工原料需求旺盛。2003年我国生产乙烯612万吨,进口石化产品折合乙烯1008万吨,乙烯当量消费量1620万吨,1995~2003年,我国乙烯产量年均增长12.4%,但乙烯当量消费年均增长率超过15%,进口依存度仍在50%以上,乙烯当量需求预测值为2005年1800~1900万吨,2010年2500~2600万吨,2020年3600~4000万吨。 2003年我国生产合成树脂,合成纤维和合成橡胶分别为1652万吨、1089万吨和135万吨,但国内市场的满足率仅分别为47%、88%和58%,大量石化产品长期依靠进口,我国已成为世界进口石化产品数量最多的国家。而预计2010、2020年我国三大合成材料的需求量将分别是2000年的2.2倍和3.2倍。2003年,中国丙烯酸(酯)消费量为54.63万吨。其中,进口32.07万吨,占总消费量的58.70%。1993~2003年,中国丙烯酸(酯)消费量年均增速高达18.94%,是世界消费增长最快的国家。预计到2010年和2015年,中国丙烯酸(酯)需求量将分别达到116万吨和170万吨。这些石油化工原料的国内市场的满足率平均不到50%,需要大量进口。

由于世界石油市场供需矛盾严重失衡,造成石油价格飞涨,目前已达到40美元/桶的左右。石油价格翻番,燃料油价格上涨约50%,苯、甲苯、乙烯、乙二醇等大宗化学品(基本化工原料)的价格大幅上涨,有的达2-3倍,使得下游制造业的成本负担大幅度增加,我国大批下游企业面临严重的运行危机,并且影响到人民生活。根据石油价格走势判断,在未来相当时期内石油价格仍将维持在40美元/桶以上的水平,并有进一步上涨的可能性。经济分析表明,原油价格翻番,汽煤柴三大类油品的价格上涨的幅度约50%,但是大宗化学品的价格却上涨2-3倍。据2004年10月28日最新报价,乙烯为1040-1070美元/吨、环氧乙烷为15400元/吨、乙二醇为1145美元/吨、聚乙烯为1150美元/吨、聚氯乙烯为890美元/吨、醋酸乙烯为1080美元/吨、聚苯乙烯为1030美元/吨、ABS为1140美元/吨、聚丙烯为1145美元/吨。原油中的50-60%成分用于生产燃料油,约10-20%左右用于生产化学品(基本化工原料)、约30%左右用于生产沥青和胶质。进一步分析表明,当原油价格翻番时,由于考虑到政治因素和社会稳定,各国政府都严格控制燃料油价格的上涨幅度,或进行政府补贴;石油价格上涨所带来的经济压力不得不转嫁到大宗化学品(基本化工原料)的生产成本中,使得大宗化学品(基本化工原料)的价格飞涨,并使得大宗化学品(基本化工原料)的经济竞争力下降。因此石油化工原料的替代技术应是石油替代战略中的一个重要突破口。发展石油化工原料的替代技术,应优先大力发展生物替代技术。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代替化石资源的资源战略大转移。这将对经济和人类社会的发展产生巨大而深远的影响。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。中国由于化工原料短缺形势严峻,更加急需开展石油化工原料的替代工作。大力发展工业生物技术,发展石油化工原料生物替代的关键平台化合物制备技术,如一碳平台化合物(生物甲烷)、二碳平台化合物(生物乙醇)、三碳平台化合物(乳酸、丙烯酸)、四碳平台化合物(富马酸、琥珀酸、丁醇)、芳香平台化合物(苯、苯酚)等(如图1所示),进而与现代化工技术和产业相衔接,大规模生产各种化学品,从而构建出一条通往生物经济时代的现代化之路。工业生物技术是化学工业可持续发展的希望,是化学工业再造辉煌的支柱。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

石油化工原料的生物替代在技术上是完全可行的,目前部分石油化工原料的生物替代在经济上已经具有竞争力。目前在某些化学品的生产领域,如生物乙烯,工业生物技术与石油化工技术相比,已经具备了现实的经济竞争力。印度已有40万吨/年生物基化学品(生物乙烯路线)的生产规模。因此大力发展工业生物技术具有重大现实意义。

石油化工原料的生物替代技术作为一种战略先导技术,对我国社会、经济发展具有重大战略意义。

生物乙醇是最重要C2平台化合物。生物乙醇既可以作为燃料,也可以作为制造其他化合物的原料。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,其在经济性上不太合理。生物乙醇作为一个纯物质,更适宜用于制造其他纯物质如生物乙烯等。2005年乙烯及乙烯主要衍生物如聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、ABS、乙二醇的年产值大约在4000亿元左右,涉及的下游产品的产值约2万亿元左右。如果我国2020年需求4000万吨石油乙烯中的50%用生物乙烯取代,涉及产值为2000亿元左右,相当于年节约8000万吨石脑油,折合原油2亿吨。我国已经完成2万吨/年生物乙烯的工业性试验,生产出的生物乙烯已经用于2.5万吨/年环氧乙烷的工业化试验,所生产的生物乙烯完全符合生产环氧乙烷的要求,产品供不应求。石油乙烯需要高温裂解深冷分离工艺,需要消耗大量的能量。生物乙烯相对于石油乙烯来说,其生产能耗大大降低,符合我国鼓励发展能源节约型产业的政策。另外,生物乙烯相对于石油乙烯更容易纯化,容易得到高纯度的乙烯,从而可以生产超高分子量的聚乙烯,可以制造高技术材料高强高模聚乙烯纤维(UHMWPE),在国防、宇航、航天、航空、防御装备等方面有重要特殊用途。

乳酸是最重要的C3平台化合物。聚乳酸可以用于替代石油基高分子材料,具有可生物降解的特点。如果10~20年后替代石油基原料聚合物消费量10%,我国则聚乳酸年需求量每年近500万吨,产值约500亿元/年。用聚乳酸薄膜替代不可降解石油高分子材料作为农用地膜,可以增加粮食产量10%,约5000万吨,产值约500亿元/年。乳酸甲酯和乙酯是优良的有机溶剂,可以替代70%的石油基有机溶剂。乳酸甲酯和乙酯可以生产丙烯酸(酯),我国2010年替代石油丙烯酸(酯)需求量116万吨中50%,约产值100亿元/年。

到2010年我国工业生物技术的市场份额会大大增加,尤其是精细化工产品,预计在精细化工行业中的渗透率可达30-60%,化工原料行业达6-12%。纵观化学工业全局,现在生物技术的渗透率大约为5%,到2010年有望增加到10-20%,并且以后更迅速的增加。这种渗透速度主要依赖于这样一些因素,如原油和农业原材料的价格,工业生物技术的发展速度和支持工业生物技术发展的政府政策。

