【正文】 工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊： 中科院上海植物生理研究所等建立了適用于丙丁梭菌隨機突變技術(shù)和高通量篩選方法，獲得了能夠耐受丁醇濃度≥ 19 g/L且溶劑合成能力強的突變株，解析了與溶劑耐受和丁醇合成相關(guān)的分子基礎(chǔ)，構(gòu)建了性能優(yōu)化的工程菌株，總?cè)軇┲卸〈急壤岣?1520%，丁醇對糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到 40%，獲得了能利用木質(zhì)纖維素水解液生產(chǎn)丁醇的工程菌株。 從代謝途徑關(guān)鍵酶基因、啟動子、轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、以及基因組 37 規(guī)模上的隨機突變及重組等角度，研究菌株環(huán)境脅迫耐受性。 預(yù)期目標(biāo)： 研發(fā)出高濃度混合原料生物燃?xì)馍a(chǎn)高效工藝包，進(jìn)料濃度≥10%，容積產(chǎn)氣率≥ ； 開發(fā)生物燃?xì)鈨艋夹g(shù)，凈化后甲烷含量≥ 95%，甲烷回收率≥ 90%， H2S 去除率≥ 95%； 開發(fā)出高效生物燃?xì)夥磻?yīng)裝置 12套； 開發(fā)出沼渣沼液儲存系統(tǒng)，獲得不同生物質(zhì)廢棄物消化后的肥效成分。 研究內(nèi)容： 氫分壓調(diào)控技術(shù) 通過原料和工藝調(diào)控等多途徑對發(fā)酵器內(nèi)的氫分壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，優(yōu)化氫 分壓參數(shù)，從而優(yōu)化厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，提高生物燃?xì)庵械募淄楹俊? 生物燃?xì)獍l(fā)酵過程中小分子有機酸調(diào)節(jié)和控制技術(shù) 分析與乙酸、丙酸、乳酸和丁酸等代謝相關(guān)特征微生物種群和豐度，以及丙酸 /乙酸比值、丁酸濃度與厭氧發(fā)酵過程中甲烷產(chǎn)量的關(guān)系，闡明厭氧發(fā)酵過程中微生物、有機酸代謝和甲烷形成的機制，通過提高微生物耐酸性能及反應(yīng)條件控制等策略建立產(chǎn)酸控制模式。 相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊： 北京化工大學(xué)經(jīng)過多年選育，得到了適合脂肪酸酯的專一性的假絲酵母脂肪酶，獲得國家發(fā)明專利（ ZL ），目前已完 30 成生物柴油用脂肪酶的生產(chǎn)，該脂肪酶是目前國內(nèi)外用于酯化合成性價比最好的脂肪酶，產(chǎn)品質(zhì)量和成本明顯 低于商業(yè)化脂肪酶，在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)了新型酶膜反應(yīng)器及酶固定化方法，成功地用于生物柴油的酶法合成，獲得 20xx年中國石油化工協(xié)會技術(shù)發(fā)明一等獎， 20xx年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。 中科院 大連化物所利用產(chǎn)油微生物轉(zhuǎn)化碳水化合物制取油脂新技術(shù)的 研究也取得良好進(jìn)展 ，目前 正在 開展產(chǎn)油酵母菌的遺傳操作平臺構(gòu)建 和 油脂積累代謝機制 等 方面的工作 。 相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊： 華東理工大學(xué) 和中科院青島能源所等單位在能源微藻低成本培養(yǎng)生產(chǎn)生物柴油領(lǐng)域開展了卓有成效的研究工作，開發(fā) 研制了適宜于藻種培養(yǎng)的平板式和圓柱形二大系列光生物反應(yīng)器，選育了油脂含量高達(dá) 60%的優(yōu)良藻種，在戶外敞開式系統(tǒng)中培養(yǎng) 8天藻細(xì) 胞密度達(dá) 3 g/l以上，藻體油脂含量達(dá) 40%。 