863專題項目生物能源關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)項目建議書

1、“十二五”863計劃生物和醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域?qū)ｎ}項目生物能源關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)項目建議書、863計劃生物和醫(yī)藥技術(shù)領(lǐng)域辦公室二一年六月50目 錄摘 要1一、項目提出的依據(jù)2二、項目立項的意義、必要性和緊迫性3（一）生物能源是引領(lǐng)能源戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，應(yīng)對國際競爭的迫切需要3（二）生物能源是保障國家能源安全，推動可持續(xù)發(fā)展的迫切需要4（三）發(fā)展生物能源是保護生態(tài)環(huán)境，建設(shè)低碳經(jīng)濟的迫切需要5（四）發(fā)展生物能源是調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進農(nóng)民增收的迫切需要5三、項目相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)和相關(guān)發(fā)展趨勢6（一）研發(fā)基礎(chǔ)6（二）發(fā)展趨勢12四、項目領(lǐng)域的戰(zhàn)略分析、發(fā)展思路、本項目的總體目標(biāo)及考核指標(biāo)15（一）總體目標(biāo)1

2、5（二）考核指標(biāo)16五、主要研究內(nèi)容17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)17課題2：一步法生物加工1.5代燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)及示范19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)21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24課題5：低成本微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)及油脂制備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及示范25課題6：低成本富油微生物培養(yǎng)及油脂制備關(guān)鍵技術(shù)及示范26課題7：適于廣譜油脂原料的酶法生物柴油技術(shù)開發(fā)及示范28課題8：生物燃氣菌群調(diào)控及高效產(chǎn)氣關(guān)鍵技術(shù)30課題9：潔凈生物燃氣生產(chǎn)過程優(yōu)化及示范33課題10：長鏈醇生物燃料生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)及示范36六、項目主要的創(chuàng)新點和突破點39（一

3、）創(chuàng)新點39（二）突破點39七、項目實施年限、經(jīng)費需求、課題組織實施方式40（一）起止年限40（二）經(jīng)費需求40（三）課題組織實施方式40附件：41摘 要石油資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，國家高度重視可再生能源的發(fā)展，在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要和國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃中都明確提出了我國生物能源科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。發(fā)展生物能源對于保障國家能源安全，推動新能源戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)民增收，都具有重要意義。“十五”以來，國家在973項目、863項目和科技支撐計劃項目中，先后安排了一批生物能源相關(guān)的基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和工程示范項目，取得了良好進展。截止到2009

4、年底，我國燃料乙醇產(chǎn)量已達到172萬噸，生物柴油約30萬噸，生物燃氣約120億立方米。本項目針對燃料乙醇、生物柴油和生物燃氣三大主要生物能源產(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)。預(yù)計項目完成后，現(xiàn)有燃料乙醇生產(chǎn)發(fā)酵能耗降低40%，水耗降低20%；建立萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程；建立總面積10000 m2的低成本能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)示范基地，千噸級規(guī)模微生物油脂生物柴油中試裝置，適宜于廣譜油脂的萬噸級規(guī)模酶法生物柴油示范工程；建設(shè)日產(chǎn)潔凈生物燃氣10000 m3的示范基地；培育2-3個產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，拉動生物能源產(chǎn)值約300億；培

5、養(yǎng)引進8-10名領(lǐng)軍人才，申請100個左右發(fā)明專利，發(fā)表論文約300篇，其中50%為sci收錄，培養(yǎng)博碩士研究生約600人。本項目申請國家撥款1.5億元，地方和部門配套1.0億元，企業(yè)投入3.0億元，總經(jīng)費投入5.5億元。一、項目提出的依據(jù)目前，我國已成為世界能源消費大國，其中基于煤炭和石油的兩大化石類能源占能源消費總量的比例高達90%，但我國石油資源嚴(yán)重匱乏，2009年石油進口量已占石油消費總量的50%以上。黨中央、國務(wù)院高度重視包括生物能源在內(nèi)的各類可再生能源的開發(fā)利用。2005年11月國際可再生能源大會在北京召開，胡錦濤總書記在發(fā)來的賀詞中指出：“加強可再生能源開發(fā)利用，是應(yīng)對日益嚴(yán)重的

6、能源和環(huán)境問題的必由之路，也是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路?！痹?010年4月22日召開的國家能源委員會第一次會議上，國務(wù)院總理溫家寶強調(diào)：“要加快能源調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)，大力培育新能源產(chǎn)業(yè)，下大力氣落實2020年非化石能源消費比重提高到15%的目標(biāo)；要提高能源科技的創(chuàng)新能力，支撐現(xiàn)代能源體系建設(shè)。”國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020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。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到1000萬噸，生物柴油年利