(三)中国是一个农业大国,工业生物技术是提高农业资源利用,解决“三农问题,推进我国传统农业向现代农业转变的一条新的技术途径

三农问题是我国全面建设小康社会所面临的最大障碍。如何增加农民收入,增加农民就业岗位,建设现代化农村小城镇,是我国政府所肩负的重大历史使命。

工业生物技术加工的原料主要来自农林,就地取材、统分结合的生产方式最适合于农村,加工转化可以扩展农业经营范围和农民增收渠道。4亩甜高粱可生产4吨酒精,若年产500万吨燃料乙醇,需有2000万亩低质地种植,每亩地至少产高粱杆4吨、高粱350公斤,按现行价格90元/吨杆、900元/吨高粱米计算,农民增收135亿元。发展生物产业的一个重要特点是促进农业和农村的工业化,推动中小城镇建设。原料的就地取材,统分结合的经营方式的具体体现,是小中型加工企业能够星罗棋布地出现在广阔的农村大地上。既推进了中小城镇发展,又有利于农村富余劳动力的就近转移,减少大中城市人口及就业压力,缩小工农及城乡间的差距和矛盾,走出一条具有中国特色的现代化发展道路。

生物经济的重要支柱之一是工业生物技术。大力发展工业生物技术将会大大促进农业生物技术的进步,特别是高产转基因作物技术。农业生物技术将为工业生物技术提供大量价廉物美的工业原料,工业生物技术将为农业生物技术提供资金和下游加工的配套服务,同时工业生物技术产业可为我国9亿农民的增收脱贫和增加的就业岗位作出巨大贡献,工业生物技术和农业生物技术将会进一步联合,并最终形成工业生物技术和农业生物技术的革命联盟。需要进一步指出的是,工业生物技术离开了农业生物技术的支持,则工业生物技术将变成无米之炊;农业生物技术离开了工业生物技术的支持,则农业生物技术将会陷到粮丰价贱的怪圈中。工业生物技术和农业生物技术的革命联盟对中国农村发展更具有特殊意义。中国80%人口生活在农村,农业、农村和农民问题是我国社会稳定发展的基础。工业生物技术和农业生物技术的革命联盟将实行农工一体化,从而在源头上消灭工农差别,在根本上解决三农问题。这是全面建设小康社会的必由之路。生物经济的原料基础是生物质资源,生物质资源具有分散的特征。因此生物经济模式是具有分散经济的特点。我国应大力建设规模适宜的现代化农村小城镇,以适应生物经济对最佳经济圈的要求,从而有利于我国经济的持续发展。德国经济学家赫尔曼.舍尔指出面向阳光型能源和原料基础的转型,对于确保全球社会的未来安全将具有划时代的重要意义,其深度的、广度的和长远的影响可以与工业革命相匹敌。(《阳光经济-生态的现代化战略》)

(四)我国环境形势严峻,发展工业生物技术,以生物催化技术取代传统的化学工艺,是改善环境、源头治理的根本出路

经济和社会的飞速发展是一柄双刃剑,过去100年来,全球工业生产总值增加了50倍以上,但能源消耗却增长了100多倍,经济高速发展所带来的环境污染问题愈来越严重。特别是跨入21世纪后,全球面临全球变暖、臭氧层破坏、生物多样性减少、酸雨蔓延、森林锐减、大气污染、水体污染、固体废物污染、海洋污染、土地荒漠化等十大环境问题。2003年,欧洲各地气温连续几个月比往年同期平均值高5,而且酷热天气扩大到了整个北半球。加拿大、美国、中国、俄罗斯部分地区,都创下了当地最高气温纪录。政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2002年的第三次评估报告中声明:有令人信服的新证据表明,过去50年间所观察到的气候变暖现象,绝大部分是由人类使用化石燃料如煤、石油、天然气而排放大量二氧化碳等温室气体的增温效应造成的。显然,大多数发展中国家包括中国最易受到气候变化的威胁,一方面这些国家的经济更依赖于农业和自然资源,另一方面,缺乏抵御气候变化威胁的能力。

近年来我国局部性的整体环境水平呈恶化趋势,局部地区严重污染事件发生频繁,生态环境恶化已到了难以为继的地步。2001年全国工业和城镇生活废水排放总量为428.4亿吨,其中工业废水排放量200.7亿吨,城镇生活污水排放量227.7亿吨。全国二氧化硫排放总量1947.8万吨。烟尘排放总量1059.1万吨。全国工业固体废物产生量为8.87亿吨,其中近200万吨危险废物直接向环境排放。此外,我国一些传统酿造业的生产过程,由于工艺技术落后,对环境也会造成一定污染,例如酒精工业的废糟,氨基酸、制革工业、造纸工业的废水等,都有较高的BOD,增大了我国的环境压力。据统计,我国80%的河流被不同程度的污染。

化学工业是一个主要的产业部门,包括日用化学品、药品、特制与精细化学品、塑料、酶等,是一个能源及不可再生资源的主要消费部门,又是废物的一个主要来源。化学工业的各行各业都在试验应用生物技术这一新工具。尤其是生物资源作为大宗原材料的可能性颇受人的关注,尽管利用生物原材料的生产并不一定总是很清洁,但可以肯定的一点是生物原材料生产所生成的废物与常规废水处理的方法更相容。

生物催化剂(酶)比非生物性催化剂具有更好的特异性和选择性,生物催化剂生成的副产品较少(特异性),反应可以用纯度较低的原料(选择性),而且也易于不断的改善。微生物的酶可以为化学工业的生物技术改造发挥重要作用。用重组微生物技术生产一定量具有同样洗涤能力的酶,所需原材料要比传统方法降低34%。所需能量消耗降低60%,就生产商每年总的能量需求而言,所节省的能量相当于17万家庭每年洗衣服的用电消耗量,应用基因修饰微生物生产的酶生产去污剂,每年可降低大约170吨碳及190吨SO2的排放。大气中的排放物根据其对全球变暖、酸雨形成及烟雾形成来进行评估。水中的排放物,根据水中营养物的量及相关氧耗量进行评估。评估明确地证实应用新型生物体,能量、资源的消耗及排放物的生成可降低3-4倍。

在精细化学品生产部门,生物催化剂具有很大影响,部分原因是由于有机化学家对酶的接受以及在这种小型工业中新技术的低门槛(投资成本低),所以。尽管化学品产量增加了4倍,而生物催化剂使废物的生成减少了20%,生物催化剂是精细化学部门清洁生成的主要源泉。溶剂减少及其再利用也有助于生产过程的环保效应。

