工业生物技术与绿色生物制造-谭天伟 推荐
生物产业是制造业的飞跃
酶制剂在现实生活中应用十分广泛，如我们常穿的牛仔库、可乐的糖浆、医药上的头孢、盖中盖的葡萄糖酸等，都是用绿色酶催化代替传统的化学法，使过去需要多步的化学法处理工艺，用酶催化一步就可以达到，并且避免了过程中使用有毒有害的物质，同时成本还很低。
中国化工学会生物化工专业委员会副主任委员谭天伟介绍，酶制剂的使用实际上是生物制造业中的一个领域。
生物制造是利用生物技术手段——催化剂（酶）进行产品的加工，包括生物基材料、生物基化学品、生物能源等。
虽然我国酶制剂的产量已经很大了，但酶制剂的品种比较少。
同时，我国生产的酶都是大品种的酶，如糖化酶、淀粉酶、蛋白酶。
真正拥有自主知识产权的酶很少，但我国酶技术应用如精细有机合成等和生产与世界的差距不大。
谭天伟认为，整个生物技术产业在面对金融危机、走出困境中起到非常重要的作用，也是国家整个产业结构调整的支撑技术之一。
他说：“过去我们依靠的是制造业和IT产业，不过，制造业发展到一定程度上有一定的压力，比如来自环境和资源的压力，消耗大量的不可再生的资源，排放二氧化碳的温室效应，废水、废气的对环境的污染。
而在生物产业里，工农业的废水、废物，农业的秸秆等，都是大有可为的生物产业原料。
同时，生产工艺是清洁的，转化率比较高，并没有排出有毒有害的物质，减少了环境的压力。
现在生物产业在整个的产业结构中还是比较小，但随着基因工程技术、生物工程信息学和工业生物技术等技术的提高，促进生物产业的发展，并逐渐走向成熟，生物产业是朝气蓬勃的产业，也是制造业的一次飞跃。
”我国很多企业无法兼顾经济利益和环境保护，企业以赚钱为目的，环境保护对它们来说经常是点缀，如果企业在污水治理的环境保护中能得到经济效益，那么企业还能不投入大量的精力操作吗？据介绍，许多生物过程都会产生废水、废渣，如何利用这些废物制作更高附加值的产品，怎样把过去的废物转化为更有价值的东西，节能减排，使废物资源化、排污最小化是谭天伟一直钻研的课题。
国家重点基础研究发展计划(973计划)课题年度总结报告
国家重点基础研究发展计划（973计划）课题年度总结报告项目编号：2007CB714300项目名称：工业生物技术的过程科学基础研究项目负责人：谭天伟课题编号：2007CB714303课题名称：生化反应过程放大原理与方法课题承担单位：华东理工大学课题负责人：庄英萍中华人民共和国科学技术部制2008 年 12 月 6 日填写说明1、统一用A4复印纸；2、封面用白色厚纸，请勿用塑料封皮；3、内容要双面印刷；4、按照给定格式编写，文字叙述部分用小4号仿宋字；5、各项内容要实事求是、认真填写，文字叙述简明扼要、层次分明，一页不够可续页；6、请认真阅读格式后面的编写说明，按规定编写；7、要注意相关数据的一致性和平衡关系。
（限5000字左右）一、研究工作的主要进展（计划任务完成情况、预期目标是否实现、所取得的突出进展等）本课题研究的目标是建立适合生物过程的新型放大方法和模型，即利用生物学和工程学的原理，对生化反应过程开展科学问题研究，形成反映生物反应特性和反应器传递特性的直接放大理论，最终用于指导主要工业生物技术产品如有机醇、有机酸等大规模发酵过程，突破传统“实验室－小试－中试－工业”逐级放大的思路与方法，实现工业发酵过程的定量设计与直接放大。
课题组根据原定目标开展了下述研究，达到了原定的阶段性目标，并取得了一些突出进展。
课题组根据原定的科学问题研究思路，突破了原有仅从生理调控等单一机制进行工业生物过程研究的局限性，建立了生物反应器的生物学与工程学研究相结合的理论与方法，也即提出了在工业生物反应过程中存在着由细胞基因、代谢尺度所决定的细胞生理代谢特性和由反应器多相流混合系统所决定的环境特性，而本课题在生物学方面则是通过多尺度参数相关分析方法实现了细胞生理代谢特性的研究，在工程学方面通过利用计算流体力学方法实现了反应器流场特性的研究，最终使生物和工程实现了有机结合，即工程操作满足了细胞代谢的需求，实现了跨尺度动态观察与分析，实现了工业生物过程的优化与放大。
工业生物过程高效转化与系统集成
