【文章內(nèi)容簡介】 素酶的成本從目前的每加侖約 30 美 分降低到 10 美分以下。在混合糖 13 發(fā)酵菌株構(gòu)建方面， NREL和普度大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)分別構(gòu)建了基于乙醇發(fā)酵運(yùn)動單孢菌（ Zymononas mobilis）和釀酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）的工程菌株，實(shí)現(xiàn)混合糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇， 而英國的 TMO Renerewables Ltd 公司則開發(fā)了高溫細(xì)菌（ 60?70?C）連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇技術(shù)，并于 20xx年建立了一個適宜于多種原料特點(diǎn)的小型示范裝置 (Process Demonstration Unit, PDU)。 能源微藻已經(jīng)成為生物能源 技術(shù)發(fā)展的前沿 微藻是在海洋、湖泊等水體中分布廣泛的單細(xì)胞植物，整個藻體都能光合作用，其光合效率可以高達(dá) 10%，產(chǎn)油能力是油料作物如大豆、向日葵、油菜籽和棕櫚樹等的 10倍以上，而且微藻培養(yǎng)不占用耕地，以 CO2為碳源光自養(yǎng)生長（ E Waltz. Biotech’s green gold！ Nat. Biotechnol. 20xx, 27:1518）。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。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(xiàng)經(jīng)費(fèi)中，微藻生物燃料得到大力支持。 長鏈醇類可望成為第二代生物燃料 以丁醇為代表的長鏈醇作為燃料的性能優(yōu)于乙醇，被認(rèn)為是第二代生物燃料，但其對細(xì)胞的強(qiáng)毒性使發(fā)酵水平比乙醇低約 10倍，因此目前丁醇的生產(chǎn)成本顯著高于乙醇。 國內(nèi)外丁醇發(fā)酵的菌株均為梭菌（ Clostridium sp.） ，發(fā)酵過程副產(chǎn)丙酮和乙醇，總?cè)軇┝恳话阍?2?3%，其中丁醇占 60?70%。目前丁 14 醇技術(shù)開發(fā)體現(xiàn)在兩個方面：一是對現(xiàn)有菌株從不同層面，特別是基于基因組序列測定和解析提供的信息，對其進(jìn) 行改造，設(shè)法提高對丁醇的耐受性和發(fā)酵過程丁醇生成的比例；另一方面是基于酵母對醇類物質(zhì)抑制具有良好的耐受性，如可以耐受 20%以上的乙醇，對丁醇的耐受性也能夠達(dá)到 10%的特點(diǎn)，對酵母進(jìn)行改造，將梭菌中的丁醇代謝途徑轉(zhuǎn)入酵母體系，如美國加州大學(xué)伯克利分校 Jay Keasling 教 授正與 英國石油公司 BP 合作開展這一研究工作，合成生物學(xué)的概念和方法也因此而產(chǎn)生。 20xx 年 BP 又與美國杜邦（ DuPont）合作建立了一個新的公司 Butamax Advanced Biofuels，專門致力于丁醇技術(shù)開發(fā)。 生物燃?xì)庹?車用燃料和潔凈工業(yè)能源方向發(fā)展 規(guī)?；託夤こ毯拖嚓P(guān)技術(shù)近年來在國外迅速發(fā)展。據(jù) 20xx年統(tǒng)計(jì)，德國 3800座農(nóng)業(yè)沼氣工程的發(fā)電裝機(jī)總量為 660 MW，到 20xx年德國的生物燃?xì)鈱⒄伎偰茉聪牡?4％以上。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。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。高效微生物菌種、微生物代謝調(diào)控技術(shù)、先進(jìn)工藝裝備等成為當(dāng)前沼氣規(guī)?；a(chǎn)穩(wěn)定高效運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展趨勢。 15 四、項(xiàng)目領(lǐng)域的戰(zhàn)略分析、發(fā)展思路、本項(xiàng)目的總體 目標(biāo) 及 考核指標(biāo) 可再生能源是經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，生物能源是可再生能源的重要組成部分，其中以燃料乙醇和生物柴油為代表的生物燃料，盡管其目前在能源消費(fèi)構(gòu)成中所占的比例還不大，但已被公認(rèn)是替代石油基液體燃料如汽油、柴油和航油的唯一選擇。 