木聚糖酶和植酸酶是一些众所周知的饲料酶产品,内切木聚糖酶能水解小麦、玉米中存在的某些化合物,因而就增强了对所有营养物质的消化能力,减少了粪便、氮和磷的排泄。植酸酶能分解植酸释放出无机磷酸,因而就可避免在饲料中添加无机磷酸,进而降低磷的排泄。如果猪的饲料中加上植酸酶促使磷酸的释放,粪便中磷酸的排泄就会减少30%。在一个象荷兰这样的国家里,每年排泄到环境中的磷就会减少20,000吨。

L-肉碱(L-Carnitine, LC),又名左卡尼汀,是一种长链脂肪酸转运所必须的一种辅因子,是促进动物快速生长的一种很有意义的新产品。与化学生产过程相比较,应用生物技术的生产过程要清洁的多。总有机碳废物生成比化学生产过程大约降低50%,废水的生成也少25%。

根据在芬兰所做的研究,半纤维素酶(主要是木聚糖酶)能促进漂白,目前这些酶在斯堪的纳维亚、加拿大、美国和智利已经进入商业化应用阶段。用木聚糖酶处理牛皮纸浆能显著地降低化学消耗而对纸浆产量及质量几乎没有任何影响。

到2020年,我国通过生物催化与生物转化技术,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%,涉及的产值预计将超过2.2万亿元/年。

(五)我国食品与传统发酵工业量大面广但技术落后,工业生物技术是提升我国传统产业、增强国际竞争力的核心技术 

加入WTO之后,我国各级产业必将面临更加严峻的挑战,经济和社会发展将接受考验。在国际工业生物技术快速发展的形势下,生物产品很可能在15年后取得与机械和电子信息产品曾有过的相同地位,成为强国的经济发动机和保持优势地位的关键。传统生物产业技术水平的落后将会使我国未来的生物工业遭遇难以承受的专利之痛。

我国的传统生物技术产业具有量大面广的特点,直接关系着国计民生。目前我国主要传统生物技术产品的年产值高达1300亿元,在国民经济中占有较高的比重。我国农副产品尤其是粮食的深加工,在很大程度上依赖发酵工业。据统计,在酿酒、氨基酸、有机酸、酶制剂、淀粉糖、酵母等几个主要产业中,每年的粮食加工量约为2500万吨,接近全国粮食总产量的5%。我国具有国际上工业发酵产业中的所有主要产业,就其规模而言,某些产业(如谷氨酸、柠檬酸、维生素C等)在世界上占有举足轻重的位置,但是,技术水平特别是发酵水平与发达国家有较大差距,在全球经济竞争中存在着巨大的风险(见表2)。

表2. 我国部分产品情况

品名

产量

产值

技术水平

谷氨酸

119万吨,世界第一

95亿元/年

落后国外

柠檬酸

45万吨,世界第一

36亿元/年

落后国外

维生素C

8.2万吨,世界第一

42亿元/年

落后国外

青霉素中间体

2.8万吨,世界前列

300亿元/年

落后国外

乙醇

400万吨,世界第三

160亿元/年

落后国外

乳酸

6万吨,世界前列

4.2亿元/年

落后国外

例如,我国酶制剂中的支柱产品糖化酶、高温α-淀粉酶、碱性蛋白酶,自1988年引进后,十余年来,发酵水平一直没有提高,而国外却提高很快。以糖化酶为例,目前我国产酶活力仍停留在32000u/ml左右,而国外已达到50000u/ml以上。由于成本偏高及质量不稳定,我国酶制剂产品难以进入国际市场。我国L-乳酸的产酸水平9-10%,国外已达18%。氨基酸的整体水平,国外比我国高30-50%。我国谷氨酸的产酸水平为10-13%,国外为18%以上;我国赖氨酸产酸水平12-14%,国外达15-16%,而发酵时间是我们的一半。在抗生素工业中,制约我国医药工业战略品种之一的β-内酰胺抗生素发展的关键问题是头孢菌素C的发酵单位及7-ACA、7-ADCA的生产水平较低(表3)。总之,由于总体技术水平与国外的差距较大,我国的发酵产品生产成本明显高于国外,既难以进入国际市场参与竞争,也难以抵挡国外产品进入国内市场。我国传统生物技术产业是一个关系到国计民生的大产业,其生产技术水平相对落后,那种主要依靠低劳动力成本、高资源消耗和较高的环境保护代价的生产方式已经走到尽头,不可持续发展的,迫切需要依靠科学技术,采用高技术来解决大产业存在的问题,提高生产技术水平,增强市场竞争力。

表3. 国内外若干产品的菌种发酵能力比较

名称

国内水平

国外水平

味精

产酸10-13%,转化率58-62%

产酸18-20%,转化率60-65%

L-赖氨酸

产酸12-14%,转化率45-50%

产酸15-16%,转化率60%

L-苏氨酸

产酸8%左右工程菌

产酸8.5%,转化率40%工程菌

柠檬酸

产酸12-13%,中试可达20%

产酸25%

衣康酸

产酸7-8%

产酸12-14%

L-乳酸

产酸12-14%

产酸18%

L-精氨酸

产酸3-5%,转化率20.2%

产酸5-7%

L-色氨酸

产酸8 g/L

产酸21.5 g/L,酶法200 g/L

中温淀粉酶

500-750 u/ml

1000-1100u/ml

糖化酶

35000u/ml

80000u/ml

碱性蛋白酶

20000-25000u/ml

50000u/ml

青霉素G

60000u/ml

60000-89000u/ml

土霉素

23000-26000u/ml

33000u/ml

金霉素

28000u/ml

30000u/ml

红霉素

7000-8000u/ml

8500u/ml

利福霉素

15000u/ml

18000u/ml(实验室27000u/ml)

泰洛菌素

实验室10 g/L

14 g/L

盐霉素

20 g/L

60 g/L

 

我国工业生物技术水平的落后,主要体现在生产菌种水平较低、发酵工艺和生产装置落后等方面。国外发酵工业已广泛使用基因工程手段、新型的分离工艺及装置等。例如,在非食品工业用酶领域中,80%的产品采用基因工程菌生产;在氨基酸、有机酸等工业,从发酵控制到分离提取等几乎都采用了优化控制和新的分离提取工艺。我国的发酵反应器还是传统装置,通常只是记录参数,难以广泛采用在线控制,生产上基本凭经验进行。在分离精制方法、分离介质及装置方面与国外差距更大,致使我国某些发酵产品的提取收率比国外平均低10-15%,有的甚至更多。综合反映在产品生产成本、产品质量、产品稳定性上都与国外同类产品有较大差距。