工业生物过程高效转化与系统集成谭天伟;秦培勇【摘要】工业生物技术已经成为世界各国的重要战略研究方向之一,但我国工业生物过程还存在低效、高能耗和高排放问题.因此,工业生物技术的过程科学研究还亟需解决复杂生物原料高效/定向转化机制、工业生物过程物质/能量流耦合规律、工业生物过程强化和系统集成原理3大关键科学问题.就"973"项目"工业生物过程高效转化与系统集成的科学基础研究"中3大关键科学问题方面的主要研究进展进行了论述.【期刊名称】《生物产业技术》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】6页(P25-30)【关键词】工业生物技术;过程科学;过程集成【作者】谭天伟;秦培勇【作者单位】北京化工大学生命科学与技术学院,北京 100029;北京化工大学生命科学与技术学院,北京 100029【正文语种】中文工业生物技术是以生物学、化学和化学工程学等学科为基础、以生物催化和生物转化为核心，研究大规模生产化学品、医药、能源和材料的新过程和新方法的学科，是以可再生生物质资源为原料的、环境友好的新型物质加工模式，是化学工程和生物技术有机结合的新制造技术的典范[1]。
随着能源、资源、环境问题的日趋严峻，工业生物技术已经成为世界各国的战略研究方向。
我国在工业生物过程优化和系统集成研究方面与国外差距较大，具体表现在原料利用率和产品回收率低、能量消耗高，发酵工业排放COD（化学需氧量）占全国工业COD总排放量的19%。
主要原因是工业生物过程是一个具有生命特征的动态复杂系统，目前对多变、复杂生物原料的定向/高效转化机制还不十分清楚，导致生物转化体系效率低、副产物多、COD排放高；产物浓度低，导致分离精制能耗高、收率低；生物过程子系统中物质流和能量流的割裂设计，以及对整个工业生物过程缺乏系统科学研究，导致整个系统高能耗、高物耗、高排放、整体经济性差。
针对上述问题，国内工业生物技术主要优势单位包括北京化工大学、天津大学、江南大学、中国科学院过程工程研究所、清华大学、华东理工大学、南京工业大学、中国科学院天津工业生物技术研究所等于2013年联合承担了“973”项目“工业生物过程高效转化与系统集成的科学基础研究”，经过几年的联合攻关，在生物原料高效/定向转化机制、工业生物过程物质/能量流耦合规律、工业生物过程强化和系统集成原理3个关键基本科学问题研究方面取得一定的成就；探究出如何实现复杂生物原料高效与定向转化，过程强化和系统集成，为实现工业生物全流程“吃得净、吃得快、排的少”奠定方法基础（图1）。
谭伟 120504021005 课程设计
年产 1500 吨青专
业： 生物工程
姓
名： 谭伟
学
号： 120504021005
指导老师： 周新明
职
称： 高级工程师
中国·珠海 二○一五年十二月
如果你愿意努力，最坏的结果也不过是大器晚成
北京理工大学珠海学院课程设计 诚信承诺书
本人郑重承诺：我所呈交的课程设计《年产 1500 吨青霉素发酵车间的 工艺设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中 引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用 的数据真实可靠。
Ⅱ
目
录
摘要 ................................................................................................................................................ Ⅰ Abstract ........................................................................................................................................... Ⅱ 目录 ................................................................................................................................................ Ⅲ 1 前言 .......................................................
