生物炼制是一个多学科交叉的前沿方向

1982年．生物炼制的概念在《science》上首次被提出。生物炼制．就是说以生物质为基础的化学工业也必须打破原来用生物质单纯生产单一产品的传统观念．充分利用原料中的每一种组分,将其分别转化为不同的产品．实现原料充分利用、产品价值最大化和土地利用效率最大化。目前．生物炼制已经成为世界各国研究的热点．主要内容包括生物材料、生物基化学品、生物能源、生物基原料、生物炼制平台技术等。     

微藻生物炼制研究现状及发展策略

前言 资源短缺和环境污染问题已成为制约世界经济可持续发展的瓶颈.以可再生且环境友好的生物质资源替代化石资源已成为解决资源和环境问题的主要途径之一①,Henry R.Bungay②在1982年针对生物质资源开发与利用提出了生物炼制(Bio-Refinery)这一概念.美国国家可再生能源实验室(U.S.NREL)将生物炼制定义为将生物质原料转化为燃料、电热能和化学产品的生物质转化工艺与设备的集成.生物炼制的原料主要有:含纤维素的生物质和废弃物、谷类或玉米、青草、苜蓿、微藻等.其中微藻是一类在海洋、湖泊等水体中广泛分布的微型植物,能够利用光能固定CO2实现自养,其细胞中含有丰富的油脂、色素、蛋白质、维生素等成分.微藻生物炼制是以微藻为原料,生产各种化学品、燃料、生物基材料和食品等产品的工艺与设备的集成.     

2014生物质炼制专刊序言

生物质是自然界最丰富的含碳有机大分子功能体,它有望通过"生物炼制"实现"石油炼制"的辉煌。但是由于生物质资源本身及其转化过程的复杂性,生物质产业虽备受关注,却被认为是遥远的未来产业。传统的生物质资源化利用思路都是先耗费一定的能量破坏生物质结构,然后再进行转化,不仅没有考虑到产品的功能需求,而且过程的原子经济性不高。如何实现化学键更加复杂的固相木质纤维素生物质炼制是实现生物质产业的关键和难点。理想的生物质炼制的目的是以最大得率分离木质纤维原料中各个组分,以尽可能地保持分子的完整性,最大可能地优化利用和最终实现最大价值。这就要求生物质炼制应当是基于原料结构、过程转化和产品特点三者的关联,面向原料、面向过程、面向产品的炼制过程。本期专刊报道了我国生物质炼制技术领域专家学者在原料炼制、炼制技术、组分转化等领域取得的最新研究进展。     

生物炼制技术及其产业发展

由于过度消耗化石资源引发的石油紧缺和温室效应问题,巳逐步影响到人类社会可持续发展的宗旨,开发能替代化石能源需求的新能源日渐急迫.生物质能源是化石能源的替代能源之一,对生物质能源炼制的研究成为很多人的关注热点.生物炼制产品的工业化,是形成可持续性的生物炼制品产业经济的关键.我国政府已经把发展生物质能源作为国家发展战略的一部分,确定了具体的发展目标,制定了相应的研发计划,出台了一系列法规以促进生物质能产业的健康发展.我国生物炼制技术在生物燃料、生物柴油、生物基化学品等领域取得了明显进步.本文主要综述生物炼制技术的研究进展及其产业发展情况.     

木质纤维素乙醇预处理技术研究进展

<正>生物炼制是非粮生物质利用大规模产业化成败的关键,也是工业生物技术研究和产业化开发的重点领域,受到了广泛的关注和重视。为此,我们特别邀请了山东大学曲音波教授的科研团队,以连载的形式,对非粮生物质生物炼制过程工程的相关技术和产品开发进行解读,主要从生物质原料的预处理、过程相关的酶水解技术以及发酵菌种改良等方面展开,以期读者对非粮生物质生物炼制技术开发及其产业化发展有一个更深入的了解。     

生物质原料预处理、组分分离到结构选择性拆分——生物质原料工程学的发展

在石化资源日益匮乏的严峻形势下,生物质将成为未来新一代生物及化工产业的最理想的替代原料.因此,如何使生物质资源成为生物基能源、生物基化学品和生物基材料的通用原料,成为目前世界各国共同关注的焦点和热点.从生物炼制及生物质科学与工程的发展可以看出,原料预处理是实现生物质高效转化的必要手段,而组分分离-定向转化是原料预处理的进一步提升,它可以实现纤维素、半纤维素和木质素的分别转化,但是仍然存在着原子利用率不高、能耗高、工艺路线复杂等问题.鉴于生物质是一个功能大分子体,要使其成为通用原料,应该根据原料结构特点和产物要求,发展结构化功能高值拆分的转化过程,即原料的选择性结构拆分思路.从原料预处理到组分分离,再到选择性结构拆分,实现了原料工程学的发展与逐步成熟,其最终目的是要真正建立以生物质为通用原料的新型工业技术体系和研究平台.     