因此大力发展工业生物技术,对于改进和提升我国传统生物技术产业的生产技术水平、提高产业竞争力具有重大作用。这个技术基础应该覆盖工业生物技术所有方面,例如发酵技术、酶技术,生物催化、代谢工程、分子生物技术、生物工艺技术和下游加工技术。大力发展工业生物技术,提高生产技术水平,将会促进我国从生物技术产业大国向生物技术产业强国的跨越,增强我国经济实力。

总之,工业生物技术将给我国工业实现跨越式发展,实现资源、环境健康全面协调的科学发展提供新的机遇。工业生物技术是整个国际社会由化石经济向生物经济过渡的必要手段。立足于我国人力资源在数量和质量上的优势,立足于我国特有的生物资源优势和已有的生物技术产业优势,在生命科学领域取得重大突破的基础上发展工业生物技术的创新技术,完全有可能在发展基础支柱产业和提升传统工业技术的过程中,实现我国从生物加工大国向生物加工强国的跨越。

 

三、“十一五”期间发展战略

(一)指导思想

1、针对我国能源、资源、环境等领域的战略需求,针对生物能源、生物材料、生物化工等生物技术新兴产业的发展、传统产业的改造和提高国家和经济安全保障能力的需要,以工业生物技术创新性研究和重大产品产业化为重要目标,重点突破共性关键技术、系统优化重大工业产品经济技术指标,开发具有自主知识产权与市场竞争能力的重大新产品与新技术。

2、提高技术与产品研发的起点与战略定位,抢占工业生物技术发展的战略高地,加强自主创新与引进消化的能力,以新的高技术在能源、材料、食品、化工、医药等行业中打造几个世界第一。

3、加强我国工业生物技术产业化进程,重点资助具有重大经济与环境效益和国家战略意义的重大产品的中试开发、产业化前期研发,并积极推动和大力促进成果的产业化工作,实现我国工业生物技术的跨越式发展,提高公众与社会对工业生物技术在可持续发展中具有重要地位的认同度。

(二)发展战略

1、加强工业生物技术基础研究与应用开发的有机结合,全面利用生物体在工业加工应用上的潜能,建立我国工业生物技术的原始创新体系。

2、发展工业生物技术核心技术,建立关键技术平台,形成有我国自主知识产权的一系列基础方法与技术,为推动大规模的生物制造奠定基础。

3、积极实施石油化工原料的生物替代战略,发展生物质的工业转化,降低工业制造对化石资源的依赖,促进我国能源与资源的可持续发展。构建完整的石油化工原料生物替代的技术体系,研究和完善石油化工原料生物替代的关键平台化合物的制造技术。

4、加强现代生物技术与工程技术等的学科交叉,大力推动工业生物技术产业化应用,调整我国加工产业结构,提升传统产业竞争力,改造传统化学加工方式,发展高效、低耗、低污染的生物加工模式。

5、建设一支高水平、精干的具有国际先进水平的研发队伍。

 

四、战略目标、主要研究内容与关键技术

(一)总体目标

经过5-10年的努力,使我国工业生物技术及其产业跨入世界先进行列,为我国工业的全面提升与社会经济可持续发展提供技术支撑。继续保持食品和药物等产业规模的世界领先地位,技术达到世界一流水平。力争生物能源和生物基产品的生产技术接近世界先进水平,降低原油资源依赖。实现传统生物产业的改造和提升,显著提高若干重大生物产品与化学品生产的技术水平,增强市场竞争力,力争实现资源消耗、能源消耗与污染物排放各减少20%。新增产值1000-1500亿元,带动形成一个现代工业产业链。

主要验收目标:

1、获取200个功能明确的重要的新基因,主要包括与生物催化剂、细胞性能改造相关的基因,申报并争取获得100个市场应用前景较大的重要基因或特殊用途基因的专利,为工业生物技术领域的发展不断提供新的基因及基因产品。

2、实现一批生物能源、生物材料、生物基化学品的生物制造,重点突破燃料酒精、乳酸与聚乳酸、1,3丙二醇、丁二酸、生物乙烯、生物柴油、丙酮丁醇、酸性高温淀粉酶、维生素C、手性药物、青霉素G、生物农药等重大产品的低成本生产技术。开发100-200种医药中间体、精细、日用化学品与平台化合物产品,显著提高抗生素、有机酸、氨基酸、寡糖、多糖、酶制剂、维生素、核苷酸、啤酒等生产技术水平,开发出新的食品与饲料添加剂,创造直接经济效益800亿元。

3、开发出新的酸性淀粉酶、高温糖化酶等重大酶制剂,形成强有利的国际竞争力,拯救我国酶制剂民族工业。实现10-20种新型生物催化剂的开发及其在造纸、皮革、纺织、食品、饲料、洗涤剂等行业中的应用。预计新增产值200亿元,并产生良好的社会效。实现微生物驱石油开采技术的新突破,提高石油采收率2-3%。

4、申请国内发明专利200项以上,提高我国工业生物技术的整体创新能力和国际竞争能力。

5、建立和完善我国工业生物技术研究、产品开发相关的基因资源、功能基因组、生物催化剂分子改造、代谢工程、微生物转基因与表达体系、生物发酵全分析与优化控制新型技术与分离过程工程等平台技术,使我国工业生物技术研究开发的整体水平达到国际先进水平。

6、培养和造就一支年龄结构合理、学科优势互补的研究队伍。其中骨干力量200人,优秀学科带头人100人左右,复合型杰出管理人才、优秀企业家100人左右。

(二)主要研究内容  

1生物能源战略高技术的研究:开展微生物能量物质合成代谢功能优化改造、发酵工艺优化等技术研究,以碳水化合物为原料,开发生物能源新技术与新产品,促进能源多元化体系的形成,以生物质能源缓解石油资源压力。

(1)燃料酒精:利用分子操作技术,改造酒精酵母、发酵单胞菌、嗜热厌氧杆菌、重组大肠杆菌等,提高乙醇产率、底物转化率、原料的多样性以及细胞对乙醇和底物的耐受性,提高发酵醪液酒精浓度、提高酒精分离效率等节能降耗技术,降低生产成本。加强酵母循环使用、提高发酵醪液酒精浓度、提高酒精分离效率等节能降耗技术的开发和产业化,实现600万吨/年以上的玉米燃料酒精低成本生产线,其它原料建立中试规模。

(2)生物柴油:研究新的油脂原料路线如转基因微生物法生产脂肪酸和油脂,提高脂肪酸和油脂含量,为建立适合我国生物柴油生产的原料奠定基础。研究开发适合脂肪酸甲酯、乙酯、丙酯及辛酯酶合成的专一性脂肪酶,优化酶的性能、降低酶成本,提高酶法合成生物柴油转化率。研究酶反应器的放大和甘油回收和深加工工艺,降低生产成本,建立万吨级酶法生物柴油的生产装置; 2010年建立1万吨/年酶法生物柴油的生产线,生产成本明显低于化学法。

