“纤维素乙醇产业化关键技术研究及示范”项目通过验收

中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员主持的中国科学院知识创新工程重要方向项目“纤维素乙醇产业化关键技术研究及示范”以工艺工程一体化研究的总体思路为指导,通过多学科交叉和多种高新技术集成,创立了具有完全自主知识产权的经济合理的秸秆发酵燃料乙醇产业化关键新技术,实现了3000t／a秸秆酶解发酵燃料乙醇示范生产线的连续稳定运转,并使秸秆乙醇的综合成本达到5200元／t,促进了粮食发酵燃料乙醇的经济竞争能力。     

纤维素乙醇产业化的突破口——集成就地产酶工艺的多联产生物精炼

纤维素乙醇产业化在可再生资源利用、环境污染控制、农业产业链延伸、农村经济发展、农民就业等方面均可发挥重大作用。但由于生产成本仍然偏高,至今未能实现大规模的产业化。把集成了就地产酶过程的多联产生物精炼技术选择为实现纤维素乙醇大规模产业化的突破口,可以大幅度降低酶解产糖的用酶成本。同时,引进精炼概念,提高了纤维素乙醇生产与同类粮食和石油产品的经济竞争力。玉米芯生物精炼联产木糖产品-乙醇-木质素工艺技术,成功实现了纤维素乙醇工业化生产,最近正在合作开发秸秆生物精炼联产纸浆-乙醇-黄腐酸肥新技术,有望实现更大规模的工业生产。     

逼近玉米乙醇指标的先进纤维素乙醇技术

纤维素乙醇产业化的唯一出路是降低综合生产成本至玉米乙醇的盈利水平,实现对玉米乙醇的替代。目前纤维素乙醇技术已经到了一个技术突破和产业化应用的拐点。最先进的纤维素乙醇技术的各项技术指标以及关键的废水排放指标已经接近成熟的玉米乙醇技术水平,并产生大量盈余电力上网。纤维素乙醇的综合生产成本也已经与玉米乙醇接近,具备了与玉米乙醇进行市场竞争的潜力。我国的纤维素乙醇产业化仍然面临着诸如原料收集供应模式不成熟、投资门槛高、工程实践不足等严峻挑战。     

纤维素乙醇工程化探讨

出于对能源安全、大气污染的担忧以及促进农村经济发展的考虑,世界许多国家使用乙醇作为含氧添加剂或交通运输燃料来替代汽油。纤维素乙醇生产原料丰富,且具有明显的低碳排放特性而备受关注。随着全球范围内几套大型纤维素乙醇示范装置的相继试车,工程化问题将得到解决,并有望在2015-2016年完成装置的经济性考核,逐步进入商业化阶段。为避免原料"与人争粮,与粮争地",1代燃料乙醇将逐步向2代纤维素乙醇过渡。本文在综述近期国内外纤维素乙醇产业化概况的基础上,从化学工程和生物工程的角度对预处理、酶制剂及酶解工艺、戊糖/己糖共发酵菌株及工艺、装备等几个方面的技术进展进行剖析,讨论了工程化遇到的主要问题,探讨了我国纤维素乙醇技术的发展方向。     

木质纤维素资源生物精炼技术研究进展

开发利用可再生性的木质纤维素资源来生产液体燃料和大宗化学品,对于解决人类发展面临的资源与环境危机具有重要的意义。然而,作为其代表性工艺的纤维素乙醇生产却因为经济上无法过关而迟迟不能真正实现产业化。采用生物精炼技术,充分利用木质纤维素材料中各种组分,生产包括部分高值产品的多种产品,是克服其转化技术产业化经济可行性问题的有效措施。综述了木质纤维素原料生物精炼技术的研究发展现状,着重阐述了玉米芯的生物精炼技术产业化进展,并对木质纤维素的生物精炼前景进行了展望。     

大力推动纤维素乙醇产业化发展--访山东大学生命科学学院院长曲音波教授

《生物产业技术》：全世界各主要国家都在大力推动研发纤维素乙醇,从纤维素乙醇产业化进程看,我国纤维素乙醇产业化处于一个什么样的位置,目前发展情况如何？曲音波：纤维素乙醇研发工作在全世界都受到重视,即使像美国那样粮食和土地资源非常丰富的国家,也十分重视利用植物纤维原料生产乙醇的工作。     

燃料乙醇非粮化——我国发展纤维乙醇的挑战与对策

在分析国内外燃料乙醇发展状况的基础上阐述了以非粮原料木质纤维素生产燃料乙醇的重要性,着重论述了发展纤维素燃料乙醇所面临的发展机遇和技术挑战,同时对我国纤维乙醇的产业化发展提出了建议。     

我国秸秆分布情况及转化生产燃料乙醇的研究进展

生物燃料乙醇具有较高的辛烷值和良好的抗爆性,是一种优良的可再生能源,以生物燃料乙醇为代表的生物能源是我国战略性新兴产业。2017年我国印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》,方案明确指出力争于2025年实现纤维素乙醇的规模化生产。基于我国国情,对我国农业秸秆分布情况进行分析,并对部分国内研究团队在农作物秸秆转化生产燃料乙醇的研究工作进行了综述。     

