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第七讲生物技术概论3a_图文

五、生物技术对基础物质生产的改造 (二)生物技术改造传统化工产业
? 必须发展环境友好的绿色化工产业,而随着现代生物技 术的发展,利用生物技术改造传统化工产业成为可能, 为人类生产和生活提供可持续的化学原料物质基础

生物质化工的重大产品体系

氢气



C1

甲烷、甲醇等

源 、

C2 乙醇、乙酸、乙烯、乙二醇等

高 分



C3

乳酸、丙烯酸、丙二醇等



物 质

糖 C4

丁二酸、富马酸、丁二醇等

材 料

C5

衣康酸、木糖醇等



C6



柠檬酸、山梨醇等





苯、苯酚等





平台化合物——生物基础大宗化学品

1、丙二醇
1,3-丙二醇(1,3-PDO)是生产聚对苯二甲酸丙二醇酯 (PTT)的主要原料。
PTT是一种新型纤维材料,可用于地毯、工程塑料、膜及纺织 业的服装材料等, 是目前化纤新品种开发的热点,100万吨/年
目前主要采用化学合成,最初原料是不可再生的石油,使得 PDO的成本随油价的上升而上升

提高微生物发酵工艺相对于化学合成 工艺的竞争力,必须应用分子生物学、 代谢工程等提高PDO的发酵生产水平, 开发高效率、低成本的提取工艺,采 用比淀粉更廉价的碳源作为代谢底物, 进一步降低成本。
杜邦和杰能科联合开发了以葡萄糖为 底料生产1,3丙二醇的方法,用基因 工程菌,在年产为80吨规模的中试中, 得到的160g/L含1,3丙二醇发酵液。
清华大学和黑龙江合作,已完成用葡 萄糖发酵制1,3丙二醇中试

2、乳酸
乳酸又名2-羟基丙酸是一种重要的多用途有机酸. 乳酸用于食品工业,制药、助染料剂、金属清洁剂、化妆品 乳酸目前最重要的用途是用来合成聚乳酸
主要生产方法有化学合成法与微生物发酵法 化学合成法所用的原料是乙醛和氢氰酸,有巨毒,高成本 微生物发酵法生产乳酸,生产成本低、光学纯度高、安全可靠性好 已经成为生产乳酸的主要方法。
亚洲最大乳酸发酵 生产企业,安徽

C6H12O6 + 2NAD + 2Pi

2CH3CHCOOH + 2ATP
OH 乳酸

为了提高乳酸产率近年来围绕乳酸生产的各个单元过程展开了许 多研究:
如连续发酵、细胞固定化发酵、细胞循环发酵等手段,

其中细胞循环发酵也称原位分离(ISPR)技术,
是利用一定装置(膜+离子交换)让成熟的发酵液流向后处理单 元的同时,使菌体返回生物反应器内继续使用,并适时排除衰老 的细胞,克服了传统发酵工艺中的产物抑制、生产成本高和碳酸 钙对环境污染等缺点,是今后有机酸发酵工业的发展方向

3、丙酸
丙酸是一种主要的精细化工产品和有机合成原料,它 具有低碳羧酸的典型化学性质,可以制备丙酸盐、酯、酰 氯、酰胺和酸酐等。
传统生产丙酸的方法是:乙烯直接羰基合成法,丙烯腈法和丙 烯酸法等。但是这些方法受石油资源的制约
目前微生物发酵生产丙酸已经应用在安全性要求高的食品领域。
在丙酸发酵过程中由于产物浓度的增加而对发酵过程产生 了反馈抑制作用。固定化技术和过程耦合技术在消除产物或副 产物的抑制、提高产物产率和生产效率,是一种值得广泛研究 和推广应用的生产技术。类似于乳酸

4、丁二酸
丁二酸,由于含有两个活泼的亚甲基,因此具有重要 的反应特性,是一种重要的基本有机化工原料及中间体, 主要用于食品、化工、医药等领域。丁二酸可以转化为 1,4-丁二醇、四氢呋喃、γ-丁内酯等重要的四碳基本化 工原料
利用瘤胃菌等厌氧微生物菌种,以农业产物玉米、木薯等 为基本原料进行厌氧发酵生产丁二酸。
由于发酵法生产丁二酸是以可再生糖源(如葡萄糖)和二氧 化碳作为主要原料,因此该法不仅摆脱了对石化原料的依赖,而 且开辟了温室气体二氧化碳利用的新途径。
关键在于开发过程耦合技术,南京工业大学取得了一定的 进展。

5、衣康酸
衣康酸又名亚甲基丁二酸,它是一种用途很广的有机酸, 重 要的有机合成的原料。微生物发酵是制取衣康酸的主要方法。 衣康酸的生产菌种主要属于土曲霉,采用廉价的淀粉、蔗糖、 糖蜜、木屑、稻草等农副产品为原料,经生物发酵制得衣康 酸。
按发酵工艺分有深 层发酵和固定化连 续发酵。今后采用 固定化细胞连续转 化发酵技术

(三)生物材料
生物材料泛指一切与生物体相关的应用性材料或由生 物体合成的材料。 狭义的生物材料指的是生物医用材料。
按其应用: 生物医用材料、与生物合成有关的应用材料。 按生物材料未源:天然生物材料和人工生物材料; 材料学的发展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。 我国在“七五”、“八五”、“九五”和“十五” 都 把生物可降解材料列入重大攻关项目 随着石油价格的不断上涨,生物材料在制造成本上将 与以石油为原料制造的塑料相比更有竞争性。

1、聚羟基脂肪酸酯(PHA)
? PHA是很多微生物合成的一种细胞内聚酯,是一种天然的 高分子生物材料。
? PHA兼具有良好的生物相容性能,生物可降解性和塑料的 热加工性能,与其他可再生资源型塑料如聚乳酸相比,具 有更好的抗热湿气性能,其用途也更广泛,可作为生物医 用材料和生物可降解包装材料,己经成为近年来生物材料 领域最为活跃的研究热点。
? 改良菌种、优化发酵和提取工艺等在内的一系列研究和努 力正在被用来降低PHA的生产成本。如利用重组大肠杆菌 生产PHA,用代谢工程的方法得到更多的PHA合成者。

2、聚乳酸(PLA)
? PLA是由生物发酵生产的乳酸经化学合成而得的聚合物,但 仍保持着良好的生物相容性和生物可降解性,具有与聚酯 相似的防渗透性,同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、清 晰度和加工性。
乳酸聚合生成聚乳酸收率达到0.7, 1.8吨淀粉——1吨聚乳酸

? 聚乳酸可以被加工成各种包装用材料,塑料型材、薄膜,以及 化工产品:纺织业用的无纺布、聚酯纤维等。PLA在生物医用 材料中的应用是广泛的,可用于医用缝合线(无须拆线入), 药物控释载体,骨科固定材料(避免了二次手术),组织工程 支架等。
? 美国Cargill Dow公司首先建立 了一套生产能力为14万吨的聚 乳酸PLA的工厂,日本的Toyota、三井化学集团和Toshiba等 大型跨国公司己经开始把PLA应用于新产品的开发。


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