(3)生物制氢:开展微生物的氢酶和固氮酶研究,研究专性厌氧性细菌、光合细菌、固氮菌等放氢机制与途径,利用现代生物技术提高产氢效率(如采用分子定向进化或细胞耦联技术)和降低发酵成本(如利用纤维素或有机废水),实现光合放氢和厌氧细菌发酵制氢中试示范。

(4)甲烷:筛选、构建高效产甲烷微生物菌株或菌系,提高甲烷产生的效率与适应范围,研究甲烷产生的新型厌氧反应器与甲烷利用工艺体系,实现甲烷生产利用的规模化示范。

2生物材料相关技术研究与产品开发:开展微生物细胞与分子的功能优化改造研究、微生物发酵及其下游工艺研究,利用生物质可再生资源,开发生物材料新技术与新产品,促进石油原料替代工业技术的发展,提高材料化工可持续发展水平。

(1)1,3-丙二醇:利用功能基因组、基因工程、代谢工程技术,改造以葡萄糖、甘油为原料发酵生产1,3-丙二醇的微生物代谢途径,提高微生物发酵生产1,3-丙二醇的能力,进一步研究改进工业化生产线的工艺流程,提高产品的收率与品质。研究酶法合成1,3-丙二醇等新技术,降低生产成本。2010年建成30万吨/年工业生产线,成本控制在1.8万元/吨以下。

(2)乳酸与聚乳酸:以基因工程和代谢工程为手段,优化乳酸发酵代谢途径。重点选育高产乳酸的菌种,如德氏乳酸杆菌、米根霉菌等,进行基因组学和蛋白组学研究,代谢工程研究,提高菌种发酵产乳酸水平和高浓度乳酸的耐受性。研究反应分离耦合技术、高效乳酸分离工艺(如模拟移动床色谱分离技术等)。研究同步的糖化与微生物发酵耦合技术(SSF)。应用基因工程和代谢工程手段,构建能同时高效利用五碳糖和六碳糖的高产乳酸的基因重组菌种。

(3)聚氨基酸:研究并优化微生物合成聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚赖氨酸等聚氨基酸的代谢途径与相关网络,建立并完善聚天冬氨酸、聚赖氨酸、聚谷氨酸等的发酵、提取等生产工艺,实现中试生产,提供1000吨/年工业性试验技术。

(4)丁二酸与聚丁烯对苯二酸树脂(PBT树脂):筛选并优化发酵生产丁二酸的微生物,以基因工程和代谢工程为手段,对丁二酸发酵途径进行代谢调控。重点选育高产丁二酸的菌种,如瘤胃厌氧产丁二酸放线杆菌(Actinobacillus succinogenes)等,提高菌种发酵产丁二酸水平和降低杂酸含量。研究反应分离耦合技术、高效分离丁二酸的提取工艺。

(5)生物乙烯:以生物信息学、基因工程和代谢工程等为手段,选育高产乙醇、乙烯的微生物菌种,研究生物乙烯相关的微生物发酵、产物分离与纯化、催化脱水等规模化过程技术,开发以生物质可再生资源为原料的生物乙烯平台化合物技术,促进工业制造中石油原料的替代。生物法乙烯达到20万吨级规模,乙醇转化乙烯的转化率大于98%,乙烯纯度99%左右。(达到聚合要求)。

3生物基化学品研究开发:开展微生物代谢功能优化技术研究,提高溶剂以及日用与精细化学品等发酵生产技术水平,提高相关产业经济竞争力。

(1)手性化工重大产品:开展酶或全细胞生物催化技术研究,生产手性化合物,开发手性液晶中间体;手性医药中间体;手性农药中间体和手性食品与饲料添加剂等,用生物技术工艺改造传统化学工艺,减少能源、原料消耗和废物排放。

(2)有机溶剂:利用功能基因组、基因工程、代谢工程技术,改造微生物合成丙酮、丁醇、乳酸酯等有机溶剂的代谢途径,提高微生物以碳水化合物为原料发酵生产有机溶剂的能力,改进工业化生产线的工艺流程,提高产品的收率与品质。

(3)日用、精细化学品:利用现代生物技术与传统生物技术,改造、优化微生物细胞的物质代谢途径与酶系,系统优化有机酸、氨基酸、多糖、寡糖、糖醇、丙酮酸、乙醛酸、谷胱肝肽等生物产品的技术指标,完善发酵与分离过程工程技术,开发日用、精细化学品,提升传统产业的竞争力。

4食品工业生物技术研究: 开展微生物发酵体系优化技术与清洁工艺研究,提高味精、啤酒、酱油、醋等食品工业技术水平,减少食品工业的能源与资源消耗,减少环境污染。

(1)味精:进行谷氨酸棒杆菌的功能基因组学研究,改造、提高谷氨酸生物合成能力,优化发酵工艺,实现清洁生产。

(2)啤酒:开展代谢工程、基因工程研究,提高啤酒生产菌的生产性能,改良工艺,提高啤酒发酵整体技术水平。

(3)酱油与醋:采用现代生物工程技术,结合原料的高温降解机制、固定化细胞技术的应用与酱油风味快速形成机制研究,缩短酱油生产周期,提高原料利用率改良产品品质。采用分子微生态学等手段,对名醋酿造过程中微生物菌群种类以及它们在酿造过程中生长、代谢规律进行研究,选育具有新功能或高效的醋酿造所需的新型菌种。进一步提高原材料利用率、降低能源的消耗;采用生物加工和处理技术进行酿醋废弃物的处理和综合利用等。

5医药生物制造技术研究开展微生物代谢工程研究,系统优化抗生素(医、农用抗生素)、维生素、核苷酸等医药与生物活性物质产品的技术指标,提高医药工业技术水平。

(1)青霉素等抗生素:研究青霉素等微生物次级代谢物合成途径,系统优化技术经济指标,利用微生物细胞或酶,开发新的聚酮类抗生素生物合成技术。

(2)维生素C:维生素C等药物的生产过程是借助一种或多种微生物所产生的酶类通过一步或多步发酵将底物转化为药物。利用基因工程手段对基因或工程菌株加以改造,能够实现提高产能、降低成本或污染的目的。

(3)伊维菌素等杀虫抗生素:研究阿维菌素和寡霉素等的化学结构、生物合成途径及其相关的基因功能,改造现有阿维菌素生产菌,使之成为只产生伊维菌素和不产生寡霉素的新的生产菌。

