第十章 生物炼制

第十章生物炼制目前的工业生产模式不可持续•化石资源－不可再生资源→资源危机•化石燃料－不可再生能源→能源危机•三废排放－生态环境污染→环境危机生物质资源开发是人类继续生存的必然选择•生物质资源为可再生的原料。•模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂，（逐步地）以生物可再生资源为原料，来大规模生产人类所急需的能源、材料、大宗化学品、医药等。生物质资源开发是人类继续生存的必然选择•在地球上，每年产生的生物质总量大约在1700亿吨，由75%糖类物质，20%的木质素和5%其他物质（油脂、蛋白质脂肪等）现在只有60亿吨被人类利用。生物技术的第三次浪潮资源生物技术（新能源、新材料等）环境生物技术（环境治理、清洁生产、环境友好产品等）生物催化加工（新型酶制剂、手性合成等）海洋生物技术（海洋资源开发、转化）美国政府的三大目标•2012年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力•2017年：20in10---10年后，对石油的依赖要降低20％•2030年：30by30---到2030年，美国对石油的依赖降低30%美国能源部半年宣布多笔巨额投资•2月宣布：今后四年，投资3.85亿美元，用于6个生物精炼厂项目。总投资将超过12亿美元。全面投产后，预计每年的纤维质乙醇产量将超过1.3亿加仑。•5月宣布：2007～2011年将投入2亿美元资助小规模纤维素生物炼制的技术开发，选择5～10个项目予以资助，要求申请者自筹50％的经费。另外，投资2300万美元资助5个乙醇发酵菌研究，投3800万招标纤维素酶生产研究。•6月宣布：将投入3.75亿美元建立三个新的生物能源研究中心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。AbengoaBioenergyBiomass及Chesterfield公司•投资：7600万美元•拟建厂址：堪萨斯州•原料：700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷以及其他原料/天•计划年产：1140万加仑乙醇（约3.5万吨），产生足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给周边ALICO有限公司•投资：3300万美元•拟建厂址：佛罗里达州LaBelle郡•原料：770吨木材、植物废弃物等/天•计划年产：1390万加仑乙醇（约4.2万吨），6255千瓦电力，以及每天生产8.8吨氢和50吨氨中国面临的挑战更严峻我国是世界第二大能源生产国和消费国，2006年能源消费总量达到24.6亿吨标准煤；•人均能源资源拥有量较低，煤炭人均探明储量仅占世界平均水平的50%左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7%和7.1%；能源短缺正成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题之一。开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解化石能源供应的紧张局面，保障国家能源安全，建立可持续发展的能源供应体系，促进经济社会可持续发展具有重大意义。开发生物质资源的重大战略意义•减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安全•促进农村经济发展；增加就业机会；保持社会稳定•改善城市大气质量；实现封闭的碳循环，减少二氧化碳净排放，减轻温室效应2003年：生物催化与生物转化2004年：极端微生物生物冶金秸杆资源高值化利用2005年：生物基化学品的生化网络2006年：生物炼制细胞工厂2007年：生物过程工程优化973计划1,大宗发酵产品的先进发酵工艺2,生物基化学品的生物炼制技术3,工业酶的分子改造与工程化技术“十一五”863计划重点项目2006年农林生物质工程重大专项启动2007年生物产业大会和国际生物经济大会2020年生物质能源替代运输燃料15%科技部和发改委第一节生物炼制概述•生物质----分布于植物体内的大量含碳化合物，主要包括纤维素、半纤维素、木质素以及淀粉、蛋白质及脂类化合物，是丰富的生物基产品原料。•生物炼制----以可再生的生物质为原料，经过生物、化学、物理法等多种加工转化途径生产各种化学品、燃料和生物基材料的新型工业模式。