工业生物技术及过程优化-张栩_谭天伟
鉴定意见：脂肪酶合成棕 榈酸异辛酯生产工艺拥有 自主知识产权，为国内外 首创，为国际领先水平， 酯化用假丝酵母脂肪酶整 13 体技术达到国际先进水平
绿色合成应用
2
发明了脂肪酶催化合成维生素A棕榈酸酯绿色新工艺
一步酶法合成，转化 率达93%，无副产物 反应条件温和，对维生素 A无破坏作用 已转化2家企业，年产20吨 生产装置，有机溶剂用量节 省1100t，减少废水排放12万 t
2、细胞层次优化
丙酮 碳水化合物 原料
C6 糖~P
利用系统生物学手段，发现 了新的支路途径和调控位点 设计新的代谢工程策略
C3 酮
丁醇
C6 糖~P
×
C3 酮酸 C3 酸~P C3 酮酸~P
C4 CoA C4 醇
C6 糖~P
C3 醛~P
×
×
× ××
C2 CoA C6 酸 C4 CoA
C2 ~P
C2 酸
25
改进Klebsiella pneumoniae的甘 油发酵生产1,3-丙二醇代谢途径
产乳酸途径弱化突变株的 筛选
1,3-丙二醇代谢途径的增强
1,3-丙二醇代谢途径BudC 基因 敲除及还原力再生系统的引入
26
20
1,3-PD OD600 Glycerol
Acetate Lactate Ethanol
酶催化反应工业化生产装置
甲 醇 储 罐
热水出
去粗甲酯储罐
热水进
5
1 4 2 3
出料过滤器
5 酶催化反应器
酶催化反应最终脂肪酸甲酯转化率90%，体系酸价 降低到20mgKOH/g左右。采用固定化酶催化成本 为250元/吨，游离酶催化成本为80元/吨
[课外阅读]谭天伟院士：视野有多宽 事业走多远
![[课外阅读]谭天伟院士：视野有多宽 事业走多远](https://img.taocdn.com/s3/m/5fd565ae551810a6f424861a.png)
[课外阅读]谭天伟院士：视野有多宽事业走多远每年开学典礼和毕业典礼上，北京化工大学校长、中国工程院院士谭天伟都要说这么一句话：一个人的视野有多宽，他的事业就能走多远。
这句话既是一位校长对青年学子的殷切寄语，也是一位留学归国人员创新创业的切身体会。
受益于三位导师“到‘十三五’末，中国有可能成为世界上首先用生物质生产PX的国家。
”谭天伟说，“用纤维素做PX，这是一项革命性技术，转化率很高。
”既注重课题研究的前瞻性，又考虑其产业化的可能性和经济可行性。
这是谭天伟一贯的科研风格。
早在1999年，谭天伟就开始琢磨用地沟油制生物柴油。
当时，国内原油供给并不紧张，没有人理会他这种近乎疯狂的想法。
一家企业的负责人甚至笑他杞人忧天：“小谭啊，这个项目恐怕等你退休也应用不了。
”“咱中国人从来不缺创造的热情！”几经努力，谭天伟领导课题组提出了酶法合成生物柴油技术，转化率高达96%，品质达到欧洲标准，万吨级的工业化装置如今也已开始运行。
谭天伟经常跟他的学生强调：一方面要原始创新，技术引领必须站在学科前沿；另一方面要为经济和产业服务，否则发展就没有立足之地。
其实，谭天伟是在向几位导师学习的过程中，形成了自己的风格。
“从清华到德国、瑞典，受到不同老师的影响，思维方式发生了转变，让我受益匪浅。
”从本科到博士，谭天伟在清华鼓励原创的环境下，养成了独立思考的习惯。
在德国，他的导师非常注重成果产业化。
谭天伟记得，他用3个月时间完成了一个实验，认为做得很好，而德国导师却把他的报告扔进了垃圾桶，并告诉他，经济成本虽然是企业考虑的事情，但为了更好地进行成果转化，科研人员选题时也应该考虑成本。
他的瑞典导师则非常注重创新。
“选题如与前人有雷同，他就说不要干，再去想。
”谭天伟至今印象深刻。
万事开头难“国外的条件再好，我还是希望能在自己的家里做些事。
”1993年，谭天伟学成归国，来到北京化工大学做博士后。
那时，他所拥有的仅仅是2万元的博士后研究经费。
走近生物经济时代
CURRENT EVENTS 中等城市核心期刊·封面故事·责任编辑丨何玉梅 潘义军走近生物经济时代顶层设计擘画行业发展蓝图近日，国家发展改革委印发《“十四五”生物经济发展规划》。
这是我国首部生物经济五年规划。
生物经济是指通过可持续的方式，利用可再生自然资源来生产食品、能源、生物技术产品和服务的一切经济活动的总和。
它涵盖了生物医药、生物农业、生物制造、生物环保等众多领域，是具有创新活力、涉及面广、影响深远的战略性新兴产业。
《“十四五”生物经济发展规划》明确，要着力做大做强生物经济，到2025年，生物经济成为推动高质量发展的强劲动力，生物经济总量规模迈上新台阶，生物科技综合实力得到新提升，生物产业融合发展实现新跨越，生物安全保障能力达到新水平，生物领域政策环境开创新局面。
《规划》提出，“十四五”期间，推动生物技术和信息技术融合创新，加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业，做大做强生物经济。
