第七章 生物基大宗化学品
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第七章 生物基大宗化学品
1. 背景
2. 产品
3. 实例
化石原料变更趋势
以生物质为原料的化学工业是可持续发展的必然趋势
Why Biobased
Why Biobased
我国在世界CO2排放中的比例
(%)
30 25
20
15 10 5 0 1990 2000 2010 2020 2030 2050 2075
维生素B2的生产（BASF公司）
传统方法
8步化学合成 低
生物法
影响 环境和经济分析
生物法
1步发酵
环境 因子
高
传统方法
高
低
• 废水减少66％； • 废气减少50％；
成本
• 成本降低50％。
先锋霉素的生产（DSM公司）
传统方法
10步生物化学过程
生物法
发酵和酶法结合
原材料成本降低65％； 能耗降低65％；
“TOP 12” Value-added Building Blocks
C3
3-Hydroxy Propionic acid; Glycerol 3-Hydroxybutyrolactone; Aspartic acid; Levulinic acid; 1,4-Diacids(succinic, fumaric and malic acids) Glutamic acid; Xylitol
（2）Succinic Acid Chemicals to Derivatives
丁二酸：重要的C4平台化合物
固定CO2
玉米、大麦、木材 可再生资源
淀粉/葡萄糖
丁二酸
C6H12O6+ CO2
C4H6O4
利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄 糖理论质量收率为131%。
丁二酸的前景
生物合成丁二酸的方法可减少 250 多种苯基化学制品的生
2100
化石经济付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）。
生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点， 是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料。
发展工业生物技术的公司
• • • • • • • • • • •
Avecia Baxenden Billiton Biochemie (Novartis) Cargill Dow Cereol Ciba Domtar DSM ICPET BASF
93 70 21 184 1540
6.8 13.2 12.0 6.2 10.3
2009年中国发酵行业产值超过1600亿元，同比增长14.3%
2005-2009年中国白酒的产量及销售额
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2005年 2006年 2007年 2008年 349 404 741 495 971 654 1086 产量（万吨） 销售额（亿元） 1412
这些特性显示出PTT美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合 成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程 热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此PTT将成为PET、PBT、 尼龙66等聚合物的强劲竞争对手。
PTT纤维（DuPont’s Sorona 3GT polymer 4.5万吨 ） 能耗降低25% 2020年达100万吨/年
Iogen Leykam M-I, BP Amoco Mitsubishi Rayon Oji Paper Paques (Budel Zinc, Pasfrost Roche Tanabe Seiyaku Windel Degussa Dupont
工业生物技术产品 生物基化学品
万吨
50
0
玉米炼制联产化学品、生物材料系统
高纯度乙烯 酒精发酵 乙醇 乙烯（重大石化产品原料替代） 聚乙烯
CO2
糖 丁二酸发酵
丁二酸二乙醇酯
玉米
丁二酸
醋酸
醋酸乙烯
玉米油
－丁内酯
四氢呋喃
1,4-丁二醇
PBS塑料
聚乳酸 乳酸发酵 乳酸
丙烯酸
乳酸——重要C3平台化合物
聚乳酸
发酵 糖
乳酸
催化脱水
丙烯酸
精细化学品
传统方法
生物法
10步化学合成
1步发酵+酶法
1,3丙二醇
大宗化学品
传统方法
化学法
生物法
工程菌发酵
原料降低37% 能耗降低30% CO2减排63%
资料来自EuropaBio主席Sijbesma F报告
生物基化学品—传统化工行业可持续发展的保障
化工园区污染严重， 面临搬迁技改
原料供给不足
成本降低50％。
生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本 国策的必然选择
丙烯酰胺
大宗化学品
传统方法
硫酸或铜催化水合
生物法 全细胞催化
蒸汽降低80％ 电耗降低67％ CO2降低80％ 原料降低8 ％ 质量显著提升 废水降低65％ 能耗降低65％ 成本降低5Βιβλιοθήκη Baidu％
头孢菌素
衣康酸
酒石酸 香料 苹果酸 乙醇 长链二元酸
6.0