7、用量達到200萬噸，沼氣年利用量達到440億立方米?！币獙崿F(xiàn)這一目標(biāo)，迫切需要發(fā)展符合我國國情的生物能源產(chǎn)品生產(chǎn)原料，特別是以農(nóng)作物秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源和各類有機廢棄物，開發(fā)生物能源產(chǎn)品生產(chǎn)創(chuàng)新技術(shù)，顯著降低成本，提高生物能源產(chǎn)品與不可再生化石類能源產(chǎn)品的競爭能力。二、項目立項的意義、必要性和緊迫性發(fā)展生物能源對于推動能源戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保障國家能源安全，改善生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，都具有重要的戰(zhàn)略意義。（一）生物能源是引領(lǐng)能源戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，應(yīng)對國際競爭的迫切需要生物能源一直是歐美等發(fā)達國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，美國政府能源部（department of energy,

8、doe）早在上世紀(jì)七十年代石油危機事件之后就建立了可再生能源國家實驗室（national renewable energy laboratory, nrel），對以農(nóng)林廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源生產(chǎn)以燃料乙醇為代表的液體燃料技術(shù)開發(fā)給予重點支持。2000年10月，為了加快推進美國先進生物燃料技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，nrel組建了國家生物能源中心（national bioenergy center, nbc），為doe的生物質(zhì)開發(fā)計劃（doe biomass program）及預(yù)期目標(biāo)的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。金融危機爆發(fā)以來，新能源發(fā)展被提升到了前所未有的高度，新能源產(chǎn)業(yè)正孕育著新的經(jīng)濟增長點，

9、同時也將成為新一輪國際競爭的戰(zhàn)略制高點，美國總統(tǒng)奧巴馬積極呼吁加快美國生物燃料的開發(fā)，以構(gòu)建美國清潔能源產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以期在新能源和環(huán)境問題上引領(lǐng)世界，政府研發(fā)投入不斷增加，如2009年5月6日能源部長朱棣文宣布從“美國促進經(jīng)濟恢復(fù)行動（the american recovery and reinvestment act）”資金中安排7.865億美元支持先進生物燃料技術(shù)開發(fā)和生物煉制產(chǎn)業(yè)化示范（advancing biofuels r & d and commercial-scale biorefinery demonstration projects）。歐盟國家對進口石油的依賴也越來越重，200

10、7年27個歐盟國家進口石油總量已經(jīng)超過6億噸，對外依存度接近80%。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，2006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)展遠景規(guī)劃（biofuels in the eu: a vision for 2030 and beyond）。2009年10月歐盟委員會發(fā)布“低碳技術(shù)發(fā)展投資計劃（investing in the development of low carbon technologies, the set-plan）”，擬在未來10年內(nèi)投入約90億歐元，支持生物能源技術(shù)

11、開發(fā)，并針對歐盟區(qū)不同國家的地理環(huán)境、氣候條件和基礎(chǔ)設(shè)施狀況，建立30個左右的生物能源中試、產(chǎn)業(yè)化示范及商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)裝置。（二）生物能源是保障國家能源安全，推動可持續(xù)發(fā)展的迫切需要表1所示為2000-2009年10年內(nèi)我國石油消費結(jié)構(gòu)?？梢婋S著經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，石油消費總量不斷增加，而國內(nèi)石油生產(chǎn)只能維持在1.8億噸左右，供需矛盾特別突出，從2008年開始，我國進口石油的比例已經(jīng)超過50%。 表1：2000-2009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2000200120022003200420052006200720082009總 量2.222.172.312.522.

12、912.993.223.463.694.08國內(nèi)產(chǎn)量1.631.641.691.691.741.801.841.871.801.89進 口 量0.590.530.620.831.171.191.381.591.892.19進口比例（%）26.624.426.832.940.239.842.846.051.353.6發(fā)展生物能源，逐步減輕對進口石油的依賴程度，已經(jīng)成為國家能源安全及經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大需求?。ㄈ┌l(fā)展生物能源是保護生態(tài)環(huán)境，建設(shè)低碳經(jīng)濟的迫切需要據(jù)2009年國際能源署（international energy agency, iea）發(fā)布的燃料燃燒二氧化碳排放2009（co2 e

13、missions from fuel combustion, 2009 edition），2007年中國co2總排放量為60億噸，主要來自能源生產(chǎn)與消費，占全球排放的21%，超過美國成為世界上co2排放第一大國。2009年11月25日國務(wù)院召開常務(wù)工作會議，研究部署應(yīng)對氣候變化工作，決定到2020年我國控制溫室氣體排放的行動目標(biāo)：單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40-45%。由于全球溫室氣體總量的60%以上來自能源生產(chǎn)和消費領(lǐng)域，而生物能源產(chǎn)品具有碳排放中性的特點,其生產(chǎn)和消費中產(chǎn)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(dǎo)致大氣環(huán)境co2的凈增加，是實現(xiàn)溫室氣體減

14、排目標(biāo)的根本出路?。ㄋ模┌l(fā)展生物能源是調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進農(nóng)民增收的迫切需要生物能源生產(chǎn)原料主要來自農(nóng)業(yè)，發(fā)展生物能源，可以轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)種植業(yè)“糧經(jīng)飼”三元結(jié)構(gòu)為“糧經(jīng)飼能”四元結(jié)構(gòu)，為農(nóng)村開辟新興產(chǎn)業(yè)，有效延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，增加農(nóng)村就業(yè)機會，增加農(nóng)民收入。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。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