創(chuàng)新點和突破點： 闡明預(yù)處理與固相底物之間的構(gòu)效關(guān)系，為解決木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源生產(chǎn)燃料乙醇的源頭問題奠定了基礎(chǔ)； 在解析菌株基因組信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基因工程改造，提高纖維素酶中 纖維二糖酶活性，獲得高效復(fù)合纖維素酶； 在闡明菌株多基因調(diào)控木糖代謝和脅迫反應(yīng)機理基礎(chǔ)上，構(gòu)建抗脅迫的混合糖發(fā)酵菌株，降低纖維素乙醇生產(chǎn)的原料消耗。 22 木糖代謝機制研究和菌株的戊糖己糖共代謝改造 研究樹干畢赤酵母和馬克斯克魯維酵母等高效利用木糖菌株木糖轉(zhuǎn)運，木糖代謝關(guān)鍵途徑和調(diào)控蛋白，揭示其機制，建立乙醇生產(chǎn)菌株中導(dǎo)入木糖代謝途徑的策略，構(gòu)建能高效利用木糖和葡萄糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的混合糖發(fā)酵菌株。 相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊： 清華大學(xué)研究開發(fā)的 一步生物加工甜高粱稈生產(chǎn)乙醇技術(shù)， 在國家“十一五 ” 科技支撐項目支持下 取得良好進(jìn)展，目前已在內(nèi)蒙古 特弘生物有限責(zé)任公司 建立了反應(yīng) 器容積規(guī)模 127 M3 的中試裝置。 創(chuàng)新點和突破點： 采用分子進(jìn)化等酶分子改造方法，對淀粉酶進(jìn)行改性； 19 在闡明高濃度乙醇對抑制酵母細(xì)胞的抑制作用及反應(yīng)機制基礎(chǔ)上，構(gòu)建耐受乙醇濃度 18%（ v/v）以上的菌株。 本項目共設(shè)置 10個課題，現(xiàn)分述如下： 課題 1： 基于酶和菌種改造的 燃料乙醇節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù) 對淀粉酶、糖化酶和酵母菌株進(jìn)行改造， 形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和技術(shù)，使 燃料乙醇生產(chǎn)能耗和成本進(jìn)一步降低。 （二）考核指標(biāo) 提高淀粉質(zhì)原料發(fā)酵終點乙醇濃度和發(fā)酵溫度，使發(fā)酵能耗降低 40%，水耗降低 20%； 提高廢糟液直接循環(huán)比例，促進(jìn)清潔生產(chǎn) 。瑞典把沼氣（ Biogas）凈化后得到甲烷，再壓縮至 200 kg/cm2作為汽車和火車燃料，在南部的 Linkoping 市 76%的公交車和 70%的出租車使用沼氣，全國使用沼氣的轎車已超過 5000 輛，建設(shè)加氣站 70 多個。因此，光自養(yǎng)微藻被認(rèn)為是最有可能替代油料作物，為生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供大宗原料的選擇。 2,3丁二醇是另 一種 潛在 燃料 ，大連理工大學(xué)以秸稈水解液和菊芋水解糖為 底物，發(fā)酵法生產(chǎn) 2,3丁二醇，發(fā)酵終點產(chǎn)物濃度可以達(dá)到 80 g/L 以上，為 2,3丁二醇生物燃料發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。清華大學(xué)和大連理工大學(xué)等單位將甘油生物轉(zhuǎn)化為聚酯原料 1， 3丙二醇，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物柴油與 1， 3丙二醇聯(lián)產(chǎn)技術(shù)及 1， 3丙二醇發(fā)酵與分離耦合節(jié)能減排技術(shù)。 