【正文】 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)使用的比例達到 30%； 建設 1萬噸 /年規(guī)模燃料乙醇示范工程裝置 ； 專利技術成果 4?5 項，發(fā)表論文 10?15 篇， 50%為 SCI 檢索。 技術集成及工程放大 針對物料特殊性，開發(fā)甜高粱莖稈固體發(fā)酵反應器和菊芋塊莖液體深層發(fā)酵反應器的工程放大技術。 一步生物加工法直接發(fā)酵生產乙醇 技術 研究甜高粱莖稈固體發(fā)酵生產乙醇的關鍵科學問題，如菌體微生物學特性及傳質傳熱機制等；對菊芋塊莖原料生產燃料乙醇，開發(fā)同步產酶、酶解和乙醇發(fā)酵創(chuàng)新技術，并在動力學水平進行 優(yōu)化 。 課題 2：一步法生物加工 代燃料乙醇關鍵技術及示范 以甜高粱莖稈和菊芋塊莖為原料生產燃料乙醇，解決一步法生物加 工（ CBP）的 關鍵技術和工程放大問題。 20xx年與豐原集團合作，建設了萬噸級規(guī)模自固定化酵母乙醇連續(xù)發(fā)酵技術產業(yè)化示范 工程裝置 ，并在國家燃料乙醇試點工程建設中得到實際應用， 20xx年獲教育部高等學?？茖W技術進步二等獎，承擔國家 863 項目“ 自絮凝顆粒酵母高密度、高濃度和高強度乙醇連續(xù)發(fā)酵技術（ 20xxAA10Z358）”，取得良好進展。 相關工作基礎及優(yōu)勢團隊： 廣西科學院建有國家地方特色能源工程技術研究 中心，國家非糧生物質能源工程技術研究中心，生物能源酶解技術國家重點實驗室等多個國家級研究平臺，是我國生物質能源研究與開發(fā)的主要研究機構之一，已承擔并完成了多項國家和省部級重大研究項目，在高溫淀粉酶分子改造方面取得良好進展，已克隆改造出活力比目前商品酶高數倍的α 淀粉酶，篩選和構建了適合以廢糖蜜或淀粉和蔗汁混合液為原料進行濃醪發(fā)酵的新型酵母菌株。 基于廢糟液直接循環(huán)使用的清潔生產技術 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)酵技術經 18 濟指標的前提下，提高廢糟液直接循環(huán)使用的比例，促進清潔生產。 研究內容： 酶分子改造 采用分子進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。 17 五、 主要研究內容 本項目主要研究內容包括：基于酶和菌種改造的燃料乙醇節(jié)能減排技術；燃料乙醇原料多元化，即 代燃料乙醇關鍵技術；支撐纖維素乙醇發(fā)展的原料預處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構建平臺技術；基于單元技術集成與優(yōu)化的纖維素乙醇生產技術開發(fā)及示范；微生物油脂生產及生物轉化制備生物柴油關鍵技術；微藻低成本培養(yǎng)及生物柴油規(guī)模化制備關鍵技術；酶法生物柴油工程化技術開發(fā)及示范；生物燃氣生產菌群調控及高 效產氣關鍵技術；潔凈生物燃氣生產工程化技術開發(fā)及示范；第二代生物燃料生產關鍵技術。 提高生物燃氣生產效率和裝置運行技術經濟指標，使 其由傳統(tǒng)的農村戶用向城鎮(zhèn)集中供氣、車用燃氣和工業(yè)熱電聯產轉變。 建立萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程裝置，實現穩(wěn)定運行，纖維素乙醇生產成本與淀粉質原料燃料乙醇可競爭。 開發(fā)甜高粱莖稈和 菊芋塊莖為原料的 ，其生產成本與淀粉質原料可競爭，實現燃料乙醇生產原料的多元化。 （一）總體目標 開發(fā)淀粉質原料燃料乙醇節(jié)能減排新技術；研究甜高粱莖稈和菊芋塊莖乙醇發(fā)酵 技術，為燃料乙醇原料多元化提供技術支撐； 建立原料預處理、纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構建平臺，支撐纖維素乙醇技術開發(fā)和產業(yè)發(fā)展，建立 3 個以秸稈為原料，技術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，配套建設包括微藻采收、油脂提取與轉化生產生物柴油中試裝置，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；建設日產潔凈生物燃氣 10000 M3的示范基地，實現戶用燃氣向城鎮(zhèn)居民集中供氣、車用燃氣生產或熱電聯產；培育 23 個產學研技術創(chuàng)新聯盟，培養(yǎng)引進 810名領軍人才，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。 