6、生物催化剂研究应用开展重大酶制剂基因改造与高表达研究,开发新型生物催化剂与生物友好工艺,减少化学工业的能源、资源消耗与污染物排放。

1)重大工业酶制剂

(1)耐高温酸性淀粉酶和高温糖化酶: 利用微生物基因资源,改造酶基因,获得具有自主知识产权、完全适合淀粉质水解工业应用目的的耐高温酸性α-淀粉酶和高温糖化酶编码基因,运用分子克隆技术和基因重组等技术,进行适合大规模工业化生产的高表达生产。到2010年形成2万吨以上的耐高温酸性α-淀粉酶的工业生产规模。拯救自上世纪60年代建立起来的工业酶制剂民族工业体系,并满足国内农产品深加工急剧发展的市场需求。

(2)纤维素与半纤维素酶:针对生物质的利用中的技术难题,筛选获得具有优秀性能的纤维素酶和半纤维素酶新基因,利用分子改造对工业纤维素酶和半纤维素酶基因进行改造,提高其比活和水解性能,降低纤维素酶生产成本。

2)新型酶制剂:开展新型谷氨酰胺转胺酶、过氧化氢酶、甘露聚糖酶、肪酶、果胶酶、乳糖酶、半乳糖苷酶、普鲁蓝酶、葡聚糖酶等产生菌株或基因的研究,进行菌种优化、基因改造与高表达、发酵工艺的优化、以及后处理工艺研究,开发新的工业酶制剂,进行酶制剂食品、造纸、纺织、洗涤剂、饲料、皮革、制药等行业中的应用研究。

7矿产资源开发与环境保护生物技术开展微生物群落的结构与功能研究,优化微生物个体与群体的物质降解与转化能力,开发微生物驱油、微生物冶金、微生物环保等新技术,以工业生物技术促进能源、环境领域的技术进步。

(1)微生物驱油:研究厌氧发酵菌驱油、石油烃降解菌清蜡和驱油、本源微生物菌群驱油等微生物技术提高石油采收率技术与工艺,分离适应于我国不同油田地质结构的采油相关微生物,改造并提高其驱油活性,构建具有多种驱油活性与采油关系密切的优势功能菌,开发成强化菌剂,优化油井本源微生物区系的有益功能,显著提高石油采收率。

(2)环境污染物降解:研究污染环境的微生物群落结构与功能,建立微生物区系评价技术体系。研究芳烃及其氯代衍生物(有机氯杀虫剂等11种农药和多氯联苯等)等难降解化合物的微生物降解代谢途径及其酶系,发现、改造并利用环境污染物降解基因,构建广泛污染物降解功能超强的“超级”工程菌,进行环境整治的应用研究与示范评价。

8、共性技术平台开展生物催化剂发现、优化、改造与工程化利用的共性技术研究,建立快速、高通量技术手段,构建现代工业生物技术关键技术平台,提高我国工业生物技术的创新能力。

(1)工业微生物基因资源发掘技术平台

基因是生物技术本身发展的核心资源,工业微生物基因资源、生物催化剂多样性是工业生物技术发展的基本动力。设计多孔、微量培养系统,建立高通量的生理学组阵列(Physiomics Array)技术,分离筛选培养各类具有利用价值的微生物,取得微生物功能的高通量筛选技术的突破。以未培养微生物、极端微生物的基因资源、微生物基因组序列资源为目标,建立重要微生物特别是极端微生物纯培养物的全基因组、基因文库与环境基因文库的高效获取技术,建立高通量的活性筛选与DNA分析技术手段,筛选、克隆极端酶基因以及盐调控基因、应激蛋白基因、抗逆基因等其它特殊的功能基因,选择或构建微生物的表达体系,发展微生物功能基因的多元基因组获取技术,建立工业微生物基因资源发掘技术平台。实现微生物酶基因,微生物抗逆功能基因以及特殊功能微生物的高效获取技术。

(2)工业生物催化剂的快速定向改造技术平台

以重要生物催化剂为对象,建立基于酶结构和催化机理的理性分子设计。建立高效易错PCR法,改善碱基变异分布,获得广泛分布的、有代表性的变种库,建立酶分子定向改造的新技术和新途径。探讨以酶的固定化过渡态模拟物为底物的普适高通量预筛选方法,及酶筛选的优化策略。建立生物催化剂功能与特性的高通量筛选、检测技术。应用高度自动化的过程,直接通过基因组信息大量生产并表征酶蛋白,用亲和层析等快速分离、鉴定和监测酶蛋白,发展生物催化剂的智能评价、纯化表征以及分子组装的高通量技术体系,建立反向酶工程技术体系。研究基于辅因子、能量循环的反应-反应组合技术,以重要酶耦合反应体系,构建辅酶再生和能量偶联系统。分析特定功能蛋白及分子机器的结构及功能变化,分析相关分子机器的结构特征,构建酶结构和稳定性分析的动力学模型。建立与完善生物催化剂分子设计与分子酶工程、反向酶工程、辅酶工程及分子机器技术平台,提高我国生物催化剂发现、改造与利用的能力和技术水平。

(3)微生物代谢工程技术平台

依靠微生物细胞的合成、转化和分解等代谢能力进行产品的生产或提供某种服务是所有与微生物相关的产业的共同特征。然而,微生物细胞的物质代谢首先服务于其自身的生理需要,往往与人类的需求存在矛盾,因此一般要对微生物物质代谢途径的改造,或者设计微生物细胞本来不存在的代谢途径,以建造理想的微生物细胞工厂。

在微生物基因组与功能基因组的基础上,发展快速分析技术、基因缺失技术和环境扰动技术以及微生物代谢组学技术体系,解析微生物细胞的物质与能量代谢过程,研究正向与反向代谢网络分析技术、代谢产物途径优化改造技术,建立反向代谢工程技术、高通量代谢工程的优化技术和能量代谢工程技术等技术平台。提高微生物初级代谢与次级代谢产物途径优化的技术能力,提高乙醇、乳酸、1,3丙二醇、氨基酸、抗生素等重要代谢产物的生产水平。

(4)微生物高效表达系统技术平台

高效表达系统作为分子生物学最核心和关键的系统,在生物技术的产业化中具有十分重要地位,各种表达系统已成为生物技术产业的一个重要知识产权,它们对未来生物技术产业的发展具有重大影响。近些年国内生物技术发展迅猛,许多基因工程产品都已实现产业化,但绝大多数基因产品的表达系统对是采用的国外技术,在知识产权方面完全受控于外方,这对我国生物技术产业的正常健康发展非常不利。因此积极开发具有完全自主知识产权的表达系统具有重要意义。