3.0 1.5 20.0 2400 1.0
谷氨酸和柠檬酸产量世界第一，维生素C占世界 总产量的40％。
中国与世界生物发酵产品技术指标比较
国内水平 产品 Glutamic acid Lysine Lactic acid Itaconic acid Citric acid Amylase Protease Saccharifying enzyme Conc.(%) 12-13 8-10 22 7-8 20 500-750 u/ml 20000-25000 u/ml 35000 u/ml Yield(%) 45-55 40-45
欧盟：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%。
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
生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点
杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综 合企业，未来3年将向应用生物技术部门投资5亿美元，并将 2010年销售额的25%定位于生物质产品。 欧洲BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche等大型跨国公司已 纷纷转向工业生物技术领域，并已有产品投放市场。 Dowpharma，Cambrex和Archimica等精细化工公司，主要通过 收购其他相关公司来大幅度增强其生物催化研发能力。 IBM、Microsoft等IT巨头也纷纷涉足生物技术的研究与开发 Amano Enzyme, Codexis ， BioCatalytics, Novozymes ， Bioverdent等大型跨国公司十分关注中国市场的开发，纷纷 在我国设立以生物制造为核心技术的分支研发机构或工厂， 必将对我国新兴生物制造产业形成新一轮的冲击。
（6）Glutamic Acid（谷氨酸）
（7）Itaconic Acid
Itaconic Acid（衣康酸）
（8）Levulinic Acid
果糖转化为LEVA
60000-89000 u/ml
2000-2500 mg/L
中国发酵工业主要产品产量情况
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 590 710 820 1266 1300 1540
4527
产量（万吨）
20 04 年
20 05 年
20 06 年
1848
707
2009年
中国啤酒的产量及销售额
7000 6000 5000 4000 3189 3000 2000 1000 0 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2020年 860 977 1031 1106 1142 1618 3622 3824 4103 4236 产量（万吨） 销售额（亿元） 6000
生物能源
生物基材料
生物基化学品正成为全球战略性新兴产业
生物基产品占石化产品总额从2000年的不到1%，增长到2008年的6%， 并每年以高于30%的速度增长，生物基塑料更是以38%的速度增长。 OECD预测：至2030年，将有35%化学品和其它工业产品来自生物制造。 美国：到2030年替代25%有机化学品和20%的石油燃料。
技术水平低 生产成本高
国际水平 Conc.(%) 15-18 15-16 25 12-14 25 1000-1100 u/ml 25000-30000 u/ml 50000 u/ml Yield(%) 60-65 60
Penicillin G
Vitamin B2
60000 u/ml
1000-1200 mg/L
生物可降 解塑料
Cargill – Developed PLA Process
2001年Cargill Dow公司年产聚乳酸14万吨的工厂投产。 2020年世界聚乳酸需求量每年达1150～2300万吨。
生物基丙烯酸
发酵
乳酸
脱 水
丙烯酸
多步反应
2010年丙烯酸需求量达到116万吨
1,3-丙二醇
1,3-丙二醇
20 07 年
20 08 年
20 09 年
20 20 年
(预 计
)
2009年中国发酵行业各类产品产量
序号 1 2 3 分类 产量（万吨） 同比增长量（%） 304 12.6 128 6.4 740 10.7
4 5 6 7 8
氨基酸行业 有机酸行业 淀粉糖行业 多元醇行业 酶制剂行业 酵母行业 特种功能发酵制品 总计
世界啤酒产量：18110万吨
中国酱油和醋产量居世界第一
500 450 400 350 300 276 328 452
万吨
250 200 150 100 50 0 2007年 2008年 2009年
中国酱 油产量
300 250 248 250
250 200
200
150
100
中国醋 产量
2005年 2006年 2007年 2008年
产和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商 品市场，总量将达 400 万吨。
C4大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、-丁内酯等的市场需求超 过200亿元/年。
（3）2,5-Furandicarboxylic Acid