然而，木質纖維素類生物質資源在自然進化過程中形成的對降解的強抗性，使生物能源產品的生產成本還很高，難以與石油基產品相競爭，但是現代生物技術的發(fā)展，特別是各種組學技術，已經為解析這一問題的機理，開發(fā)相應的策略，提供了先進的方法和手段。 15 四、項目領域的戰(zhàn)略分析、發(fā)展思路、本項目的總體 目標 及 考核指標 可再生能源是經濟和社會可持續(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構成中所占的比例還不大，但已被公認是替代石油基液體燃料如汽油、柴油和航油的唯一選擇。我國農村沼氣技術占據國際領先地位， 20xx 年戶用沼氣已經達到了 120 億 M3，規(guī)劃到 2020年我 國工業(yè)沼氣將發(fā)展到 140 億 M3，沼氣將從邊遠農村進入城鎮(zhèn)，沼氣的應用也從過去戶用燃料向車用燃氣和工業(yè)燃料和原料發(fā)展。據 20xx年統(tǒng)計，德國 3800座農業(yè)沼氣工程的發(fā)電裝機總量為 660 MW，到 20xx年德國的生物燃氣將占總能源消耗的 4％以上。 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開發(fā)。 國內外丁醇發(fā)酵的菌株均為梭菌（ Clostridium sp.） ，發(fā)酵過程副產丙酮和乙醇，總溶劑量一般在 2?3%，其中丁醇占 60?70%。目前，世界范圍內正在廣泛開展微藻低成本培養(yǎng)及微藻油脂生產生物柴油技術的研究 ，在美國政府能源部 20xx年支持生物能源專項經費中，微藻生物燃料得到大力支持。 能源微藻已經成為生物能源 技術發(fā)展的前沿 微藻是在海洋、湖泊等水體中分布廣泛的單細胞植物，整個藻體都能光合作用，其光合效率可以高達 10%，產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）。世界上幾大酶制劑公司包括丹麥的諾維信（ Novozyme）、美國的杰能科（ Genencor）、荷蘭的帝斯曼（ DSM） 及研發(fā)機構如美國政府能源部可再生能源國家實驗室（ National Renewable Energy Laboratory, NREL）等 均在纖維素酶技術開發(fā)方面投入巨大，目標是依托現代生物技術進展提供的先進方法和手段提高纖維素酶的效率和發(fā)酵水平，將纖維素乙醇生產中纖維素酶的成本從目前的每加侖約 30 美 分降低到 10 美分以下。以美國為例， 20xx年 2月 DOE安排 6個以秸稈為原料采用不同技術路線的纖維素乙醇示范裝置， 20xx 年 5 月和 12 月 DOE 又分別安排 億美元和 億美元，支持生物能源和生物基化學品技術開發(fā)、中試和示范工程裝置建設，其中大部分經費繼續(xù)支持纖維素乙醇，其發(fā)展目標是到 20xx年進入商業(yè)化生產，纖維素乙醇在成本上能夠與成品油競爭。 12 （二）發(fā)展趨勢 纖維素乙醇研發(fā)投入增加，技術開發(fā)和產業(yè)化進程加快 隨著淀粉質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。 在異丁醇和異戊醇生物制造方面，中科院天津工業(yè)生物技術研究所在大腸桿菌中成功克隆表達了異戊醇和異丁醇合成途徑關鍵酶： 2酮基酸脫羧酶和醇脫氫酶基因，通過敲除大腸桿菌中其他丙酮酸競爭途徑，提高了異戊醇和異丁醇的合成產率；利用適應進化技術篩選出異戊醇耐受性顯著提高的突變菌株，其異戊醇耐受性從 3 g/L 提高到6 g/L；雙向蛋白質電泳分析發(fā)現在高異戊醇耐受性菌株中有超過 20個蛋白發(fā)生了上調或下調的表達變化；在大腸桿菌中成功組裝出異丁醇和異戊醇的整條合成途徑，構建出初級異 丁醇和異戊醇細胞工廠。 11 長鏈醇生物燃料 近年來，針對丁醇作為生物燃料對成本降低的特殊 要求，中科院微生物所和上海植物生理研究所等單位，在國家 973 項目和中科院知識創(chuàng)新工程項目的支持下，開展了丙丁梭菌的遺傳改造工作，獲得了能夠耐受約 20 g/L丁醇濃度且溶劑合成能力提高的突變株，通過基因組重測、比較基因組學和比較蛋白質組分析，解析了與溶劑耐受、丁醇生物合成相關的重要分子基礎和脅迫耐受性機制，構建了數株性能優(yōu)化的基因工程菌，其中丙酮途徑缺失的突變株，發(fā)酵總溶劑中丁醇比例提高 1520%，對葡萄糖的收率達到 40%。中科院過程工程研究所 在氣體脫硫凈化方面積累了豐富經驗，開發(fā)了膜吸收脫硫關鍵技術，在天然氣脫硫中的應用，可以將總硫和硫化氫分別脫除到 ，同時通過對脫硫機理的分析，針對精脫硫劑的壽命問題，開發(fā)了有效的再生手段，使脫硫劑的壽命顯著延長。 