生物能源生產(chǎn)原料必須是資源豐富，廉價易得，不影響生態(tài)多樣性的農(nóng)林廢棄物，如以各類作物秸稈和畜禽糞便等為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源，只有這樣生物能源產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展才不會引發(fā)諸如“與人類爭糧油，與糧油爭土地”的社會問題。 然而，木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源在自然進(jìn)化過程中形成的對降解的強(qiáng)抗性，使生物能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還很高，難以與石油基產(chǎn)品相競爭，但是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，特別是各種組學(xué)技術(shù)，已經(jīng)為解析這一問題的機(jī)理，開發(fā)相應(yīng)的策略，提供了先進(jìn)的方法和手段。 本項(xiàng)目的發(fā)展思路是依托現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)展提供的先進(jìn)方法和手段，注重與工程技術(shù)的結(jié)合，最大限度地降低生物能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高其與石油基產(chǎn)品的競爭能力。 （一）總體目標(biāo) 開發(fā)淀粉質(zhì)原料燃料乙醇節(jié)能減排新技術(shù)；研究甜高粱莖稈和菊芋塊莖乙醇發(fā)酵 技術(shù)，為燃料乙醇原料多元化提供技術(shù)支撐； 建立原料預(yù)處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建平臺，支撐纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立 3 個以秸稈為原料，技術(shù)路線上各有特色的萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程；建立總面積 10000 M2的新型高效低 16 成本能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)示范基地，配套建設(shè)包括微藻采收、油脂提取與轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物柴油中試裝置，建立千 噸級微生物油脂生物柴油中試裝置和適宜于廣譜油脂資源的萬噸級規(guī)模酶法生物柴油示范工程；建設(shè)日產(chǎn)潔凈生物燃?xì)?10000 M3的示范基地，實(shí)現(xiàn)戶用燃?xì)庀虺擎?zhèn)居民集中供氣、車用燃?xì)馍a(chǎn)或熱電聯(lián)產(chǎn)；培育 23 個產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，培養(yǎng)引進(jìn) 810名領(lǐng)軍人才，申請 100個左右發(fā)明專利，發(fā)表論文 300篇左右，其中 50%為 SCI收錄，培養(yǎng)博碩士研究生 600人左右。 （二）考核指標(biāo) 提高淀粉質(zhì)原料發(fā)酵終點(diǎn)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) 。 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(shí)現(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)原料的多元化。 建立原料預(yù)處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建平臺，突破木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源高效利用生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)屏障。 建立萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程裝置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，纖維素乙醇生產(chǎn)成本與淀粉質(zhì)原料燃料乙醇可競爭。 突破富油微藻和微生物低成本培養(yǎng)、油脂提取和生物柴油制備關(guān)鍵技術(shù)；開發(fā)適宜于廣譜油脂原料的酶法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，建立萬噸級規(guī)模示范工程裝置。 提高生物燃?xì)馍a(chǎn)效率和裝置運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使 其由傳統(tǒng)的農(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)轉(zhuǎn)變。 