发酵工业原料炼制技术体系

要建立节粮、节水、节能和环保的发酵工业,首先面临的是发酵原料的炼制问题。本文通过深入分析发酵工业原料炼制的共性问题,结合多年生物质原料高值化炼制研究基础,提出“发酵工业原料炼制”的理念,根据发酵原料的结构特点和目标产物的要求,将发酵原料预处理——组分分离提升到依据产品功能要求的选择性结构拆分过程,并建立了以汽爆为核心的原料炼制技术平台以及针对淀粉类、糖类、木质纤维素类、生物质水解酸化生产的有机酸、醇类等典型发酵原料的多组分分层多级炼制技术体系范例,为实现资源节约、环境友好的发酵工业提供理论基础与技术支撑。     

运动发酵单胞菌在生物炼制中的研究进展

以木质纤维素生物质为原料的生物炼制技术已成为全球研发的热点和难点。欧盟国家和美国的中长期生物质能源发展路线图中均将木质纤维素生物炼制技术作为重要目标,但是目前整体水平尚处于中试阶段。我国的纤维素类生物质原料非常丰富,将其转化成燃料乙醇及生物基础化学品等具有较大的潜力,但当前要想实现商业化生产,还面临着很多瓶颈问题亟待解决。缺乏能够同时高效利用纤维素类水解物的发酵菌株,已成为纤维素生物质高效与高值转化的关键制约因素。运动发酵单胞菌是目前唯一一种通过ED途径兼性厌氧发酵葡萄糖的微生物,其独特的代谢途径使其成为构建产乙醇工程菌的优选宿主之一;同时由于该菌具有较高的糖利用效率等优点,也是其他生物基化学品生产的重要候选平台微生物,如山梨醇、葡萄糖酸、丁二酸和异丁醇等。本文从该菌的研究历程、分子生物学基础、菌种改良及该菌在生物能源及生物基化学品等生物炼制体系中的应用研究角度进行了综述,并提出该菌可作为纤维素生物质生物炼制系统的新的重要平台微生物。     

微藻生物炼制技术

积极发展以生物质原料为基础的生物炼制产业,对于解决能源危机、改善能源结构具有重大意义。微藻作为一种重要的生物质资源,具有分布广、生物量大、光合效率高、环境适应性强、生长周期短和产量高等突出特点,是进行生物炼制的优良材料,它在生产微藻燃料、开发微藻生物制剂和提取生物活性物质等方面具有广阔的开发前景。综述了微藻的培养特点和功能,介绍了微藻生物炼制技术的内容和领域,并对其发展前景作出展望。     

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。     

利用木质纤维素生产丁醇的研究进展

随着化石燃料的逐年减少,以生物质为原料的生物能源研究近年来成为能源领域的研究热点,充分利用可再生生物质为发展经济的生物燃料生产工艺提供了一个极好的机会。与燃料乙醇和生物柴油相比,生物丁醇更具有优越性,以可再生木质纤维素生物质为原料进行发酵生产丁醇在近年来被广泛的研究。对于利用可再生生物质为原料生产丁醇,需要解决原料的选择、产品收率低、抑制物对生产菌株毒性等问题。本文对以木质纤维素生物质为原料进行生物丁醇发酵过程中的原料预处理、抑制物对丁醇生产菌的影响,以及水解液的脱毒和耐抑制物菌株的选育等方面进行综述,并对以木质纤维素生产燃料丁醇所面临的机遇与问题进行了简要评述。     

中国工业生物技术的历史、现状和未来

生物经济需要构建可再生生物质资源的新型工业模式,即以生物炼制替代化石资源炼制,形成新的生产方式。生物炼制是开拓创新型技术,即采用多联产技术．实现生物质的高效综合利用。是生产能源、材料与化工产品的新型工业模式。工业生物技术是生物炼制的核心技术,是人类生物技术发展史上继医药生物技术、农业生物技术之后的第三次浪潮．     

