元英進(jìn)-科技支撐驗(yàn)收?qǐng)?bào)告纖維素乙醇

國家科技支撐課題驗(yàn)收鑒定會(huì)（2007BAD42B02）元英進(jìn)天津大學(xué)化工學(xué)院2011-03-04非糧原料制燃料乙醇清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)2本項(xiàng)目設(shè)置四個(gè)課題:課題1:甜高粱制燃料乙醇綠色工藝關(guān)鍵技術(shù)與示范工程-天津?qū)嵃l(fā)中科百奧工業(yè)生物技術(shù)有限公司+清華大學(xué)+天津市一輕集團(tuán)（控股）有限公司課題2:非糧原料制燃料乙醇清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用-天津大學(xué)+天津掛月集團(tuán)課題3:甜高粱種植與預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)-天津農(nóng)學(xué)院+天津大學(xué)課題4:乙醇汽油高效內(nèi)燃及尾氣處理的關(guān)鍵技術(shù)-天津大學(xué)+四川綿陽新晨動(dòng)力機(jī)械有限公司

1108萬元課題任務(wù)1、纖維素高效糖化技術(shù)提高纖維素酶的酶解效率，降低酶的用量，同時(shí)去除或降低糖化液中發(fā)酵抑制物的存在。2、高固液比酶解糖化反應(yīng)通過實(shí)現(xiàn)高固液比酶解糖化工藝，可提高糖化液的葡萄糖濃度。3、提高乙醇發(fā)酵菌株對(duì)抑制劑和乙醇的耐受性通過對(duì)菌種進(jìn)行遺傳改造，獲得性狀優(yōu)良的發(fā)酵菌株，提高其對(duì)纖維素糖化液的適用性。4、廢棄物資源化關(guān)鍵技術(shù)通過生物工程技術(shù)、生物反應(yīng)器技術(shù)和膜技術(shù)開展廢水的資源化利用。5、節(jié)能與過程強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)燃料乙醇生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程優(yōu)化，找出能量優(yōu)化的切入點(diǎn)；開發(fā)出低溫差滴狀冷凝換熱器和固相強(qiáng)化沸騰換熱器，強(qiáng)化傳熱過程；進(jìn)行高效塔內(nèi)件和塔填料的開發(fā)，進(jìn)行精餾過程的優(yōu)化與放大；液體發(fā)酵過程的優(yōu)化與放大；過程集成，實(shí)現(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)過程的節(jié)能與過程強(qiáng)化。預(yù)處理發(fā)酵制醇酶解糖化廢物處理節(jié)能強(qiáng)化示范工程課題2的研究框架課題的執(zhí)行流程預(yù)處理發(fā)酵制醇酶解糖化廢物處理節(jié)能強(qiáng)化示范工程課題框架氨爆處理氨水浸泡1.1氨爆法預(yù)處理纖維 素氨 爆破系統(tǒng)1.2氨水浸泡處理木質(zhì)纖維素（工藝流程）發(fā)酵制醇廢物處理節(jié)能強(qiáng)化示范工程課題框架酶解糖化預(yù)處理多酶復(fù)配酶回收再用高固液比糖化2酶解糖化研究框架0.1m3擴(kuò)試裝置酶解罐及自控柜2.2高固液比酶解糖化（裝置）2.2高固液比酶解糖化(國際進(jìn)展比較)原料預(yù)處理方式固含量乙醇濃度(g/L)操作方式文獻(xiàn)軟木蒸汽12%WIS35間歇JChemTechnolBiotechnol,2009麥草H2O2/O214%DM22.2間歇ApplBiochemBiotechnol,2008玉米秸稈SO2/Steam10%WIS24.6間歇Biomass&Bioenergy,2006柳樹SO2/Steam9%WIS32間歇EnzymMicrobTech,2006云杉SO2/Steam10%DM44.5間歇-補(bǔ)料EnzymMicrobTech,2005玉米芯H2SO415%DM52.3間歇-補(bǔ)料BioresourceTechnology2010玉米芯H2SO4-NaOH19+6%DM84.7間歇-補(bǔ)料本項(xiàng)目研究酸堿組合處理階段補(bǔ)料高固給料達(dá)到精餾經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（40g/L為精餾經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)）BioresourceTechnology,2010,101:4959-4964.2.3纖維素酶回收——(1).重吸附法響應(yīng)面法優(yōu)化重吸附操作條件（底物濃度、加酶量、吐溫量）底物濃度：4wt%加酶量：45FPU/g纖維素吐溫量：0.03g/g纖維素纖維素酶回收率：85.7%利用重吸附法回收內(nèi)切和外切纖維素酶，連續(xù)操作3次可使纖維素酶的利用率提高1倍以上。