第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。 17 五、 主要研究內(nèi)容 本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容包括：基于酶和菌種改造的燃料乙醇節(jié)能減排技術(shù)；燃料乙醇原料多元化，即 代燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)；支撐纖維素乙醇發(fā)展的原料預(yù)處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建平臺技術(shù)；基于單元技術(shù)集成與優(yōu)化的纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)及示范；微生物油脂生產(chǎn)及生物轉(zhuǎn)化制備生物柴油關(guān)鍵技術(shù)；微藻低成本培養(yǎng)及生物柴油規(guī)模化制備關(guān)鍵技術(shù)；酶法生物柴油工程化技術(shù)開發(fā)及示范；生物燃?xì)馍a(chǎn)菌群調(diào)控及高 效產(chǎn)氣關(guān)鍵技術(shù)；潔凈生物燃?xì)馍a(chǎn)工程化技術(shù)開發(fā)及示范；第二代生物燃料生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)。 本項(xiàng)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。 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。 釀酒酵母菌種的選育和構(gòu)建 建立釀酒酵母菌種庫，采用組學(xué)研究和代謝工程改造等方法選育構(gòu)建耐高乙醇濃度和高發(fā)酵溫度，發(fā)酵性能 優(yōu)良的生產(chǎn)菌株。 基于廢糟液直接循環(huán)使用的清潔生產(chǎn)技術(shù) 研究廢液循環(huán)比例對乙醇發(fā)酵的影響，在不影響乙醇發(fā)酵技術(shù)經(jīng) 18 濟(jì)指標(biāo)的前提下，提高廢糟液直接循環(huán)使用的比例，促進(jìn)清潔生產(chǎn)。 預(yù)期目標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)超高濃度發(fā)酵，成熟醪的乙醇含量達(dá)到 18%（ V/V）； 提高菌株的高溫耐受性，發(fā)酵溫度達(dá)到 38?40 ?C； 燃料乙醇發(fā)酵能耗降低 40%以上，發(fā)酵廢液排放減少 20%； 專利技術(shù)成果 8?10項(xiàng)，發(fā)表論文 20?30 篇， 50%為 SCI檢索。 相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)： 廣西科學(xué)院建有國家地方特色能源工程技術(shù)研究 中心，國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，生物能源酶解技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個國家級研究平臺，是我國生物質(zhì)能源研究與開發(fā)的主要研究機(jī)構(gòu)之一，已承擔(dān)并完成了多項(xiàng)國家和省部級重大研究項(xiàng)目，在高溫淀粉酶分子改造方面取得良好進(jìn)展，已克隆改造出活力比目前商品酶高數(shù)倍的α 淀粉酶，篩選和構(gòu)建了適合以廢糖蜜或淀粉和蔗汁混合液為原料進(jìn)行濃醪發(fā)酵的新型酵母菌株。 大連理工大學(xué)長期從事乙醇發(fā)酵研究工作，承擔(dān)并完成了多項(xiàng)國家 863項(xiàng)目和科技攻關(guān)項(xiàng)目 。 20xx年與豐原集團(tuán)合作，建設(shè)了萬噸級規(guī)模自固定化酵母乙醇連續(xù)發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范 工程裝置 ，并在國家燃料乙醇試點(diǎn)工程建設(shè)中得到實(shí)際應(yīng)用， 20xx年獲教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，承擔(dān)國家 863 項(xiàng)目“ 自絮凝顆粒酵母高密度、高濃度和高強(qiáng)度乙醇連續(xù)發(fā)酵技術(shù)（ 20xxAA10Z358）”，取得良好進(jìn)展。 創(chuàng)新點(diǎn)和突破點(diǎn)： 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(jī)制基礎(chǔ)上，構(gòu)建耐受乙醇濃度 18%（ v/v）以上的菌株。 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。 