以芽孢杆菌、乳酸菌、丝状真菌、酵母菌等为宿主细胞,建立新型高效表达系统。建立适合不同微生物宿主细胞的具有自主知识产权的高效分泌型表达载体;运用基因重组技术全面改造微生物宿主细胞,使其适合外源基因的高效稳定表达。建立成熟的表达系统的操作平台,构建组成型、诱导型、分泌型等一系列高效表达载体,表达多种有益的外源基因,得到能稳定表达生物活性物质的重组菌株,用于医药、食品、农业等领域的研究和开发。

(5)工业微生物基因组和功能基因组学技术平台

生物技术工业主要是利用工业微生物所产生酶类的生物催化和转化功能或直接利用微生物自身的初级和次级代谢产物进行工业生产。因此,发现和识别工业微生物生产相关的功能基因并获取其专利是工业生物技术原始创新和在相关领域中占领制高点的先提条件及基础。当今国际工业生物技术研究领域正处在一个技术转型时期,即由原来以筛选生产菌株、不同性状工业微生物相互配伍和利用各种诱变手段对工程菌进行改造等为代表的传统技术过渡为以发现和识别生产相关的重要功能基因和其调控网络并在此基础上利用分子生物学技术构建和改造工程菌及其相应的生产工艺为主的新的阶段。

在我国生物技术工业的重要领域(如化工、制药和能源等领域)中有针对性地选取部分可产生重大效益或国际竞争激烈或对行业发展有普遍意义的生产菌株,积极引导企业参与,开展工业微生物基因组和功能基因组学研究,结合生物信息分析手段,建立微生物基因组测序、功能基因组数据解析、代谢网络分析等相关技术平台,发现和识别重要功能基因并获其专利,为我国工业生物技术的进一步发展奠定基础。

(6)过程工程技术平台

微生物发酵技术与系统控制是支持发酵工业发展、工业生物技术进步的重要技术平台。

在分子和细胞水平认知的基础上,进行生物过程优化与控制。研究混合、传质、反应器类型及操作方式等工程因素对生物过程的影响及控制对策;研究微生物发酵、生物催化等产物分离、纯化技术与设备,以及与生物反应相耦合的过程工程,创建发酵过程优化及智能控制及全分析新型技术平台、多酶反应耦合与系统集成技术和生物工业的信息化技术等技术平台,建立生物反应调控及生物反应器的研究体系,以及生物制造过程中各种高效单元操作组合。

发酵工业的主要废渣水来自原料废渣(如甘蔗渣、甜菜粕、薯干渣)、分离提取的废液、废糟(如酒精糟、味精废母液等)和洗涤冲洗水。发酵工业(不含食品)每年大约有1000万吨原料进入废渣水。发酵工业实现清洁生产,不仅可以提高发酵行业的竞争力,实现可持续发展,而且可以推动众多相关行业的发展。发展新型固态发酵技术与设备,建立固态发酵技术平台。研究设计酸碱回收技术与设备,建立从发酵废水中高效回收利用酸、碱、盐的技术,实现废液脱盐、酸碱再生循环利用。

(7)生物炼制过程的系统工程技术平台

和石油一样,生物质通过生物培养系统产生的物质也是多组分,含有不同结构的化合物。通过生物炼制,将生物质资源转变成生物能源、生物材料与各种化学品是工业可持续发展的基本过程。

生物炼制是包括原料的全部利用的生物与化学过程,甚至包括物料全部循环利用、无废物废水产生的生态工业园。建立生物炼制的技术平台,对于提高生物质生物转化、化学转化的效率,充分利用生物质有效组分,提高生物质利用的技术水平与综合效益具有重要意义。

建立生物炼制过程的系统工程研究技术平台,包括建立高效破碎微生物细胞技术、高效的细胞碎片分离技术、高效的膜分离技术、精密、快速的色谱层析技术等,以及新型高效的生物产品分离技术等。实现生物资源转化利用的多组分全分离、综合利用、多联产技术体系,提高我国生物资源的利用水平,促进工业可持续发展。

(8)糖生物工程技术平台

糖链具有重要的生理功能,许多寡糖和多糖产品在疾病诊断与防治、营养与保健、畜牧养殖、植物生长调节及抗病等方面的应用具有极大的潜力,糖工程产品在替代饲用抗生素、拓展生物农药、开发糖药物及功能食品中占有重要地位。糖工程产品开发也是生物质资源高值化利用的基本途径之一。糖工程产业在国际上已经发展成为应用于食品、医药、饲料、农业各领域的重要产业,有利于我国资源、环境、农业等领域的技术进步,有利于经济社会的协调可持续发展。

开发微生物细胞及其酶的催化功能,建立糖生物工程技术平台,完善糖链制备、分离、分析与应用的技术体系,重点发展寡糖以及微生物多糖等糖工程产品,并开发寡糖饲料添加剂、寡糖生物农药、寡糖功能食品等,实现重要糖工程产品的应用开发及其产业化,为我国食品安全、健康养殖、医药保健以及工业与环境的和谐发展,提供重要的技术与产品支撑。

(9)微生物元基因组与功能利用技术平台

微生物群落是由多种类型的微生物组合而成的复杂系统,我们把一个微生物群落中的微生物的种类组成和种群数量称为它的结构特征,把单个成员无法完成、只有群落才能执行的功能称为群落的生态功能。“结构决定功能”的原理在生物学的各个层次都是适用的。群落的结构决定了群落的功能。由于微生物群落结构影响和决定着其在许多传统产业部门的作用的发挥,因此,监测群落结构变化、调整和优化群落结构是充分发挥微生物作用的关键技术,它的突破必然会带来大面积的生产效率的提高和经济效益的改善。

开展特殊生态系统的元基因组研究,发掘微生物在物质转化与代谢中跨物种功能,获取并优化微生物群体在物质转化、能源(氢气、甲烷等)产生、矿产开采、环境保护等方面的应用能力,实现跨物种的组合代谢,推动生物技术与生物产业的发展。

(三)关键技术

围绕工业生物技术核心能力的提高与重大产品的开发,重点突破微生物基因组与功能基因组分析技术;微生物基因重组、基因敲除与基因修饰技术;微生物代谢网络分析与途径改造技术;生物催化剂高通量筛选技术;分子进化技术;蛋白质表达与纯化技术;糖链加工与修饰技术;发酵工程与过程工程技术;组合生物学技术;以及计算生物学与数学建模技术,为我国工业生物技术的发展奠定良好的基础。

 

、实施原则和措施

(一)战略措施 

1、加强体制创新。在我国现有的工业生物技术研发布局的基础上,结合地域和行业优势,整合国家、地方、部门与企业的力量和优势,建立支撑中国生物产业发展的工业生物技术研发创新体系,形成政府引导、地方配合、企业出题、专家解题的新机制,逐步使企业成为工业生物技术产业化创新的中心。