生物转化能源草制取纤维素乙醇的研究进展

随着化石燃料的日益枯竭和环境污染的日益加剧,寻找一种绿色能源以代替化石能源成为当今世界迫在眉睫的任务。清洁燃料当中的生物乙醇具有车用价值,可作为化石能源的替代品而受到研究学者的广泛关注。而草本能源植物的生物转化被认为是生物质能源产业化发展的最有效途径之一。能源草作为木质纤维素原料之一,由于其具有生长快,产量高,抗性强等优势而备受瞩目。详细论述了近期国内外以能源草为底物进行纤维素乙醇的生物转化研究进展,从纤维素原料预处理到乙醇发酵工艺等各方面的进展及存在的问题,并对木质纤维素制取生物质能源的生物转化效率,以及全纤维素组分的多级利用进行了简单阐述,以期找出一条产业化生产纤维素乙醇的最优生产模式。     

章丘圣泉利用玉米秸秆造乙醇取得重大突破

随着乙醇汽油的推广,市民对乙醇的认知度也越来越高。与众多国内企业利用玉米造乙醇不同,章丘一家企业则在研究玉米秸秆造乙醇上取得了突破,被农民废弃的秸秆将成制造乙醇的原料。章丘圣泉与清华大学展开全面技术合作,通过原创和引进相结合的方式,研发以糠醛渣为原料生产纤维素乙醇的技术,现在已取得了阶段性成果,计划于今年10月份前完成小试,年底前完成中试,明年完成5万t乙醇生产项目的建设。     

燃料乙醇的发展现状分析及前景展望

随着社会经济的高速发展,化石燃料不断消耗及其使用过程所带来的能源短缺、环境污染等问题日益凸显,寻找新的绿色可再生替代能源迫在眉睫。燃料乙醇作为资源丰富、积炭少、可减排温室气体及使用方便的优良燃油品质改善剂及清洁可再生能源,已成为国内外关注并推广使用的绿色燃料。主要对燃料乙醇生产技术的发展进行了综述,重点对燃料乙醇发展历程中各阶段乙醇生产的原料来源、工艺技术进行了论述,讨论了各代燃料乙醇生产过程中所遇到的瓶颈问题,并对其发展趋势进行了展望。目前,燃料乙醇的生产技术主要经历了三代发展,第一代以玉米等糖质和淀粉质粮食作物为原料的乙醇发酵已经实现商业化生产,虽然工艺成熟,但存在粮食安全问题;第二代以农作物秸秆等废弃植物纤维为原料的乙醇生产目前已具备产业化示范条件,其原料来源广泛,转化技术不断提高,最有发展前景;第三代以藻类等绿色植物为原料的燃料乙醇正处于研发阶段,是未来发展的希望。在燃料乙醇生产技术发展过程论述的基础上,讨论了目前其主要技术瓶颈及发展趋势,旨在为燃料乙醇生产的产业化、经济化及可持续化发展提供相关的理论依据。     

纤维素乙醇工业化的必由之路——组合生物精炼

虽然历经无数科技人员数十年的艰苦研发,秸秆类木质纤维素资源转化燃料乙醇的生产技术至今未能真正实现大规模的工业化。究其原因,除在一些关键核心技术方面仍需要取得突破外,还需要实现跨学科、跨领域的集成创新,通过集成构建原料收储运系统、绿色预处理无害化分离原料组分、就地高效生产专用高性能酶系、高值化利用生物质各组分、整合一代二代乙醇工艺和设施等,开发出无缝连接的组合型生物质精炼成套工艺、成熟装备和整体工业化方案,加上国家对新兴绿色循环经济产业的稳定扶植,才能使纤维素乙醇工业真正具有经济上的竞争力,并逐步发展成产品多样的可再生生物质资源集成精炼的大型产业。     

木质纤维素固态酶解过程强化研究进展

高糖浓度、高乙醇发酵浓度、低分离成本及低废水排放是木质纤维素乙醇工业化的必然要求,木质纤维素固态酶解能够满足这一要求。但木质纤维素固态酶解过程仍然存在一些问题,需要从关键技术上实现新突破。文章综述了固态酶解过程抑制物效应,体系流变学性质变化和物质传递效率等问题;探讨了过程强化技术,提出强化固态酶解效率的新策略;介绍了固态酶解新型反应器及中试技术平台,并展望了木质纤维素固态酶解技术发展趋势。     

以玉米秸秆为原料同步糖化发酵生产燃料乙醇

以玉米秸秆为原料,经酸法预处理后,采用同步糖化发酵SSF工艺生产燃料乙醇。正交试验获得的最佳体系为:培养温度34℃、发酵pH值5.5、发酵的液固比8:1、当发酵108h后,乙醇浓度可达8.33g/L。该实验为纤维质燃料乙醇的产业化生产提供技术依据。     

