Яненко А

Промышленные биотехнологии в производстве
новых материалов и биохимикатов
Яненко А.С.
Государственный научный центр
ГосНИИгенетика, Москва
www.genetika.ru
Сахара
Кормовые
добавки
Мономеры
Биохимикаты
Биотопливо
www.genetika.ru
Стоимость
Биомасса
Ферментация
Фарма
Продукты промышленной
биотехнологии: объемы производства
www.genetika.ru
3
Рост биоиндустрии в мире
(без топливного биоэтанола)
3-х кратный рост за последних 5 лет
J.Allen, LUXRESEARCH, 2015
www.genetika.ru
4
Сахара и крахмал остаются
доминирующим сырьем для ПБ
J.Allen, LUXRESEARCH, 2015
www.genetika.ru
5
Конкурентные преимущества РФ в
промышленной биотехнологии
1.  Избыток доступного сахар - содержащего сырья для биотехнологии
В 2014
Валовой сбор составит 104 млн. тонн зерна, в т.ч.:
Ø 
Пшеницы - 59 млн. тонн, при потреблении не более 35 млн.т
Ø 
Кукурузы – свыше 11 млн.тонн.
Ø  Высокий уровень сбора сахарной свеклы. Самая высокая урожайность
за 3 года не менее 436 ц/га
2. Наличие водных и энергоресурсов
3. Наличие трудовых ресурсов
4. Научно-технический потенциал
Пшеница как источник сахаров для ПБ
конкурентоспособна с кукурузой
LMC Int. Starch & Fermentation Analysis, 2013
www.genetika.ru
6
Выбор стратегии для развития
ПБ в России
Основным сырьем для ПБ на ближайшую перспективу (до
2020 г.) в РФ будут являться сахара из зерна и сахарной
свеклы т.е. пищевое сырье
Должны ли мы копировать опыт США по биоэтанолу?
Ø нет достаточных зерновых ресурсов
Ø высокая себестоимость спирта (500-600$ в РФ
против
400$ в США)
Ø социальные препятствия
Выход: кормовые добавки и биохимикаты
www.genetika.ru
Основные группы кормовых
биодобавок
Современные корма содержат более 25 видов кормовых
биодобавок
Незаменимые
аминокислоты
Микроэлементные
комплексы
• Лизин
• Треонин
• Триптофан
• Метионин
Витамины
Ферменты
Пробиотики
Антибиотики
www.genetika.ru
Антиоксиданты
Влияние
лизина и треонина
"
на усвояемость корма свиньями
Привес
(кг массы тела
на
кг корма)
зерно
зерно + лизин
(0,38%)
зерно + лизин +
треонин
(0,38%) (0,23%)
0,19
0,25
0,33
(>1,7!)
(Pichardo et al., 2003)
www.genetika.ru
Российский рынок лизина 120
100
80
60
40
20
Объем импорта, тыс.тонн
10
www.genetika.ru
ль
И
ю
рь
Н
оя
б
ь
яб
р
ь
2014
О
кт
С
ен
тя
бр
вг
ус
т
А
ль
И
ю
И
ю
нь
0
2015
Стоимость в 2014-2015 гг., рублей
Разработка технологии получения
лизина сульфата поддержана
Минобрнауки РФ
Проект «Создание на основе полногеномного анализа и метаболической
инженерии промышленных штаммов микроорганизмов - суперпродуцентов
незаменимых аминокислот и их использование в технологиях производства
кормовых добавок для сельского хозяйства»
Соглашение о предоставлении субсидии №14.626.21.0003 от 17.11.2014
Исполнители:
ФГУП «ГосНИИгенетика
Центр «Биоинженерия» РАН
РХТУ им. Д.И.Менделеева
Индустриальный партнер: ЗАО «Завод премиксов №1», Белгородская обл.
Сроки выполнения: 2014 – 2016.
www.genetika.ru
11
Схема производства лизина на основе
продуктов переработки зерна пшеницы
зерно
помол
мука
отруби
клейковина
глюкозный
сироп
гидролизат
клейковины
штамм-продуцент
www.genetika.ru
крахмал
глюкоза
культуральная
жидкость
лизин
сульфат
H2SO4
сушка
лизин сульфат
Биотехнологический центр по производству
аминокислот, Шебекино
Первый в России завод по производству аминокислот из зерна
пшеницы с помощью ферментации
Мощность завода- 55 тыс.тонн лизина сульфата в год
Уже выпущена первая тысяча тонн!
www.genetika.ru
13
Микроэлементные комплексы – незаменимые
компоненты кормов сельскохозяйственных
животных и птиц
Норма
Co
I
Кобальт
Йод
Дефицит
микроэлементов
Se
Cu
Селен
Медь
Fe
Zn
Железо
Цинк
Mn
Марганец
www.genetika.ru
Нарушения ионного гомеостаза приводят к снижению продуктивности животных и птиц Пути устранения дефицита
микроэлементов
v  Использование неорганических соединений (сульфатов,
оксидов, карбонатов)
для восполнения недостатка
микроэлементов в рационе животных в большинстве
случаев малоэффективны вследствие их низкой
усвояемости (5-30 %).
v  Работы, выполненные сотрудниками
ЗАО «Биоамид»
показали, что микроэлементные комплексы на основе Lаспарагиновой кислоты обладают повышенной
биодоступностью.
v  Г о с Н И И г е н е т и к а с о в м е с т н о с З А О « Б и о а м и д »
разработали биокаталитическую технологию получения
L-аспарагиновой кислоты и микроэлементных
комплексов на её основе
(Работа поддержана Миобрнауки в рамках программы ЕврАзЭС «Инновационные биотехнологии») www.genetika.ru
Пилотная установка производства ОМЭК на ЗАО «Биоамид» (150 т/год)
Мощность достаточна для обогащения
микроэлементами 1,5 млн.тонн кормов
проточный
реактор
насос
соли
микроэлементов
сушка
30°C
термостат
1,7 М фумарат
аммония
www.genetika.ru
сборник
L-аспарагината
аммония
ОМЭК
Эффективность применения ОМЭК на
основе аспарагиновой кислоты
Проведены широкие испытания на
молочных коровах, телятах,
свиньях и птице (бройлеры, несушки и индейки), в т.ч.:
Ø Галичская птицефабрика, Костромская обл.