“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，推动生物技术和信息技术融合创新，加快发展生物医药、生物整理报道丨■ 佳雨育种、生物材料、生物能源等产业，做大做强生物经济。
为紧紧抓住发展的脉搏，一份“十四五”生物经济顶层规划呼之欲出。
对此，权威专家表示，生物经济将成为经济增长的新动能。
随着多元化的金融资源和社会资本的进入，新一代生物经济将茁壮成长，万亿级别市场有望快速发展。
甚至有机构预计，未来生物经济的产业规模将达40万亿元，成为中国经济下一个重要增长点。
据《经济参考报》报道，从我国生物产业发展来看，2013年生物产业增加值已达10万亿元，占当时GDP的近10%，因此，对生物经济进行顶层规划，是行业进一步高质量发展的客观需要。
国家发展改革委高技术司副司长王翔介绍：“党的十八大以来，我国生物经济创新发展取得了显著成就。
大家都熟知的青蒿素，实现了我国自然科学领域诺贝尔奖‘零的突破’。
目前在研的创新药数量居全球第二，在基因检测、超级稻、人工合成淀粉、疫苗等领域都已形成比较优势，产业创新持续活跃。
高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》目录(2019版)
科学家访谈生物科技创造美好未来——与杨焕明院士一席谈第1章发酵工程科技探索之路从传统发酵技术到发酵工程第1节传统发酵技术的应用探究·实践制作传统发酵食品第2节微生物的培养技术及应用一微生物的基本培养技术探究·实践酵母菌的纯培养拓展视野微生物菌种的高效筛选——高通量筛选二微生物的选择培养和计数探究·实践土壤中分解尿素的细菌的分离与计数与生物学有关的职业发酵工程制药工第3节发酵工程及其应用第2章细胞工程科技探索之路细胞工程的发展历程第1节植物细胞工程一植物细胞工程的基本技术探究·实践菊花的组织培养二植物细胞工程的应用第2节动物细胞工程一动物细胞培养二动物细胞融合技术与单克隆抗体与生物学有关的职业细胞培养工程师三动物体细胞核移植技术和克隆动物第3节胚胎工程一胚胎工程的理论基础二胚胎工程技术及其应用第3章基因工程科技探索之路基因工程的诞生和发展第1节重组DNA技术的基本工具探究·实践 DNA粗提取与鉴定第2节基因工程的基本操作程序探究·实践 DNA片段的扩增及电泳鉴定拓展视野历史不能忘记中国科学家对PCR的贡献第3节基因工程的应用第4节基因工程的延伸——蛋白质工程第4章生物技术的安全性与伦理问题科技探索之路生物技术引发的社会争论第1节转基因产品的安全性第2节关注生殖性克隆人第3节禁止生物武器附录1植物组织培养实验常用培养基的配方和配制方法附录2DNA的粗提取与鉴定实验相关试剂的配制方法附录3琼脂糖凝胶电泳实验相关试剂的配方。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
乙烷
Steam-Cracking
乙烯
+
2-丁烯
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
16
丁二烯的其他合成路线
甲烷
Plasma
乙炔
Lebedev-Process
乙醇
丁二烯
Fermentation
………………….
走出一条可持续的化工原材料生产新路线 减少工业化进程对化石资源的依赖
生物基丙烯酰胺：化学和生物学技术的相互交融和耦 联推动了工业生物技术的产业化
微生物法生产丙烯酰胺的全局调控
水 AN
放热反应
20℃
热稳定性差：
水合温度需控制比较低(17-22℃)
能耗严重，酶易失活
副产物丙烯酸大量生成：
2.2 大宗化学品生产存在的问题
化工产业是国民经济和国防工业 重要支柱，但受资源匮乏所限， 原料高度依赖进口，需多元化原 料结构。
原油对外依存度为58% 烯烃对外依存度为30-50% 天然橡胶对外依存度为75%
碳排放严重
我国是世界第一碳排放大国， 减排压力巨大
水消耗严重
OECD:化工产品水消耗占工 业用水43%
Ethane and higher
Naphtha
Steam Cracker
Oil
catalytic reforming
Methane Ethylene Propylene Butadiene Aromatics /
BTX Other
9
页岩气浪潮对乙烯价格的影响
10
可获得的碳氢化合物: 页岩气的影响
Dehydration
Dehydration
2,3-丁二醇
Fermentation
葡萄糖
ABE发酵
n-丁醇
ICBB, 3-5 December 2013, Xiamen
13
生物基芳烃
CO + H2
Gasification
生物质
甲醇
MtA
BTX
?
