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