工藝和設(shè)備簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)勢：2.3“微濾－超濾－納濾”多級(jí)酶膜耦合反應(yīng)器微濾除渣納濾糖濃縮超濾截酶設(shè)計(jì)并構(gòu)建了以“微濾－超濾－納濾”為主體的多級(jí)膜分離設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)木質(zhì)纖維素酶解產(chǎn)物的除渣、截酶和糖濃縮，提高了纖維素酶的利用率30L多級(jí)膜分離裝置2.3酶膜反應(yīng)器(國際進(jìn)展比較)膜的形式底物預(yù)處理最終底物濃度補(bǔ)料酶解率與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比酶解率提高文獻(xiàn)平板膜α-纖維素?zé)o2.5%無53%51.4%BiochemEngJ,2002不銹鋼管外包非織布紡織物SolkaFloc無5%無53%9.4%EnzymMicrobTech,2006中空纖維膜麥稈汽爆17.5%無43.6%無比較ProcessBiochemistry,2006中空纖維膜秸稈汽爆10%無85%102%Biomass&Bioenergy,2006卷式膜秸稈酸堿耦合7%5%分五次75%36.4%本項(xiàng)目研究卷式膜玉米芯酸堿耦合14%10%分五次78%62.5%本項(xiàng)目研究預(yù)處理廢物處理節(jié)能強(qiáng)化示范工程課題框架發(fā)酵制醇酶解糖化3.發(fā)酵制醇菌株耐受能力所屬單位TMB3400-FT30-3延滯期從90小時(shí)減少到17小時(shí)（含40%水解液的培養(yǎng)基）隆德大學(xué)S.cerevisiae307-12-F40耐受30mM（2.88g/L）糠醛美國農(nóng)業(yè)部ATCC211239耐受30mM（2.88g/L）糠醛美國農(nóng)業(yè)部Baker's耐受50mM（5g/L）糠醛隆德大學(xué)突變株IV含8g/L醋酸的培養(yǎng)基中生長VTT公司突變株I、V、VI含6g/L醋酸的培養(yǎng)基中生長VTT公司SF耐受10g/L糠醛天津大學(xué)SA耐受35g/L醋酸天津大學(xué)SP耐受8g/L苯酚天津大學(xué)3.1單一抑制劑耐受3.2復(fù)合抑制劑耐受復(fù)合抑制劑耐受菌株菌株標(biāo)號(hào)耐受能力歸屬單位YYJ003糠醛1.3g/L，苯酚0.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)M1糠醛1.3g/L，苯酚0.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)YYJ003-1糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)M1-1糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)MA糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)MF糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)I6糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大學(xué)TMB3001(adapted)呋喃類2.2g/L，酚類1.4g/L，酸類5.0g/L隆德大學(xué)注：苯酚是酚類中毒性最大的化合物。3.3乙醇耐受國際乙醇耐受菌株：菌株耐受能力策略所屬單位SC1存活于含20%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中馴化VictoriaUniversity，澳大利亞CM1存活于含20%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中誘變+馴化VictoriaUniversity，澳大利亞S.cerevisiaeFY834可以在含10%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中生長馴化大阪大學(xué)，日本YFY1/2/3可以在含13%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中生長基因工程AIST，日本spt15-300mutantstrain存活于含20%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)錄機(jī)器工程MIT，美國2757存活于含20%（V/V）乙醇培養(yǎng)基中梯度馴化天津大學(xué)，中國3.5纖維素水解液發(fā)酵優(yōu)化稻草秸稈為底物的全流程衡算：AFEX預(yù)處理酶解以S.cerevisiae424A(LNH-ST)為發(fā)酵菌株1.00±0.05KgRicestraw385.6±16.7gGlc.172.5±8.8gXyl.1.01±0.07KgAFEXtreatedricestraw265.2±12.0gMo.Glc.96.0±5.0gMo.Xyl.37.2±1.8gOlig.Glc.56.4±0.9gOlig.Xyl.Enzymecocktail175.6±9.3gEthanol375.2±1.7gGlc.170.0±1.7gXyl.Insolublesolids55.2±0.5gGlc.26.0±0.6gXyl.InitialOD=0.5Yeastinoculum34.2±0.05gMo.Xyl.36.9±1.2gOlig.Glc.56.9±1.3gOlig.Xyl.以1000g稻草秸稈為底物，經(jīng)過氨爆破預(yù)處理，酶解和發(fā)酵，最終可得到175.6g乙醇。并發(fā)現(xiàn)：酶解過程中產(chǎn)生的寡糖（寡聚葡萄糖和寡聚木糖）是纖維素乙醇轉(zhuǎn)化過程中的障礙之一。