木质素
发酵 + 化学合成 (实验室水平)
葡萄糖
芳烃的生物合成路线
➢ 欧洲工业生物技术2025远景规划： - 生物能源替代化石能源20% - 化学品替代10-20% 其中化工原料替代6-12%，精细化学品替代30-60%
2. 生物基化学品
2.1 大宗化学品应用现状
原料：三烯三苯
产品及产量
合成 树脂
合成 纤维
合成 橡胶
4300万吨 1300万吨 300万吨以上
趋势：大宗化学品的生产和消费正在从西方向东方转移，我国大宗化学品 产业面临着前所未有的机遇和调整。
32% 32% 28% 75%
2.3 生物基化学品，是我国未来化工原料多元化战略 的重要突破口
丰富的可再生生物质资源是化工原料的重要选择
原料
过程
产品
糖、油脂、非 粮生物质、有 机废弃物、甚 至工业废气和 二氧化碳等
生物化工 技术
聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）聚合物 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET） 聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯（PTT）
Dimerisation
乙烯
Dehydration
乙醇
Fermentation
葡萄糖
生物基丁二烯路线
Lebedev-Process (single step) or Ostromilensky-Process (two steps)
乙醇
1-丁烯
丁二烯Biblioteka 发酵Oxidative Dehydrogenation
工业可持续发展最有 希望的技术之一”
3
工业生物技术已成为各国的战略方向
➢ 美国：2012年《国家生物经济蓝图》，将生物经济列为优先政策领域 - 2020年，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%。 - 2030年替代25%有机化学品和20%石油燃料
➢ 欧盟：2012年《一个强大的欧盟工业有利于增长和经济复苏》，工业生 物技术列入六大关键势能技术
工业生物技术是实现生物产品产业化的重 要的基础平台，是推动产业升级，实现经 济的跨越式发展的重要途径
2013年，全球生物制造规模约1,700 亿美元，过去十年的平均年增长率约 9%，但依然还处于行业发展的早期阶 段，，预计未来5-10将加速增长，年 均增速将超过15%。
世界经合组织（OECD） 提出：“工业生物技术是
工业生物技术与绿色生物制造
谭天伟 北京化工大学 2014.10 福州
1
主要内容
• 1. 工业生物技术与生物制造 • 2. 生物基化学品 • 3. 绿色生物过程替代 • 4. 能源生物炼制 • 5. 展望
2
1. 工业生物技术与生物制造
生物质
＋ 酶、微生物、细胞
生物转化和生物催化
化学工程 技术
化学品
种类
乙二醇 二乙二醇 对二甲苯
双酚A 苯乙烯
丙酮 甲基丙烯酸甲
酯 正丁醇 丙烯腈 己内酰胺 异戊橡胶
表观消费量 （万吨，2013
年数据） 1165 94 1520 115.8 848 117.8
60.4
125.9 170.7 160 410
进口依存 度
70% 62% 51% 50% 43% 41%
40%
Ethylene Propylene Butadiene Aromatics Functionalised C3-Compounds
Methane
Availability from fossil sources
是否为生物基路线带来了机遇?
11
生物基丙烯路线
Metathesis
丙烯
乙烯
+
2-丁烯
丁烷
De-Hydrogenation
1-丁烯
Oxidative Dehydrogenation
Dehydration
2,3-Butandiol
葡萄糖
Fermentation
Source: B. Kim, H. Park, D. Na, S.Y. Lee, Biotechnology Journal 2014, 9 15
丙烯的其他合成路线
甲烷
Gasification
合成气
Metathesis
汽油
Fluid Catalytic Cracking
甲醇
MtO
丙烯
丙烷
De-Hydrogenation
精制压力大，废液排放多
液氨，冷冻盐水
丙烯酰胺
底物耐受性差：
底物浓度一般为0.1％以下
副产物减少86％； 水合温度提高到室温；
产物耐受性差：
产物浓度一般为28％(280g/L)
底物/产物耐受性提高2-3倍
催化机 结理构设 耐热计改造
全局转录 转座调子控敲除 副产物调阻控断调控
碳氢化合物来源
Natural gas