果糖转化为FDCA
（4）Aspartic Acid（天门冬氨酸）
（5）Glucaric Acid（葡糖二酸）
优势：清洁、 低能耗、可再 生 、低碳
生物制造产业发展 迎来历史机遇
传统化工行业
产业转型
绿色生物产业
第七章 生物基大宗化学品
1. 背景
2. 产品
3. 实例
重要生物基化学品的市场份额
类别 产品 销售额 (billion $)
醇 有机酸
氨基酸 维生素 医药化学品 专有化学品
乙醇 柠檬酸
谷氨酸 赖氨酸 VC VB2 药物中间体 酶 香料
PTT
聚二甲苯丙二酯 PTT
一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚对 苯二甲酸丁二酯（PBT）相比具有更优良的特性。
尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈 现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性， 抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等。
1mol 葡萄糖可以生成 2mol乳酸，理论上 1 吨糖可得 1 吨 乳酸，实际转化率可以达到 90－ 95％。
乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料
可再生资源
乳酸
聚乳酸
聚乳酸 • 良好的机械性能和物理性能——纺织品 • 良好的生物可降解性——包装材料 • 良好的生物相容性——医药领域
生物相容 性材料
Top Value Added Chemicals from Biomass
生物基平台化合物
Initial Screening to the Top 30 from 300+ Potential Biobased Compounds
Selected Sugar-derived Chemicals
15.0 2.0
1.5 1.0 1.0 0.3 7.5 2.0 1.5 目前生物基化 学品已占 各类产品总销 售额的6%。
中国的生物基化学品产业
产品 谷氨酸 产量 (kt/a) 1000 产品 乳酸 产量 (kt/a) 50.0
丙氨酸
赖氨酸 苯丙氨酸 柠檬酸 Vc 丙烯酰胺
10.0
50.0 2.0 360.0 50.0 100.0
C4
C5 Biorefinery
Itaconic acid;
C6
2,5-FuranDicarbolic acid; Glucaric acid; Sorbitol
（1）3-Hydroxypropionic Acid
3-Hydroxypropionic Acid
3-Hydroxypropionic Acid
1. 背景
2. 产品
3. 实例
化石原料变更趋势
以生物质为原料的化学工业是可持续发展的必然趋势
Why Biobased
Why Biobased
我国在世界CO2排放中的比例
(%)
30 25
20
15 10 5 0 1990 2000 2010 2020 2030 2050 2075
维生素B2的生产（BASF公司）
传统方法
8步化学合成 低
生物法
影响 环境和经济分析
生物法
1步发酵
环境 因子
高
传统方法
高
低
• 废水减少66％； • 废气减少50％；
成本
• 成本降低50％。
先锋霉素的生产（DSM公司）
传统方法
10步生物化学过程
生物法
发酵和酶法结合
原材料成本降低65％； 能耗降低65％；
“TOP 12” Value-added Building Blocks
C3
3-Hydroxy Propionic acid; Glycerol 3-Hydroxybutyrolactone; Aspartic acid; Levulinic acid; 1,4-Diacids(succinic, fumaric and malic acids) Glutamic acid; Xylitol
（2）Succinic Acid Chemicals to Derivatives
丁二酸：重要的C4平台化合物
固定CO2
玉米、大麦、木材 可再生资源
淀粉/葡萄糖
丁二酸
C6H12O6+ CO2
C4H6O4
利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄 糖理论质量收率为131%。
丁二酸的前景
生物合成丁二酸的方法可减少 250 多种苯基化学制品的生
2100
化石经济付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）。
生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点， 是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料。
发展工业生物技术的公司
• • • • • • • • • • •
Avecia Baxenden Billiton Biochemie (Novartis) Cargill Dow Cereol Ciba Domtar DSM ICPET BASF
93 70 21 184 1540
6.8 13.2 12.0 6.2 10.3
2009年中国发酵行业产值超过1600亿元，同比增长14.3%