3.5纖維素水解液發(fā)酵優(yōu)化草料高粱為底物的全流程衡算：以100g草料高粱為底物，經(jīng)過氨爆破預(yù)處理，酶解和發(fā)酵，最終可得到17.1g乙醇，酶解（約18%的干物質(zhì)載荷）過程的纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到74.0%和72.8%，發(fā)酵過程的糖醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到90.0%。3.5纖維素水解液發(fā)酵優(yōu)化甜高粱渣為底物的全流程衡算：以100g甜高粱渣為底物，經(jīng)過水洗、氨爆破預(yù)處理、酶解和發(fā)酵，在不利用水洗液的情況下，最終可以得到11.0g乙醇，其中發(fā)酵過程的糖醇轉(zhuǎn)化率為82.2%。3.5纖維素水解液發(fā)酵優(yōu)化甜高粱渣為底物的全流程衡算：以100g甜高粱渣為底物，在利用水洗液的情況下，最終可以得到15.9g乙醇，其中發(fā)酵過程的糖醇轉(zhuǎn)化率為96.9%。預(yù)處理節(jié)能強(qiáng)化示范工程課題框架發(fā)酵制醇酶解糖化廢物處理4.1燃料乙醇廢水生物處理（工藝流程）蒸餾廢水DistilleryWastewater乙醇蒸餾EthanolDistillation氨浸泡預(yù)處理SAA預(yù)處理廢水PretreatmentWastewater過濾處理過濾處理厭氧一級(jí)處理AnaerobicDigestion好氧處理AerobicTreatment深度處理TertiaryTreatment混合出水FinallyEffluent厭氧消化去除高濃度蒸餾廢水中的絕大部分有機(jī)物，轉(zhuǎn)化為清潔能源——甲烷生產(chǎn)回用Reuse好氧處理進(jìn)一步去除厭氧出水和預(yù)處理廢水COD及氨氮去除難降解COD和色度，保證出水質(zhì)量預(yù)處理示范工程課題框架發(fā)酵制醇酶解糖化廢物處理節(jié)能強(qiáng)化6示范工程現(xiàn)場6示范工程現(xiàn)場主要考核指標(biāo)完成情況一、利用酶膜耦合反應(yīng)器使酶的利用率提高一倍，纖維素轉(zhuǎn)化率>85%；氨水處理后，48小時(shí)內(nèi)纖維素轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%；添加輔酶優(yōu)化后的氨爆破預(yù)處理纖維素的酶解轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%；在連續(xù)補(bǔ)料操作中，可使纖維素酶利用率提高1倍以上二、構(gòu)建乙醇發(fā)酵基因工程酵母菌株，對(duì)糠醛的耐受濃度達(dá)到5g/L、對(duì)乙醇的耐受濃度達(dá)到25%(V/V)；對(duì)纖維素糖化液的乙醇發(fā)酵水平接近淀粉糖的發(fā)酵水平，糖醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到理論值的90%，連續(xù)發(fā)酵停留時(shí)間不超過60小時(shí)；得到的糠醛耐受菌株的耐受能力為糠醛10g/L，乙醇耐受菌株可在25%(V/V)乙醇存在下存活；基于氨爆破處理的纖維素水解發(fā)酵的糖醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.9%。混合抑制劑耐受菌株的發(fā)酵時(shí)間由90小時(shí)縮短為17小時(shí)；三、回收的CO2純度大于99.9%；得到純度達(dá)99.92%的CO2氣體。主要考核指標(biāo)及完成情況主要考核指標(biāo)完成情況四、燃料乙醇生產(chǎn)廢渣處理及高蛋白飼料生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)；用纖維素類原料酒糟與廢水處理階段剩余污泥，生產(chǎn)有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)廢渣完全利用五、建立一套高濃度燃料乙醇有機(jī)廢水集成系統(tǒng)裝置，出水達(dá)到燃料乙醇生產(chǎn)回用標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)廢水零排放；出水主要指標(biāo)達(dá)到國家酒精行業(yè)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到企業(yè)回用指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)廢水零排放六、低溫差滴狀冷凝換熱器和固相強(qiáng)化沸騰換熱器較常規(guī)列管式換熱器傳熱系數(shù)提高50%；開發(fā)了固相強(qiáng)化沸騰換熱器，傳熱系數(shù)增加100%～200%；七、纖維素為原料的制醇工藝及裝置優(yōu)化，單位燃料乙醇能耗降低10%；利用進(jìn)料分流的差壓熱耦合方式，比傳統(tǒng)單塔節(jié)能約40.5%，比常規(guī)兩塔差壓熱耦合節(jié)能13.3%八、申報(bào)國家發(fā)明專利10項(xiàng)，發(fā)表論文30篇。申報(bào)國家發(fā)明專利10項(xiàng)，發(fā)表論文31篇。主要考核指標(biāo)及完成情況ThankYouforYourAttention合成生物技術(shù)課題承擔(dān)單位：清華大學(xué)

