生物技术与化学工业的可持续发展

沈寅初生物技术与化学工业的可持续发展可持续发展面临的问题1.资源2.能源3.水源4.环境5.土地6.人口保持可持续发展的对策1.循环经济（资源循环使用）2.节约资源（能源），发掘新资源3.利用国际资源4.提高资源（能源）利用效率5.绿色产品、绿色工艺6.采用生物技术7.保护环境及土地8.控制人口减少资源能源消耗减少废弃物排放改变原料路线改变物质生产工艺世界各国产出1美元的能源消耗比较日本1.00意大利1.33法国1.50德国1.50英国2.17美国2.67加拿大3.50中国11.50生物技术能做些什么？1.改变产品生产原料路线2.改变产品生产工艺生物技术产业的特点1.利用再生性资源2.符合可持续发展3.生产过程温和4.污染少，多为可利用废料5.自身效率提高潜力大生物技术改造后自身效率提高实例α-淀粉酶热稳定性提高，活力增加2500倍6-磷酸葡萄糖脱氢酶酶活性提高1000倍洗涤剂用蛋白酶抗螯合剂性能提高1000倍半乳糖苷酶特异性提高1000倍腈水合酶酶活性提高1500倍井冈霉素250倍7051杀虫素300倍生物技术生产化学品的方式生物质原料产物相关底物产物多酶系统催化（发酵）单酶催化（生物催化）生物直接生产的化学品1.医药品6.色素2.农药7.化工原料3.维生素8.能源产品4.氨基酸9.高分子聚合物5.有机酸10.保健品生物技术生产农用抗生素赤霉素井冈霉素7051杀虫素浏阳霉素Spinosaid多氧霉素多醚类抗生素放线酮黄霉素多粘菌素生物质原料生产的主要有机酸世界产量中国产量柠檬酸105万吨30万吨乳酸15万吨15000吨衣康酸3万吨6000吨生物质原料生产的主要氨基酸世界日本中国L-谷氨酸150万吨8.5万吨72万吨L-赖氨酸40万吨500吨20000吨L-谷氨酰胺2100吨1200吨－L-脯氨酸500吨250吨250吨L-苏氨酸30000吨5000吨400吨L-精氨酸1500吨1000吨－生物技术生产维生素β-胡萝卜素维生素C维生素D维生素B2泛酸菸酰胺生物素维生素B12生物技术生产保健品不饱和脂肪酸冬虫夏草虾青素灵芝辅酶Q10云芝有益微生物异黄酮生物质原料生产高分子化合物蛋白质（大豆蛋白、丝蛋白）核酸壳聚糖纤维素（木质纤维、棉纤维）黄原胶多聚β-羟基丁酸聚谷氨酸聚赖氨酸聚精氨酸生物技术生产化工原料甲醇乙醇丙酮丁醇乳酸丙酸二元酸衣康酸乙酸琥珀酸甘油1,3-丙二醇生物技术的能源路线太阳能陆地：1150亿吨/年海洋：550亿吨/年碳水化合物生物柴油农业生物技术25吨/公顷甲醇乙醇甲烷氢1700亿吨/年生物技术生产乙醇生产工艺的进步糖蜜淀粉葡萄糖乙醇淀粉乙醇化学品纤维素葡萄糖乙醇酒精浓度10％20％生产用菌种：耐高温、耐乙醇、耐渗透压自凝絮、快发酵传统化工工艺乙醇代替汽油的可能性美国巴西燃用乙醇400万吨1200万吨石油有关的生物技术生物脱腊生物三次采油生物脱硫石油制品中含硫量受到控制1996年2000年目标汽油美国400ppm50－100ppm欧共体500ppm100ppm柴油美国2500ppm500ppm欧共体500ppm350ppm日本2000ppm500ppm韩国2000ppm500ppm泰国5000ppm500ppm生物催化脱硫流程生物催化反应1.氧化9.缩合15.核苷化2.还原10.氨基化16.卤化3.脱羧11.乙酰化17.转移4.脱氨12.脱甲基18.重排5.水解13.酰胺化19.异构化6.甲基化14.脱甲氧基8.脱水生物催化技术生产化学品淀粉麦芽糖、葡萄糖葡萄糖果糖富马酸L-天冬门氨酸富马酸L-苹果酸环氧琥珀酸L-酒石酸丙烯腈丙烯酰胺丙烯腈丙烯酸苯对苯二酚L-天冬门氨酸L-丙氨酸肉桂酸L-苯丙氨酸淀粉酶、糖化酶异构酶天门冬氨酸酶苹果酸酶水合酶腈酶水合酶加氧酶脱羧酶加氨酶酶催化在光学活性手性化合物合成中的应用1.水解5.氧化2.还原6.加氨3.羟基化7.水解4.异构化手性化酶脂酶醇氰酶腈酶酰胺酶还原酶转氨酶羟基化酶旋光异构酶微生物酶异构化合成手性化合物NOClNH3BackmanrearrangementreactionH2SO4CyclohexeneNitrosdimerDL-AminocaprolactamD-型L－型L-Lysine异构酶水解氨基化合成氨基手性化合物加氨酶水解手性化水解酶还原手性化还原酶DL-（L-）（D-）Microbialreductionofinabenfideketonederivativeto(S)-inabenfideKetonederivativeofinabenfide(s)-inabenfideAgonomycetalessp.yield:98%opticalpurity:ca100%Asymmetricenzymatichydrolysisofracemicallethrolonacetateto(R)-allethrolonmicroorganismorenzymeacetateofracemicallethrolon(R)-allethrolon(S)-allethrolon生物技术在工业中应用的问题1.生物技术效率低、成本高2.产物浓度稀3.在水溶液中反应4.水消耗量大5.酶（生物体）安定性差6.易污染杂菌7.工艺过程复杂、控制点多8.计算机联机控制较难9.操作者技术素质要求高10.动植物细胞培养技术问题更多生物技术在化工领域应用优先研发的课题1.实现几个关键化工原料产品的经济性产业化2.从可再生资源开发新产品3.更广泛地发现新生物源4.改造生物，提高生物加工效率5.开发生物催化的新领域6.开发未利用的生物资源生产有用物质7.解决生物技术规模生产的工程问题，控制及过程检测问题8.基因重组技术的开发和应用上海市农药研究所(原化工部上海生物化工研究中心)做了哪些工作？