2005-2009年中国白酒的产量及销售额
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2005年 2006年 2007年 2008年 349 404 741 495 971 654 1086 产量（万吨） 销售额（亿元） 1412
这些特性显示出PTT美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合 成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程 热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此PTT将成为PET、PBT、 尼龙66等聚合物的强劲竞争对手。
PTT纤维（DuPont’s Sorona 3GT polymer 4.5万吨 ） 能耗降低25% 2020年达100万吨/年
Iogen Leykam M-I, BP Amoco Mitsubishi Rayon Oji Paper Paques (Budel Zinc, Pasfrost Roche Tanabe Seiyaku Windel Degussa Dupont
工业生物技术产品 生物基化学品
万吨
50
0
玉米炼制联产化学品、生物材料系统
高纯度乙烯 酒精发酵 乙醇 乙烯（重大石化产品原料替代） 聚乙烯
CO2
糖 丁二酸发酵
丁二酸二乙醇酯
玉米
丁二酸
醋酸
醋酸乙烯
玉米油
－丁内酯
四氢呋喃
1,4-丁二醇
PBS塑料
聚乳酸 乳酸发酵 乳酸
丙烯酸
乳酸——重要C3平台化合物
聚乳酸
发酵 糖
乳酸
催化脱水
丙烯酸
精细化学品
传统方法
生物法
10步化学合成
1步发酵+酶法
1,3丙二醇
大宗化学品
传统方法
化学法
生物法
工程菌发酵
原料降低37% 能耗降低30% CO2减排63%
资料来自EuropaBio主席Sijbesma F报告
生物基化学品—传统化工行业可持续发展的保障
化工园区污染严重， 面临搬迁技改
原料供给不足
成本降低50％。
生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本 国策的必然选择
丙烯酰胺
大宗化学品
传统方法
硫酸或铜催化水合
生物法 全细胞催化
蒸汽降低80％ 电耗降低67％ CO2降低80％ 原料降低8 ％ 质量显著提升 废水降低65％ 能耗降低65％ 成本降低5Βιβλιοθήκη Baidu％
头孢菌素
衣康酸
酒石酸 香料 苹果酸 乙醇 长链二元酸
6.0
3.0 1.5 20.0 2400 1.0
谷氨酸和柠檬酸产量世界第一，维生素C占世界 总产量的40％。
中国与世界生物发酵产品技术指标比较
国内水平 产品 Glutamic acid Lysine Lactic acid Itaconic acid Citric acid Amylase Protease Saccharifying enzyme Conc.(%) 12-13 8-10 22 7-8 20 500-750 u/ml 20000-25000 u/ml 35000 u/ml Yield(%) 45-55 40-45
欧盟：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%。
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
生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点
杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综 合企业，未来3年将向应用生物技术部门投资5亿美元，并将 2010年销售额的25%定位于生物质产品。 欧洲BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche等大型跨国公司已 纷纷转向工业生物技术领域，并已有产品投放市场。 Dowpharma，Cambrex和Archimica等精细化工公司，主要通过 收购其他相关公司来大幅度增强其生物催化研发能力。 IBM、Microsoft等IT巨头也纷纷涉足生物技术的研究与开发 Amano Enzyme, Codexis ， BioCatalytics, Novozymes ， Bioverdent等大型跨国公司十分关注中国市场的开发，纷纷 在我国设立以生物制造为核心技术的分支研发机构或工厂， 必将对我国新兴生物制造产业形成新一轮的冲击。
（6）Glutamic Acid（谷氨酸）
（7）Itaconic Acid
Itaconic Acid（衣康酸）
（8）Levulinic Acid
果糖转化为LEVA
60000-89000 u/ml
2000-2500 mg/L
中国发酵工业主要产品产量情况
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 590 710 820 1266 1300 1540
4527
产量（万吨）
20 04 年
20 05 年
20 06 年
1848
707
2009年
中国啤酒的产量及销售额