生物柴油技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化 針對我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨油脂資源匱乏的實際情況， 北京化工大學(xué)和中科院大連化學(xué)物理研究所等單位開展了利用微生物油脂的研究工作，篩選獲得了富油微生物菌株，可利用淀粉和味精等行業(yè)廢水、 秸稈水解液 、 菊芋汁 等廉價廣譜原料發(fā)酵生產(chǎn)微生物油脂， 20xx年 10 月通過了由中國石油化工協(xié)會組織的成果鑒定，鑒定意見為：“以含糖廢水生產(chǎn)油脂的中試裝置，總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平”。 高溫乙醇發(fā)酵技術(shù)進(jìn)一步降低燃料乙醇能耗： 酵母乙醇發(fā)酵一般在 30?32?C 下進(jìn)行，而循環(huán)冷卻水在夏季高溫季節(jié)無法達(dá)到冷卻發(fā)酵裝置需要的溫度，燃料乙醇裝置只能采用投資大且運行能耗高的制冷系統(tǒng)制備低溫水來保持正常運行，高溫發(fā)酵是解決這一問題的唯一選擇，目前國內(nèi)幾套大 型燃料乙醇裝置的發(fā)酵溫度已經(jīng)提高到 34?以上。以纖維素乙醇為例， 7 噸秸稈就可以生產(chǎn) 1 噸乙醇，按年產(chǎn) 500萬噸纖維素乙醇計算，則需要秸稈約 3500萬噸，平均每噸秸稈的價格在 300左右，僅此一項就可為農(nóng)民增收 100億元以上。 4 歐盟國家對進(jìn)口石油的依賴也越來越重， 20xx 年 27 個歐盟國家進(jìn)口石油總量已經(jīng)超過 6 億噸，對外依存度接近 80%。” 《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（ 20xx2020年）》明確將“可再生能源的低成本規(guī)?；_發(fā)利用”列為優(yōu)先主題，并突出發(fā)展生物能源。截止到 20xx年底，我國燃料乙醇產(chǎn)量已達(dá)到172 萬噸，生物柴油約 30 萬噸，生物燃?xì)饧s 120 億立方米。 本項目針對燃料乙醇、生物柴 油和生物燃?xì)馊笾饕锬茉串a(chǎn)品及以丁醇為代表的長鏈醇類第二代生物燃料生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，組織有良好基礎(chǔ)的優(yōu)勢科研單位和企業(yè)協(xié)作攻關(guān)。《國 家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中也明確提出：“從長遠(yuǎn)考慮，要積極發(fā)展以纖維素類生物質(zhì)為原料的生物燃料技術(shù)；到 2020年，生物燃料乙醇年利用量達(dá)到 1000 萬噸，生物柴油年利用量達(dá)到200萬噸，沼氣年利用量達(dá)到 440億立方米。為 了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)， 20xx年歐盟建立了生物燃料技術(shù)開發(fā)平臺（ European Biofuels Technology Platform, EBTP） ，隨后制定了其 生物燃料發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃（ Biofuels in the EU: A vision for 2030 and beyond）。 6 三、 項目相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)和相關(guān)發(fā)展趨勢 生物能源包括生物燃料、生物燃?xì)夂蜕餁淠?，生物燃料主要指燃料乙醇和生物柴油，由于以丁醇為代表的長鏈醇 作為發(fā)動機燃料的性能優(yōu)于燃料乙醇，被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的第二代生物燃料。 纖維素乙醇技術(shù) 與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)工作起步較晚。 9 微藻光自養(yǎng)合成油脂可望成為生 物柴油生產(chǎn)新的油脂來源，已經(jīng)成為能源生物技術(shù)開發(fā)的前沿。 生物燃?xì)猓ㄕ託猓? 