生物燃氣（沼氣） 生物燃氣也稱沼氣，截至 到 20xx年底，我國 年產沼氣已達 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、農業(yè)部沼氣科學研究所和中國農業(yè)大學 等都長期從事這一領域研究工作，在產甲烷菌群分離與鑒定、發(fā)酵工藝及產氣調控、發(fā)酵過程種群動態(tài)變化監(jiān)測、干發(fā)酵技術、大中型沼氣工程等方面都取得了良好進展 。 生物柴油生產過程副產 10%左右的甘油，將其高值化利用生產高附加值產品不僅可以降低生物柴油的生產成本，而且能夠減少廢水處 10 理的費用。 針對傳統(tǒng)生物酶法工藝的瓶頸問題，清華大學提出了利用新型有機介質體系進行酶促油脂原料和甲醇進行生物柴油制備新工藝，從根本上解除了傳統(tǒng)工藝中反應物甲醇及副產物甘油對酶反應活性及穩(wěn)定性的負面影響，使酶的使用壽命延 長了數十倍。 篩選 獲得了 優(yōu)質 藻種，油脂含量可以達到干重的 60%，開發(fā)了適宜于微藻高密度培養(yǎng)的 光反 應器 ，解決了反應器的工程放大問題 ，在 微藻 的 低能耗采收 ， 油脂高效分離 ，藻渣深加工等方面也開展了卓有成效的研究工作。 9 微藻光自養(yǎng)合成油脂可望成為生 物柴油生產新的油脂來源，已經成為能源生物技術開發(fā)的前沿。 甜高粱被公認為是光和效率高的能源作物，在國家“十一五”科技支撐項目的支持下，清華大學等單位開發(fā)了基于先進固體發(fā)酵技術的甜高粱莖稈一步法生物 加工生產乙醇創(chuàng)新技術 ，解決了其工程放大問題，建立了 127 M3規(guī)模的高效固體發(fā)酵反應器。 代燃料乙醇技術 我國有大量不適宜于糧食作物生長的鹽堿地和荒漠地，種植抗逆性強，生物量產量高 ，易于加工轉化的作物如菊芋和甜高粱等，可以促使燃料乙醇產業(yè)向原料多元化方向發(fā)展。 20xx年 中科院知識創(chuàng)新工程重大項目“ 纖 維素乙醇高溫發(fā)酵和生物煉制 ”啟動，經過二年多的努力，在 原料預處理、纖維素酶生產菌株篩選及液體深層發(fā)酵、混合糖發(fā)酵菌株構建、技術集成與系統(tǒng)優(yōu)化等 方面都取得了較好研究進展。 纖維素乙醇技術 與歐美等發(fā)達國家相比，我國這一領域的基礎研究和應用技術開發(fā)工作起步較晚。在國家“十五”重點科技攻關 項目“生物能源生產關鍵技術”和工業(yè)界的 共同支持下，大 7 連理工大學、江南大學和廣西科學院等單位開展了高 濃度乙醇發(fā)酵的研究工作，取得了突破性進展，目前我國乙醇發(fā)酵技術發(fā)酵終點乙醇體積比濃度已經達到 15%以上，工業(yè)生產裝置連續(xù)發(fā)酵乙醇體積比濃度已經提高到 12?13%，燃料乙醇生產的能耗顯著降低。 （一）研發(fā)基礎 淀粉質原料 燃料乙醇技術 我國“十五”期間試點建設大型燃料乙醇裝置，目前已經形成了總量 172 萬噸的燃料乙醇生產能力，不僅積累了發(fā)展燃料乙醇這一最主要生物能源產品的經驗，而且乙醇發(fā)酵關鍵技術和大型裝置建設的工程化技術都取得了重大突破。利用以秸稈為代表的木質纖維素類生物質生產的纖維素乙醇，被稱為第二代燃料乙醇，但木質纖維素類生物質加工轉化難的問題十分突出。 6 三、 項目相關領域的研發(fā)基礎和相關發(fā)展趨勢 生物能源包括生物燃料、生物燃氣和生物氫能，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，被認為是具有發(fā)展前景的第二代生物燃料。由于全球溫室氣體總量的 60%以上來自能源生產和消費領域，而生物能源產品具有碳排放中性的特點 ,其生產和消費中產生的 CO2釋放到大氣環(huán)境中后，可 以被植物光合作用吸收，不會導致大氣環(huán)境 CO2的凈增加，是實現溫室氣體減排目標的根本出路！ （四）發(fā)展生物能源是調整農業(yè)產業(yè)結構，促進農民增收的迫切需要 生物能源生產原料主要來自農業(yè)，發(fā)展生物能源，可以轉變傳統(tǒng)種植業(yè)“糧經飼”三元結構為“糧經飼能”四元結構，為農村開辟新興產業(yè)，有效延長農業(yè)產業(yè)鏈，提高農產品附加值，增加農村就業(yè)機會，增加農民收入。 表 1： 20xx?20xx 年我國石油消費與進口情況統(tǒng)計（單位：億噸） 年份 石油消費 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 總 量 國內產量 進 口 量 進口比例（ %）