華大基因研究院

天津大學(xué)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

北京大學(xué)中科院青島能源所

浙江大學(xué)

長沙天賜生物醫(yī)藥公司牽頭人：元英進(jìn)所在單位：天津大學(xué)2011年11月1日33生物醫(yī)藥領(lǐng)域-前沿生物技術(shù)“863”項(xiàng)目方案論證一、需求分析（2）：以合成生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)糧食原料向木質(zhì)纖維素原料的轉(zhuǎn)變木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理原料酶解六碳糖五碳糖功能底盤細(xì)胞能源、醫(yī)藥等生物基產(chǎn)品玉米大豆抑制劑糧食原料木質(zhì)纖維素原料耐受抑制劑年消耗1300萬噸糧食34年產(chǎn)7億噸，3億噸可用作生物原料34一、需求分析（4）：以合成生物技術(shù)促進(jìn)化石燃料向生物燃料的轉(zhuǎn)變生物燃料化石燃料石油煤炭天然氣人工合成生物系統(tǒng)廉價(jià)生物質(zhì)消耗總值$2150億/年IATA預(yù)計(jì)到2020年生物航油可替代15%

約$300億/年的市場份額35微藻大腸桿菌酵母菌藍(lán)細(xì)菌采油芽孢桿菌GregoryStephanopoulos（麻省理工學(xué)院）代表人物2010年