7000 6000 5000 4000 3189 3000 2000 1000 0 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年 2020年 860 977 1031 1106 1142 1618 3622 3824 4103 4236 产量（万吨） 销售额（亿元） 6000
生物能源
生物基材料
生物基化学品正成为全球战略性新兴产业
生物基产品占石化产品总额从2000年的不到1%，增长到2008年的6%， 并每年以高于30%的速度增长，生物基塑料更是以38%的速度增长。 OECD预测：至2030年，将有35%化学品和其它工业产品来自生物制造。 美国：到2030年替代25%有机化学品和20%的石油燃料。
技术水平低 生产成本高
国际水平 Conc.(%) 15-18 15-16 25 12-14 25 1000-1100 u/ml 25000-30000 u/ml 50000 u/ml Yield(%) 60-65 60
Penicillin G
Vitamin B2
60000 u/ml
1000-1200 mg/L
生物可降 解塑料
Cargill – Developed PLA Process
2001年Cargill Dow公司年产聚乳酸14万吨的工厂投产。 2020年世界聚乳酸需求量每年达1150～2300万吨。
生物基丙烯酸
发酵
乳酸
脱 水
丙烯酸
多步反应
2010年丙烯酸需求量达到116万吨
1,3-丙二醇
1,3-丙二醇
20 07 年
20 08 年
20 09 年
20 20 年
(预 计
)
2009年中国发酵行业各类产品产量
序号 1 2 3 分类 产量（万吨） 同比增长量（%） 304 12.6 128 6.4 740 10.7
4 5 6 7 8
氨基酸行业 有机酸行业 淀粉糖行业 多元醇行业 酶制剂行业 酵母行业 特种功能发酵制品 总计
世界啤酒产量：18110万吨
中国酱油和醋产量居世界第一
500 450 400 350 300 276 328 452
万吨
250 200 150 100 50 0 2007年 2008年 2009年
中国酱 油产量
300 250 248 250
250 200
200
150
100
中国醋 产量
2005年 2006年 2007年 2008年
产和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商 品市场，总量将达 400 万吨。
C4大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、-丁内酯等的市场需求超 过200亿元/年。
（3）2,5-Furandicarboxylic Acid
果糖转化为FDCA
（4）Aspartic Acid（天门冬氨酸）
（5）Glucaric Acid（葡糖二酸）
优势：清洁、 低能耗、可再 生 、低碳
生物制造产业发展 迎来历史机遇
传统化工行业
产业转型
绿色生物产业
第七章 生物基大宗化学品
1. 背景
2. 产品
3. 实例
重要生物基化学品的市场份额
类别 产品 销售额 (billion $)
醇 有机酸
氨基酸 维生素 医药化学品 专有化学品
乙醇 柠檬酸
谷氨酸 赖氨酸 VC VB2 药物中间体 酶 香料
PTT
聚二甲苯丙二酯 PTT
一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚对 苯二甲酸丁二酯（PBT）相比具有更优良的特性。
尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈 现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性， 抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等。
1mol 葡萄糖可以生成 2mol乳酸，理论上 1 吨糖可得 1 吨 乳酸，实际转化率可以达到 90－ 95％。
乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料
可再生资源
乳酸
聚乳酸
聚乳酸 • 良好的机械性能和物理性能——纺织品 • 良好的生物可降解性——包装材料 • 良好的生物相容性——医药领域
生物相容 性材料
Top Value Added Chemicals from Biomass
生物基平台化合物
Initial Screening to the Top 30 from 300+ Potential Biobased Compounds
Selected Sugar-derived Chemicals
15.0 2.0
1.5 1.0 1.0 0.3 7.5 2.0 1.5 目前生物基化 学品已占 各类产品总销 售额的6%。
中国的生物基化学品产业
产品 谷氨酸 产量 (kt/a) 1000 产品 乳酸 产量 (kt/a) 50.0
丙氨酸
赖氨酸 苯丙氨酸 柠檬酸 Vc 丙烯酰胺
10.0
50.0 2.0 360.0 50.0 100.0
C4
C5 Biorefinery
Itaconic acid;
C6
2,5-FuranDicarbolic acid; Glucaric acid; Sorbitol
（1）3-Hydroxypropionic Acid
3-Hydroxypropionic Acid
3-Hydroxypropionic Acid