2、加强技术创新。结合我国的重大需求和研究基础,选择生物能源、生物材料、生物制药以及环保等领域作为研究重点,集中突破工业生物技术领域的前沿与共性技术关键,打造先进的工业生物技术的技术平台,形成重大专利技术生产线。

3、建立生物技术行业协会。为政府相关部门制定生物技术发展规划和行业标准提供技术咨询,协调产业发展和价格规范,避免行业恶性竞争、造成类似于丝绸、维生素C等的行业悲剧,保障工业生物技术产业的健康和持续发展。

4、大幅度增加工业生物技术的投入。十一五工业生物技术的投入应达到150亿的总规模,形成政府、地方、企业投资的新模式,直接形成1500亿的产业规模,辐射和拉动3000亿的相关产业。

5、加强人才培养和基地的建设。专项实施过程中不仅要考虑以课题支持的方式带动高水平研究基地的建设,而且要注重人才(特别是企业研发人才)的培养,造就一支精干的中青年专业研究队伍,为我国工业生物技术的持续发展提供综合技术平台和人才储备。

(二)立项原则

1、准确定位 项目必须符合国家战略需求、符合国际竞争需求、符合市场经济需求、符合产业发展需求。

2技术集成 现代生物技术与传统技术相结合、生物技术与资源优势相结合、生物技术与产业结构调整相结合、生物技术与化学工程技术相结合。 

3目标可行 所有项目最终可能实现预期目标、可能取得国际专利、可能形成新兴产业、可能带动产业提升。

(三)项目设置

专题1,微生物代谢功能改造与生物基产品开发

在基因组学数据基础上,开展从基因组到产品的系统研究,发展分子操作技术,突破微生物代谢分析、分子进化与转基因技术、优化微生物的物质转化功能,设计和重构自然界的生产线,以生物质为原料进行生物能源、生物材料、生物基化学品等重大生物产品的技术开发,推动燃料酒精、乳酸与聚乳酸、1,3-丙二醇、月桂二酸、丁二酸、生物乙烯、生物柴油、丙酮、丁醇等若干重要产品的先进生产,  逐步减少对化石资源的依赖与环境的污染。

专题2,生物催化与绿色化学过程

发展生物催化剂的发现、优化与改造技术,解决生物催化剂的多样性、稳定性、高效性与实用性等关键性问题,研究、优化生物催化反应过程与工艺,实现手性产品、头孢霉素、生物农药、乙醛酸、丙烯酸、丙酮酸等若干重要化学品的生物法制造,以生物技术改造化学工业过程,降低资源、能源消耗与污染物排放。

专题3,传统发酵产品的系统优化

开展微生物代谢与发酵工艺的综合优化研究,显著提高抗生素、有机酸、氨基酸、多糖、维生素、核苷酸、啤酒、醋等产同发酵产品的生产技术水平,提高综合经济效益5-10%。

专题4,工业酶制剂的研究开发

开展重大与新型工业酶制剂的研究与开发,发现纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶、谷氨酰胺转胺酶、过氧化氢酶、甘露聚糖酶、脂肪酶、乳糖酶、果胶酶、半乳糖苷酶、葡聚糖酶等新的产生菌株或基因,突破基因改造、基因表达与发酵工艺以及后处理工艺等关键技术,优化酶的性能,提高酶活力,开发新的工业酶制剂产品,实现在食品、造纸、纺织、洗涤剂、饲料、皮革、制药等行业中的应用研究。

专题5,微生物群落生态功能的系统研究与应用

开展环境元基因组学研究与微生物群落的结构与功能研究,优化微生物个体与群体的物质降解与转化能力,发现、利用新的功能基因,进行跨物种代谢组合的研究,开发微生物驱油、微生物冶金、微生物降解等新技术,以工业生物技术促进能源、环境领域的技术进步。

专题6,食品与饲料添加剂新技术与新产品

开展新型食用色素、香料、防腐剂、功能食品、饲料添加剂的研究与开发,

专题7,生物质资源化与糖功能产品开发

开展生物质资源的化学与生物处理研究,提高发酵糖的获取能力。突破糖链分解、合成与修饰等关键技术,进行生物资源的高值化开发。

专题8,工业生物技术过程研究与装备研制

专题9,工业生物技术关键技术平台

工业微生物基因资源发掘技术平台

工业生物催化剂的定向改造技术平台

微生物代谢工程技术平台

微生物高效表达系统技术平台

糖生物工程技术平台

工业微生物基因组和功能基因组学技术平台

发酵控制与过程工程技术平台

生物炼制过程的系统工程技术平台

微生物元基因组与功能利用技术平台

 

六、战略目标实现后,对本领域发展的影响预测

(一)可能取得的重大突破

1、完成的工业微生物基因组与功能基因组分析、生物催化剂(酶、细胞)发现、改造、基因表达、发酵过程工程等工业生物技术基础平台,将实现快速、高通量的工业生物技术发展的基本手段,提高我国农业生物技术的国际地位和竞争能力;

2、实现化学工业的升级改造,加快石油原料替代的经济模式的来临,促进我国工业产业结构的战略性调整,促进我国经济和社会的可持续发展;

3、开发出一批具有自主知识产权的生物能源、生物材料、生物基化学品等重大产品以及重要生物技术工艺,减少能源消耗、资源消耗和环境污染物排放20%;

4、初步形成我国生物能源、生物材料等新兴产业,加快生物技术传统产业的发展。

(二)对本领域发展的影响预测

几十年来,生物技术在医药和农业食品行业中的应用已经成为人们众所周知的两个领域。但是在今天,工业生物技术的发展使现代生物技术已经渗透到包括医药、农化、能源、精细化工、环境保护等几乎所有的工业领域,并且扮演者或即将扮演主要角色。工业生物技术的突破与战略目标的实现,将极大地改变公众与社会对工业生物技术的理解与认识,将重新确立生物加工在国民经济发展中的地位与作用,为本领域的长远发展奠定良好的基础。

工业生物技术的突破与战略目标的实现后,工业生物技术将被认可为当今生物技术发展的前沿,一个新的生物工业将加速形成,生物塑料、生物橡胶、生物饲料、生物肥料、生物乙醇、生物增塑(韧)剂、生物防腐剂、生物乳化剂、生物降解剂、生物化妆品、生物基化工平台化合物以及生物制药、生物采油、生物冶金、生物监测和生物降解等一系列新的产品和技术将在我国形成一个庞大的现代生物技术工业王国,工业生物技术与生物产业将迎来一个跨越发展的春天。

(编辑:admin)
 
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