生物燃?xì)庖卜Q沼氣，截至 到 20xx年底，我國 年產(chǎn)沼氣已達(dá) 120億M3，一批科研院所和大專院校如中科院成都生物研究所、農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所和中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 等都長期從事這一領(lǐng)域研究工作，在產(chǎn)甲烷菌群分離與鑒定、發(fā)酵工藝及產(chǎn)氣調(diào)控、發(fā)酵過程種群動態(tài)變化監(jiān)測、干發(fā)酵技術(shù)、大中型沼氣工程等方面都取得了良好進(jìn)展 。 12 （二）發(fā)展趨勢 纖維素乙醇研發(fā)投入增加，技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快 隨著淀粉質(zhì)原料燃料乙醇的快速發(fā)展，玉米等糧食類原料大量消耗拉動其價格快速上漲，不僅直接影響燃料乙醇生產(chǎn)成本和原料的供給，而且潛在影響人類糧食安全，發(fā)展“非糧”燃料乙醇已成為世界各國的共同選擇。目前，世界范圍內(nèi)正在廣泛開展微藻低成本培養(yǎng)及微藻油脂生產(chǎn)生物柴油技術(shù)的研究 ，在美國政府能源部 20xx年支持生物能源專項經(jīng)費中，微藻生物燃料得到大力支持。我國農(nóng)村沼氣技術(shù)占據(jù)國際領(lǐng)先地位， 20xx 年戶用沼氣已經(jīng)達(dá)到了 120 億 M3，規(guī)劃到 2020年我 國工業(yè)沼氣將發(fā)展到 140 億 M3，沼氣將從邊遠(yuǎn)農(nóng)村進(jìn)入城鎮(zhèn)，沼氣的應(yīng)用也從過去戶用燃料向車用燃?xì)夂凸I(yè)燃料和原料發(fā)展。 開發(fā)甜高粱莖稈和 菊芋塊莖為原料的 ，其生產(chǎn)成本與淀粉質(zhì)原料可競爭，實現(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)原料的多元化。 研究內(nèi)容： 酶分子改造 采用分子進(jìn)化等酶分子改造方法，改造淀粉酶和糖化酶，提高酶解效率和工藝性能等。 課題 2：一步法生物加工 代燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)及示范 以甜高粱莖稈和菊芋塊莖為原料生產(chǎn)燃料乙醇，解決一步法生物加 工（ CBP）的 關(guān)鍵技術(shù)和工程放大問題。大連理工大學(xué)自 20xx 年開始開展鹽堿地種植收獲的菊芋塊莖原料生產(chǎn)乙醇的研究工作，與復(fù)旦大學(xué)等合作，選育了具有菊粉酶生產(chǎn)能力且乙醇 發(fā)酵性能優(yōu)良的克魯維酵母，開發(fā)了集產(chǎn)酶、糖化和發(fā)酵于一體的創(chuàng)新技術(shù)， 20xx 年與 大慶九環(huán)菊芋生物產(chǎn)業(yè)有限公司合作，依托當(dāng)?shù)佧}堿地資源，開展菊芋規(guī)?；N植及加工園區(qū)建設(shè)，為承擔(dān)本課題研究工作奠定了良好基礎(chǔ)。 菌株抑制物耐受機制研究 通過基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法，闡明菌株對抑制物耐受的分子機制，開發(fā)提高其抑制物耐受性的改造策略，提高乙醇生產(chǎn)菌株對木質(zhì)纖維素水解液毒性副產(chǎn)物的耐受性。 24 課題 4： 纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)及萬噸級規(guī)模產(chǎn)業(yè)化示范 形成包括原料的收集、儲運、預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、乙醇精餾和三廢處理等一套流程合理完整、技術(shù)創(chuàng) 新可靠、經(jīng)濟可行且具有自主知識產(chǎn)權(quán)權(quán)的專有技術(shù)，設(shè)計并建設(shè)萬噸級規(guī)模纖維素乙醇裝置。 創(chuàng)新點和突破點： 人工光反應(yīng)器藻種培養(yǎng)和戶外自然光大規(guī)模培養(yǎng)的生產(chǎn)模式是本課題的技術(shù)創(chuàng)新； 微藻細(xì)胞高密度培養(yǎng)和低成本采收是本課題的突破點。 