中国工业生物技术的历史、现状和未来

生物经济需要构建可再生生物质资源的新型工业模式,即以生物炼制替代化石资源炼制,形成新的生产方式。生物炼制是开拓创新型技术,即采用多联产技术．实现生物质的高效综合利用。是生产能源、材料与化工产品的新型工业模式。工业生物技术是生物炼制的核心技术,是人类生物技术发展史上继医药生物技术、农业生物技术之后的第三次浪潮．     

草酸青霉的植物多糖降解酶基因表达调控的研究进展

植物生物质是地球上最丰富的可再生资源,对其生物炼制可生产高附加值的生物基产品。生物炼制需要使用植物多糖降解酶(plant-polysaccharide-degrading enzymes,PPDEs),如纤维素酶、木聚糖酶和生淀粉酶。丝状真菌草酸青霉(Penicillium oxalicum)能分泌完整的具有高活力的植物多糖降解酶,但其产量低限制了大规模生产及应用。草酸青霉中植物多糖降解酶的生物合成受到多种调控因子包括转录因子的严格调控。本文主要介绍在以植物生物质甘蔗渣和木薯生淀粉为原料的生物炼制中,涉及的一些关键微生物方面的问题,如从高产植物多糖降解酶的真菌菌株的筛选、育种,到草酸青霉植物多糖降解酶合成及其基因表达的调控基因的鉴定,以及酶产量提高的工程菌株的构建等,为丝状真菌资源的开发与利用提供理论指导。     

生物炼制的简要回顾与发展前景

生物炼制是许多生物过程的整合．通过生物炼制过程能够制造出食品、衣服、燃料,化学品以及其他能为人类所用的产品。近年来,由于世界性的能源危机．将自然产物向生物燃料的转换已成了焦点话题。但是人们对自然产物的炼制并不属于一项创新．而是历史上第二古老的行业,这一行业涉及生物质向乙醇的转换。笔者在发言中介绍了生物材料向人类有用产品转换的进展情况。     

生物炼制与可再生资源

分析了化石经济时代走入末路而将被生物炼制产业经济取代的必然性,生物炼制在原料来源和产品上显示了比石油炼制工艺的优越性,介绍了世界各国生物炼制产业发展状况及我国的现状,总结了生物炼制的基本过程,指出了我国生物炼制产业发展中存在的问题和对策,对全球生物炼制产业做了展望,阐述了生物炼制利用可再生资源是走可持续性经济发展道路的唯一实现途径,它必将引发全球性的技术变革。     

第二届生物质能源技术国际会议（ICBT2010）在北京成功举办

中国可再生能源学会、中国化工学会、中国石油学会炼制分会、中国生物工程学会、国际生物炼制学会于2010年8月20-23日在北京会议中心主办第二届生物质能源技术国际会议（ICBT2010）,北京化工大学、生物能源与生物基产品产业技术创新战略联盟共同承办。北京化工大学校长王子镐教授致开幕词,北京化工大学副校长谭天伟教授担任本次会议主席。     

基于生物质资源的化工多元醇生物炼制研究进展

介绍了2,3丁二醇、1,2丙二醇和木糖醇等多元醇的主要用途及市场需求,从生产菌株、生产原料、生产方式等方面综述了国内基于生物质资源的2,3丁二醇、1,2丙二醇和木糖醇生物炼制的研究进展。     

生物炼制技术的发展

随着石油资源的日益枯竭,化石经济面临严峻的挑战,而以町再生生物质资源为基础的生物炼制正展现出其广阔的前景。通过石油炼制与生物炼制的对比,分析了生物炼制任各个方面所具有的优势。并以生物乙烯为例,阐述了其发展现状、存在问题及解决途径、未来发展趋势等。     

生物炼制技术的发展

随着石油资源的日益枯竭,化石经济面临严峻的挑战,而以町再生生物质资源为基础的生物炼制正展现出其广阔的前景。通过石油炼制与生物炼制的对比,分析了生物炼制任各个方面所具有的优势。并以生物乙烯为例,阐述了其发展现状、存在问题及解决途径、未来发展趋势等。[编者按]