總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)Discovery：2006年世界十大科技進(jìn)展2010GeorgeWashingtonCarverJayKeasling（加州大學(xué)伯克利分校）JamesC.Liao

（加州大學(xué)洛杉磯分校）原有模塊合成模塊

Science.2010,330:70-74Nature.2006,440:940-943Nature.2008,

451:86-89原有模塊合成模塊代表性工作合成模塊主要進(jìn)展（3）功能產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)合成技術(shù)36HuiminZhao

（伊利諾伊大學(xué)香檳分校）模塊組裝工具NucleicAcidsRes.2009,37(2)2010NationalAcademiesKeckFuturesInitiativeAward發(fā)展基因組自下而上人工設(shè)計(jì)和合成技術(shù)，突破真核染色體全合成、DNA高通量高保真合成等關(guān)鍵技術(shù)，人工全合成酵母染色體，搶占合成生物技術(shù)的制高點(diǎn)；開發(fā)功能底盤細(xì)胞構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建利用五六碳糖和耐受復(fù)合抑制劑的功能底盤細(xì)胞，突破木質(zhì)纖維素利用的關(guān)鍵技術(shù)；開發(fā)人工合成生物體系的設(shè)計(jì)創(chuàng)建技術(shù)，建立高效生產(chǎn)紫杉醇、青蒿素、甾體激素類等重要藥物及其前體的高效合成生物體系，突破重要的植物源醫(yī)藥產(chǎn)品的人工細(xì)胞合成替代天然提取；建立以低廉底物高效生產(chǎn)脂肪醇、烷烴等高級(jí)生物燃料的人工合成生物體系；設(shè)計(jì)構(gòu)建合成特種聚合物、微生物源和植物源藥物的高效人工生物體系；構(gòu)建環(huán)境耐受的工業(yè)微生物人工體系和光能人工細(xì)胞工廠。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，培育合成生物技術(shù)的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。37一、研究目標(biāo)四、項(xiàng)目效益與風(fēng)險(xiǎn)分析38本項(xiàng)目的實(shí)施為實(shí)現(xiàn)糧食原料向木質(zhì)纖維素原料的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)典型植物源藥物的模塊化合成，促進(jìn)化石燃料向生物燃料的轉(zhuǎn)變，在這些方面將突破一批合成生物學(xué)前沿和核心技術(shù)；

創(chuàng)制一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的途徑、產(chǎn)物與工程菌；提高生物產(chǎn)業(yè)核心競爭力和經(jīng)濟(jì)效益，形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)支撐點(diǎn)。提升現(xiàn)有重要藥物生產(chǎn)的工藝效益，包括抗感染藥物、抗腫瘤藥物，糖尿病藥物，免疫抑制劑藥物，抗生素（多肽類、林可酰胺類、氨基糖苷類）等。促進(jìn)我國從藥物產(chǎn)量大國向醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國的提升。本項(xiàng)目預(yù)期成果產(chǎn)生新增20億產(chǎn)值，這里不再一一贅述。木糖代謝模塊的設(shè)計(jì)上游代謝模塊

XKS1RPE1Ribulose-5PRKI1Ribose-5PTKL1Glycer-aldehyde-3Psedoheptulose7-phosphateTAL1Fructose-6PErythrose-4-phosphateATPADP下游代謝模塊XylAGlycolysis39上游模塊的組合設(shè)計(jì)XI(TDH3)XI(PGK1)XI(HXK2)XKS1(TDH1)XKS1(PGK1)XKS1(TDH3)HXK2TDH1PGK1TDH3強(qiáng)度大小組合1組合2組合3啟動(dòng)子XylAXKS1ADPXylitolGRE3ATP組合4組合6組合54041XKS1TDH1pPGK1tXKS1PGK1pPGK1tXKS1TDH3pPGK1tTJU077TJU065TJU