創(chuàng)新點和突破點： 富油微生物培養(yǎng)生產(chǎn)微生物油脂解決我國生物柴油發(fā)展面臨的油脂資源匱乏瓶頸問題； 利用淀粉和味精等行業(yè)排放的含糖有機廢水，生產(chǎn)微生物油脂的同時可去除污染物，促進(jìn)這些行業(yè)的清潔生產(chǎn)。 創(chuàng)新點和突破點： 開發(fā)適宜于廣譜油源的生物柴油生產(chǎn)技術(shù)和裝置降低油脂原料變化的風(fēng)險是本項目的創(chuàng)新點； 高效低成本固定化脂肪酶是本項目的突破點。 生物燃?xì)飧咝Мa(chǎn)氣技術(shù)集成 集成優(yōu)化各技術(shù)模塊，建立完整的生物燃?xì)飧咝Мa(chǎn)氣技術(shù)體系。 厭氧發(fā)酵工藝調(diào)控技術(shù) 采取從微生物菌群、發(fā)酵底物配比、進(jìn)出料方式等多層次調(diào)控策略，對生物燃?xì)馍a(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)形成一個穩(wěn)定、協(xié)調(diào) 34 與高效的反應(yīng)狀態(tài)，進(jìn)一步提高生物燃?xì)猱a(chǎn)率和甲烷含量。建立沼渣和沼液農(nóng)用回田模式，與農(nóng)業(yè)季節(jié)性生產(chǎn)過程相結(jié)合的環(huán)境條件，施肥標(biāo)準(zhǔn)等，建立健全 1 套完善 的后續(xù)處置系統(tǒng)； 建立日產(chǎn)潔凈生物燃?xì)?10000 M3的示范工程； 專利技術(shù)成果 8?10 項，發(fā)表論文 8?10 篇， 50%為 SCI 檢索。 運用代謝工程和系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)，拓展菌株底物利用范圍，使其能利用各種來源的生物質(zhì)資源高效生產(chǎn)長鏈醇類生物燃料。大連理工大學(xué)利用菊芋水解液生產(chǎn)丁醇的研究也取得 了良好 進(jìn)展。 高效低成本纖維素酶和高效混合糖發(fā)酵菌株是纖維素乙醇技術(shù)的突破點。 項目組織實施過程中注重行業(yè)部門和地方的聯(lián)動，地方和部門的相關(guān)項目將與本項目相銜接。技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)課題要為示范工程建設(shè)提供支持，以保證突出重點。 基于產(chǎn)氣菌群表征與調(diào)控的原位脫硫潔凈燃?xì)飧咝a(chǎn)和下游低成本脫硫凈化技術(shù)是發(fā)展?jié)崈羯锶細(xì)?，使其從分散農(nóng)村戶用向城鎮(zhèn)集中供氣、車用燃?xì)夂凸I(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)方向發(fā)展，提高在能源消費中比例的突破點。 創(chuàng)新點和突破點： 利用系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)方法，重構(gòu)長鏈醇代謝途徑，解決其發(fā)酵生產(chǎn)濃度低和產(chǎn)量低的問題，是本課題的創(chuàng)新； 開發(fā)利用廉價原料是長鏈醇類第二代生物燃料發(fā)展的突破點。 預(yù)期目標(biāo)： 木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)水解液發(fā)酵總?cè)軇┻_(dá)到 15 g/l 以上，丁醇比例達(dá)到 70%，發(fā)酵時間不超過 70 h，丁醇對糖的收率達(dá)到 20%。 江南大學(xué)在江蘇 省太湖專項“藍(lán)藻無害化處理與資源化綜合利用技術(shù)”及江蘇省高技術(shù)研究計劃“小城鎮(zhèn)主要廢棄物生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)”的支持下，對高效厭氧反應(yīng)器進(jìn)行了開發(fā)與應(yīng)用，獲得了多項專利技術(shù)成果。 原位低硫沼氣 生產(chǎn)技術(shù) 利用凝