Ø «РосАгро», 4 птицефабрики, Саратовская обл.
Ø «АвгустАгро», свинокомплекс, Саратовская обл.
Ø «Дамате», индейка, Пензенская обл.
Ø Агрокомбинат «Дзержинский», 180 тыс. бройлеров, Белорусь
Основные результаты:
v Нормы ввода микроэлементов снижены в 10 -15 раз
v  Затраты кормов на 1 кг молока снижаются на 3,5%
v  Прирост живой массы свиней увеличивается на 5,6%
v  Стоимость 1 т премикса для птиц снижается на 12-15%
v Содержание тяжелых металлов снижено в мясе в 2 раза, в помете - 2-3 раза
www.genetika.ru
17
Основные группы кормовых
биодобавок
Современные корма содержат более 25 видов кормовых
биодобавок
Незаменимые
аминокислоты
Микроэлементные
комплексы
• Лизин
• Треонин
• Триптофан
• Метионин
Витамины
Ферменты
Пробиотики
Антибиотики
www.genetika.ru
Антиоксиданты
Промышленная биотехнология
и химия: шаги навстречу
Важнейшие пути проникновения биотехнологий в химию:
Ø Получение традиционных продуктов химии из возобновляемых
источников (кислоты, диолы, спирты)
Ø Получение продуктов, проблемных для органического синтеза
(оптические изомеры, L- и D - молочная кислота)
Ø Н овые продукты, которые получают только с помощью
биотехнологии (паутина, полисахариды, ПГА)
Ø Использование традиционных продуктов биотехнологии в
к ач ес т ве с ы р ь я д л я о р г а н и ч ес ко го с и н т е за ( эт а н ол ,
аминокислоты)
www.genetika.ru
19
Биотехнология vs. Оргсинтез
Research
Development
• Acrylic acid
Succinic acid
• Adipic acid
• BioIsoprene
• Caprolactam
•  3-HPA
• Polyamides
•  1,4-BDO
•  Butanol
Commercial
•  Ethanol
•  Lactic acid
• 1,3 PDO
•  Bioethylene
• PHAs
• Itaconic acid
• Acrylamide
www.genetika.ru
Развитие мирового рынка
янтарной кислоты, 2012 – 2020
www.genetika.ru
Гидролиз акрилонитрила и
сопутствующие реакции
O(CH2CH2CN)2
Genetika
OHCH2CH2CONH2
+AN
2,2`-dicyano diethyl ether
HOCH2CH2CN
3-hydroxypropionitrile
3-hydroxypropioamide
+H2O
+H2O
+H2O
CH2 =CHCN
Acrylonitrile
H2SO4
HN2-CH2-CH2-COOH
β-alanine
www.genetika.ru
Cu
100
0С
CH2=CHCONH2
Acrylamide
+H2O
CH2=CHCOOH + NH3
acrylic acid ammonia
Биотрансформация акрилонитрила в
акриламид с помощью БК-М33
БК
рН 7.6
200С
60
Ко нцент р ация акр ил амида, %
AN
50
40
M8(0.6 г/л)
30
M33(0.4г/л)
20
10
0
0
50% раствор АА
Продуктивность БК >1000 г АА/г БК
Стоимость БК –около 5% от стоимости АА
www.genetika.ru
5
10
В ремя транс ф ормации, ч ас
US 5827699 “Strain of Rhodococcus
rhodochrous as a producer of nitrile
hydratase”
Биокаталитическое получение
акриловых мономеров
Ензиматическая конверсия нитрилов и
амидов
Акриловые мономеры
Ø Aкриламид
Ø Aкриловая кислота
Ø N-замещенные
акриламиды
Полиакриламид
Флокулянты
www.genetika.ru
Завод МСП в Перми
Позитивные перемены Промышленная биотехнология в России в числе приоритетов развития
Ø  Сформированы Технологические Платформы «БиоТех-2030», «Биоэнергетика» и
«Медицина будущего»
Ø  КОМПЛЕКСНАЯ ПРОГРАММА развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года (Био-­‐2020) Утверждена Председателем Правительства В.В.Путиным 24 апреля 2012 Ø  Государственная программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года» Подпрограмма № 18 «Промышленные биотехнологии» Ø 
Постановление Правительства РФ 15.04.2014 №328 Ø  Действует Рабочая группа по развитию биотехнологии под председательством Зам. Председателя Правительства РФ А.В.Дворковича Налицо признаки оживления промышленности Ø  Началась активная фаза по созданию заводов по глубокой переработке зерна
Ø  Воссоздание микробиологических производств получения аминокислот (лизин, треонин и
др.)
Ø  Разрабатываются региональные программы по ПБ и формируются биокластеры
Ø  Приход в российскую биотехнологию мировых гигантов (Evonik)
www.genetika.ru