纤维素乙醇的生物炼制及研究进展

纤维素乙醇是以农业废弃生物质中的纤维素为主要原料、通过微生物发酵转化而成的生物燃料产品。作为一种绿色可再生替代能源,纤维素乙醇具有显著的能量收益和碳减排效益,对保障我国可持续发展、能源安全以及环境友好意义重大。然而,纤维素乙醇的生物炼制过程面临着难点和挑战。本文围绕纤维素原料及其预处理、纤维素酶水解和纤维素乙醇发酵工艺3个方面,介绍纤维素乙醇生物炼制的工艺流程及特征,剖析纤维素乙醇生产的主要技术瓶颈,并基于菌株抑制物胁迫耐性、碳源利用以及乙醇合成强化3个方面,总结了近年来纤维素乙醇生物炼制的研究进展,最后对纤维素乙醇未来的研究重点和发展前景进行了展望。     

低水用量约束条件下的高固体含量纤维乙醇生物加工技术策略

木质纤维素原料生物转化生产纤维乙醇需要使用大量的水和蒸汽,从而使过程能耗和废水排放显著增加,大幅度增加了加工成本。最大限度地降低水和蒸汽用量对过程节能和废水减排并对最终成本控制极为重要。对极限低水用量约束条件下木质纤维素生物转化关键路径进行了实验研究和计算分析,确定了极低水和蒸汽用量的新型预处理技术,实现高效率预处理过程的废水零排放;采用独特的生物脱毒技术,用从自然界筛选的煤油霉菌Amorphotheca resinae ZN1对预处理原料中的抑制物进行了快速生物脱毒;对极限高固体含量下高粘度多相流物系在复杂抑制物胁迫下的酶水解与发酵行为以及放大准则进行了研究;建立了基于Aspen plus平台上的生物质加工物性数据库和严格热力学意义上的全过程流程模拟数学模型,实现了对过程的局部和全局设计与调优。这一综合技术在生物炼制微型工厂中进行了测试,并在纤维素乙醇工业示范装置中得到了应用。该研究结果将为构建具有工业实用价值的节能和清洁化木质纤维素生物转化技术提供依据。     

纤维素乙醇生命周期能量效益评价

利用生命周期评价方法,按照原料生产、原料运输、纤维素乙醇生产、纤维素乙醇运输、纤维素乙醇燃烧(使用)5个单元过程,对纤维素乙醇成套技术进行能量效益评价。结果表明净能量盈余为0.2488t标煤/t纤维素乙醇。因此,从能量效益的角度分析,该纤维素乙醇生产装置具有可行性。     

木质纤维素乙醇关键技术研究进展

人类社会对能源供给和环境保护的需求推动了燃料乙醇产业的快速发展。以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇已成为生物能源研究的主流。但是由于技术和经济性的限制,纤维素乙醇未能实现大规模商业化应用。与淀粉原料相比较,木质纤维素原料的预处理、酶解、发酵等重要环节尚有众多瓶颈问题亟待解决,需要持续的技术革新来降低纤维素乙醇生产成本。回顾了近年来纤维素乙醇生产工艺中关键技术的进展,以期为领域内研究者提供参考。     

适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母的精准构制

以木质纤维素为原料的二代燃料乙醇工业生产对发酵微生物的基本要求,一是可对木质纤维素组分中的全糖发酵,二是对预处理过程产生的毒性物质具有高耐受性。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是具有优良生产性能的传统乙醇发酵生产菌株,是适合包括二代燃料乙醇等生物基化合物转化的理想底盘细胞。近30年来,利用理性代谢工程改造、非理性适应性进化以及新兴起的合成生物学等策略,对酿酒酵母进行精准构制,极大地提高了其二代燃料乙醇生产的产业化性能。综述了适于二代燃料乙醇生产酿酒酵母精准构制过程中的己糖和戊糖代谢途径工程、辅酶工程、糖转运蛋白、抗性元件发掘以及产业化推进等方面的研究进展。     

混合糖发酵重组酿酒酵母的菌株构建和菊芋秸秆同步糖化发酵研究

【目的】构建可用于纤维素乙醇高效生产的混合糖发酵重组酿酒酵母菌株,并利用菊芋秸秆为原料进行乙醇发酵。【方法】筛选在木糖中生长较好的酿酒酵母YB-2625作为宿主菌,构建木糖共代谢菌株YB-2625 CCX。进一步通过r DNA位点多拷贝整合的方式,以YB-2625 CCX为出发菌株构建木糖脱氢酶过表达菌株,并筛选得到优势菌株YB-73。采用同步糖化发酵策略研究YB-73的菊芋秸秆发酵性能。【结果】YB-73菌株以90 g/L葡萄糖和30 g/L木糖为碳源进行混合糖发酵,乙醇产量比出发菌株YB-2625 CCX提高了13.9%,副产物木糖醇产率由0.89 g/g降低至0.31 g/g,下降了64.6%。利用重组菌YB-73对菊芋秸秆进行同步糖化发酵,48 h最高乙醇浓度达到6.10%(体积比)。【结论】通过转入木糖代谢途径以及r DNA位点多拷贝整合过表达木糖脱氢酶基因可有效提高菌株木糖发酵性能,并用于菊芋秸秆的纤维素乙醇生产。这是首次报道利用重组酿酒酵母进行菊芋秸秆原料的纤维素乙醇发酵。