一、生物炼制的基本定义原料各种不同的、混合的生物性原料•玉米以及谷物类等作物•木质纤维素•天然湿生物质原料处理技术多种技术联合•生物处理法•化学方法•热化学方法•物理方法产品物质及能源多样产品系统•燃料•化学制品•材料•石油炼制----以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、多元化转化。二、生物炼制与石油炼制2020/2/8202020/2/8212020/2/822•原料可再生，不受石油枯竭的影响。•环境友好，没有净二氧化碳增加，燃烧后产生的二氧化碳可被植物光合作用所利用。•生物炼制可以获得更丰富的产品，尤其是对含氧元素化学品及手性产品的制备，具有明显的优势。•生物炼制需要使用较多的加工技术生物炼制的特点（与石油炼制比较）2020/2/823生物炼制的产品生物炼制产品生物质化学品乙烯、乙醇、丙烯酰胺、琥珀酸等生物质材料聚乳酸、尼龙工程材料等生物质能源沼气、乙醇汽油、生物柴油等第二节生物炼制系统2020/2/825生物炼制的本质：将所使用的多种原材料，根据其不同组分转化为糖、蛋白质以及脂肪等，再采用发酵等生物方法转化为各种化学品。生物炼制的过程：生物质预处理过程、酶解过程、微生物发酵过程以及产品回收分离等。2020/2/826生物炼制系统•利用包含有纤维素的干生物质或废料为原料的炼制过程。木质纤维素原料炼制•利用玉米以及谷物类等作为原料的炼制过程。全谷物炼制•利用天然湿生物质原料，如青草等为原料的炼制过程。绿色炼制2020/2/827木质纤维素材料包括：秸秆、草、木材、废纸等。主要成分：纤维素、半纤维素、木素。一、木质纤维素原料的生物炼制2020/2/8281、木质纤维素的组成及预处理技术主要成分：纤维素、半纤维素、木素1、木质纤维素的组成及预处理技术稀酸处理：蒸汽爆破法：热水处理法有机溶剂法氨爆破法碱处理法预处理方法与强酸在高温（160-200度）高压下混合1-10分钟后迅速释放压力，可以将半纤维素水解成木糖、阿拉伯糖等五碳糖。利用高压蒸汽使反应温度达到200-240度，维持30秒-20分钟后，突然减压，使物料爆碎，半纤维素会水解成有机酸，木素部分降解，细胞间结构疏松。2、纤维素糖化发酵工艺•纤维素酶的生产；•纤维素以及其他不溶性多糖的水解；•纤维素水解物的发酵；•半纤维素水解物的发酵。•能在低pH、高温、高糖发酵条件下仍能良好生长，能较好地利用戊糖，能抵抗生物质预处理及水解过程中产生的副产品的抑制作用。3、发酵菌株选育二、全谷物生物炼制全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦等。三、绿色生物炼制绿色生物质包括：绿色农作物和其他绿色草本植物。第三节生物炼制的核心技术2020/2/839一、微生物细胞工厂•微生物细胞工厂----能够按照人类意愿，高效生产出满足社会需要的重要产品的重组微生物。通过遗传操作可以实现对微生物细胞代谢功能的改造，能够使微生物细胞利用廉价原料过量积累一种或多种化学品，甚至去生产其原来并不合成的产品。2020/2/840二、系统生物技术用系统生物学的方法来研究微生物内在生理活动，微生物之间的相互作用，微生物与外界环境的相互作用关系。全基因组表达的时序及环境适用性的研究，蛋白质组的时序及环境适用性的研究，代谢组的时序及环境适用性的研究全域性研究可以发掘微生物生物合成调控基因，为代谢工程改造菌种，重构微生物基因组表达及表达调控系统提供理论依据，也为研究发酵过程参数优化的分子机制，进一步优化发酵过程参数提供理论依据。三、五碳糖和六碳糖的等效代谢五碳糖和六碳糖是生物炼制的基本原料，进一步发掘利用五碳糖和六碳糖合成特殊化合物的基因与蛋白，阐明C2、C3、C4等平台化合物合成网络与流量关系的本质，逐步解决微生物代谢的分子基础及相互关系的科学问题，有助于我们解析代谢网络结构，发现定向优化微生物功能中需要改变的因素，提高生物炼制细胞工厂的转化与合成能力，对于提升生物炼质的技术水平具有重要意义。第四节生物基化学品制备技术2020/2/846一、乙醇脱水技术•恒沸精馏法•分子筛脱水•醋酸钾及醋酸钠混合液脱水法•萃取蒸馏法•淀粉吸附法•离子交换树脂脱水法乙醇脱水技术以沸石为分子筛，装入塔中，当95%的乙醇经过塔时，被吸附的3/4是水，1/4是乙醇。醋酸钾（70%）与醋酸钠（30%）能溶于水和乙醇，可以脱去乙醇中的水。采用15%-20%的醋酸盐作溶剂恒沸精馏法----在95%乙醇中添加夹带剂苯、环已烷、戊烷等进行精馏，夹带剂可与乙醇溶液中的乙醇、水形成新的三元恒沸物，三元恒沸物与纯乙醇之间的沸点相差比较大，从而可通过精馏获得纯度很高的乙醇。二、L-乳酸提取技术•钙盐法•酯化法•电渗析法•溶剂萃取法•高真空蒸馏法乳酸提取技术