利用生物质开发生物源农药静丝霉素（Cystamycin）链丝霉素新多氧霉素杀粉蝶素潮霉素抗霉素三烯霉素Starosporine莫能霉素放线酮灭瘟素发现的新生物源农药活性物质磷氮霉素白肽霉素制黄杆菌素拟鲥霉素变构霉素RS-22A、B、C磷氮霉素类化合物的结构AntifungalavtivityofphosphazomycinCTestorganismMIC(μg/mL)*AspergillusoryzaeIFO52391.6A.niger1.6Penicilliumchrysogenum0.4TrichophytonmentagrophytesIFO62020.4CochliobolusmiyabeanusIFO52771.6PyriculariaoryzaeIFO59440.8RhizoctoniasolaniIFO625825ColletotrichumlagenariumIFO7510.05BotryotiniafuckelianaIFO53650.0004GlomerellacingulataIFO97670.2AlteriariamaliIFO89840.025FusariumoxysporumIFO976112.5*Conventionalagardilutionmethodwasemployedusingpotato-sucrosemedium.MICswereobservedafter72hoursincubation.磷氮霉素对黄瓜灰霉病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm99.398.598.598.599.350ppm100100100100100磷氮霉素对菌核病的效果（盆栽）组份浓度ABCDE25ppm10081.368.883.178.150ppm100100100100100磷氮霉素增加血小板作用（体内试验）剂量mg/kg投药天数血小板数×1040.1382.180.1488.560.15110.060.16115.060.3386.620.34101.780.35125.040.36152.22对照384481.14586.54688.68变构菌素的结构TautomycetinAntimicrobialactivityoftautomycinTestorganismMIC(μg/ml)BotrytiscinereaIFO536512.5AlternariamaliIFO898450PyriculariaoryzaeIFO599450ColletotrichumlagenariumIFO751325GlomerellacingulataIFO976750Cochliobulusmivabeanus25RhizoctoniasotaniIFO6258200Fusariumoxysporum200Aspergillusniger50Penicilliumchrysogenum50Theconventionalagardiutionmethodwasused.Medium:potato–sucroseagar.拟鲥霉素的结构OOSNHONH2OHOHHOOCCOOHONHNHONHOOONH2ONH2NH拟鲥霉素的抗菌作用抑菌圈直径（30μg/disc）黄瓜灰霉病菌(Botrytiscinerea)40mm黄瓜炭疽病(Colletotrichumlagenarium)20mm水稻稻瘟病(Pyriculariaoryzae)0格链孢菌(Alternariamali)0水稻黄单孢菌(Xanthomonasoryzae)0大肠埃希氏菌(Eschiacoli)0金色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)0白色念珠菌(Candidaalbicans)0拟鲥霉素的抗菌作用试验化合物喷药浓度防治效果药害SR-105096无2594无12.587无6.2577无苯莱特*25092对照处理-0－*1－（丁基氨基甲酰）－2－苯并咪唑白肽霉素的结构白肽霉素的抗菌活性TestorganismMinimalinhibitoryconentration(mcg/ml)AlbopeptinAAlbopeptinBAlternariamaliIFO898412.512.5BotrytiscinereaIFO536512.512.5CollectotrichumlagenariumIFO751312.512.5PyriculariaoryzeaIFO59942525FusriumoxysporumIFO97615025RhizoctoniasolaniIFO625812.525AspergillusoryzeaIFO52395050GlomerellacingulataIFO97672525CochliobollusmiyabeanusIFO52772512.5TrichophytonmentagrophytesIFO620210010CandidaalbicansIFO15945050SaccharomycescerevisiaeIFO03045050StaphylococcusaureusIFO127322512.5BacillussubtilisIFO35132512.5EscherichiacoliIFO3301＞100＞100PseudomonasaeruginosaIFO13130＞100＞100制黄杆菌素的结构制黄杆菌素的抗菌活性TestorganismMinimalinhibitoryconcentration(mcg/ml)XanthomonasoryzaeIFO33122XanthomonasoryzaeIFO37814EscherichiacoliIFO3301＞1,000SalmonellatyphimuriumTV119＞1,000Staphylococcusaureus209PIFO12732＞1,000BacillussubtilisIFO513＞1,000RS-22活性成份的化学结构RS-22A:R1=H,R2=HRS-22B:R1=CH3,R2=HRS-22C:R1=CH3,R2=CH3实现产业化的研究成果可再生资源生产活性物质1.井冈霉素2.7051杀