研究內(nèi)容： 甜高粱莖稈和菊芋塊莖預(yù)處理及貯藏技術(shù) 采用物理、化學(xué)、生物等方法對收獲的甜高粱莖稈和菊芋塊莖進(jìn)行預(yù)處理，其成本和品質(zhì)滿足燃料乙醇生產(chǎn)要求。 一步生物加工法直接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 技術(shù) 研究甜高粱莖稈固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵科學(xué)問題，如菌體微生物學(xué)特性及傳質(zhì)傳熱機(jī)制等；對菊芋塊莖原料生產(chǎn)燃料乙醇，開發(fā)同步產(chǎn)酶、酶解和乙醇發(fā)酵創(chuàng)新技術(shù)，并在動力學(xué)水平進(jìn)行 優(yōu)化 。 糟渣治理綜合利用清潔生產(chǎn)技術(shù) 分析甜高粱稈發(fā)酵糟渣營養(yǎng)成分，為飼料產(chǎn)品開發(fā)提供指導(dǎo)；對菊芋塊莖原料 乙醇發(fā)酵廢糟液，開發(fā)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣、消化液曝氣處理后達(dá)標(biāo)排放及污泥焚燒處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。 技術(shù)集成及工程放大 針對物料特殊性，開發(fā)甜高粱莖稈固體發(fā)酵反應(yīng)器和菊芋塊莖液體深層發(fā)酵反應(yīng)器的工程放大技術(shù)。 預(yù)期目標(biāo)： 甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇 20 發(fā)酵時間小于 40小時， 發(fā)酵后殘總糖≤ %，乙醇收率 90%； 建設(shè) 3萬噸 /年規(guī)模燃料乙醇示范工程裝置 ； 專利技術(shù)成果 4?5 項(xiàng)，發(fā)表論文 10?15 篇， 50%為 SCI 檢索。 菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇 乙醇濃度達(dá)到 10%（ v/v），發(fā)酵時間 60小時， 乙醇收 率 90%； 廢糟液在發(fā)酵系統(tǒng)直接循環(huán)使用的比例達(dá)到 30%； 建設(shè) 1萬噸 /年規(guī)模燃料乙醇示范工程裝置 ； 專利技術(shù)成果 4?5 項(xiàng)，發(fā)表論文 10?15 篇， 50%為 SCI 檢索。 相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團(tuán)隊(duì)： 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(xiàng)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。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)。 創(chuàng)新點(diǎn)和突破點(diǎn)： 采用一步法整合生物加工策略，不消耗酶制劑，過程簡單經(jīng)濟(jì)是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)； 選育獲得具有集產(chǎn)酶、秸稈纖維素酶解或菊粉酶解和乙醇發(fā)酵于一體的高效菌株則是突破點(diǎn)。 21 課題 3：預(yù)處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建平臺技術(shù) 開發(fā)低能耗高效原料預(yù)處理技術(shù)； 基于 纖維素酶生產(chǎn)菌株基因組序列測定及解 析提供的信息，對其進(jìn)行改造，優(yōu)化纖維素酶各組分的組成，提高纖維素酶解效率；在揭示五碳糖代謝和抑制物耐受性這些由多基因控制生理性狀復(fù)雜分子機(jī)制的基礎(chǔ)上，對菌株進(jìn)行代謝工程改造，構(gòu)建高效利用木質(zhì)纖維素水解液或直接利用纖維素原料生產(chǎn)乙醇的工程菌株。 研究內(nèi)容： 與纖維素酶特征適配的低能耗高效預(yù)處理技術(shù) 闡明預(yù)處理與原料組分和結(jié)構(gòu)之間構(gòu)效關(guān)系，研究纖維素酶解對原料預(yù)處理的要求，開發(fā)能耗低、糖損耗小、影響酶解和發(fā)酵的毒副產(chǎn)物少，適宜于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的先進(jìn)預(yù)處理技術(shù)。 建立新的纖維素酶制劑評價體系 濾紙或 CMC 酶活都是基于纖維素酶水解純底物，無法反映其水解天然底物的能力，而且不同的天然底物需要不同的降解酶系，因此需要建立針對天然木質(zhì)纖維素底物的復(fù)合纖維素酶系評價方法。 纖維素酶系組分的合成調(diào)控和高效復(fù)合酶制劑的發(fā)酵生產(chǎn) 在研究揭示真菌纖維素酶合成代謝機(jī)理的基礎(chǔ)上，提高酶系總表達(dá)量，另一方面，研