15、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。目前國內(nèi)外燃料乙醇主要以糖質(zhì)和淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)，即第一代燃料乙醇，其大規(guī)模發(fā)展一方面會影響糧食安全，另一方面擴大原料種植面積會破壞生態(tài)多樣性。利用以秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)的纖維素乙醇，被稱為第二代燃料乙醇，但木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化難的問題十分突出?；谀軌蛟诓贿m宜于糧食作物生長的邊際土地上種植，生物量產(chǎn)量高且易于加工轉(zhuǎn)化的原料如甜高粱莖稈和菊芋塊莖等生產(chǎn)的燃料乙醇，被稱為1.5代燃料乙醇。（一）研發(fā)基礎(chǔ)1、淀粉質(zhì)原料燃料乙醇技術(shù)我國“十五”期間試點建設(shè)大型燃料乙醇裝置，目前已經(jīng)形成了總量172萬噸的燃料乙醇生產(chǎn)能力，不僅積

16、累了發(fā)展燃料乙醇這一最主要生物能源產(chǎn)品的經(jīng)驗，而且乙醇發(fā)酵關(guān)鍵技術(shù)和大型裝置建設(shè)的工程化技術(shù)都取得了重大突破。淀粉質(zhì)原料高濃度乙醇發(fā)酵技術(shù)取得突破：在我國發(fā)展燃料乙醇之前，乙醇發(fā)酵行業(yè)發(fā)酵終點乙醇體積比濃度一般在8-10%，不僅發(fā)酵醪精餾能耗高，而且噸乙醇生產(chǎn)排放的廢糟液高達12-15噸，廢糟液處理設(shè)備投資大，運行能耗高的問題更突出。在國家“十五”重點科技攻關(guān)項目“生物能源生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”和工業(yè)界的共同支持下，大連理工大學(xué)、江南大學(xué)和廣西科學(xué)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(shù)發(fā)酵終點乙醇體積比濃度已經(jīng)達到15%以上，工業(yè)生產(chǎn)裝置連續(xù)發(fā)酵乙醇體積比濃度已

17、經(jīng)提高到12-13%，燃料乙醇生產(chǎn)的能耗顯著降低。高溫乙醇發(fā)酵技術(shù)進一步降低燃料乙醇能耗：酵母乙醇發(fā)酵一般在30-32c下進行，而循環(huán)冷卻水在夏季高溫季節(jié)無法達到冷卻發(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。2、纖維素乙醇技術(shù)與歐美等發(fā)達國家相比，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。2004年國家973計劃立項支持了“秸稈資源高值化關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)研究”，由中科院過程工程研究所聯(lián)合山東大學(xué)、中科院微生物所和清華大學(xué)等單位承擔(dān)，圍繞秸稈組分分

18、離機制及其反應(yīng)性、纖維素氫鍵網(wǎng)絡(luò)破裂和短纖維形成機制及秸稈分級轉(zhuǎn)化過程工程基礎(chǔ)理論等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，取得的進展為秸稈類生物質(zhì)預(yù)處理和綜合利用技術(shù)的開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。2008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(jīng)過二年多的努力，在原料預(yù)處理、纖維素酶生產(chǎn)菌株篩選及液體深層發(fā)酵、混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建、技術(shù)集成與系統(tǒng)優(yōu)化等方面都取得了較好研究進展。與此同時，浙江大學(xué)等單位在國家863項目支持下，真菌纖維素酶技術(shù)開發(fā)取得突破性進展，在50噸規(guī)模發(fā)酵罐中，標(biāo)準(zhǔn)濾紙酶活達到80 iu/ml以上，其技術(shù)指標(biāo)與國外兩大酶制劑公司諾維信（novozymes）和杰能科（gene

19、ncor）的水平接近。3、1.5代燃料乙醇技術(shù)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(chǎn)量高，易于加工轉(zhuǎn)化的作物如菊芋和甜高粱等，可以促使燃料乙醇產(chǎn)業(yè)向原料多元化方向發(fā)展?！笆晃濉逼陂g，大連理工大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等單位開展了以菊芋塊莖為原料生產(chǎn)燃料乙醇的研究，選育了具有菊粉酶生產(chǎn)能力且乙醇發(fā)酵性能良好的克魯維酵母，開發(fā)了集產(chǎn)酶、糖化及乙醇發(fā)酵為一體的創(chuàng)新技術(shù)，目前利用大慶周邊大量鹽堿地的菊芋規(guī)?；N植及加工園區(qū)已經(jīng)建立，為菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇，創(chuàng)造了良好條件。甜高粱被公認(rèn)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(xué)等單位開發(fā)了基于先進固體發(fā)

20、酵技術(shù)的甜高粱莖稈一步法生物加工生產(chǎn)乙醇創(chuàng)新技術(shù)，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(yīng)器。4、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，2008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)達到國際先進水平”。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。華東理工大

21、學(xué)等單位近年來先后開展了這一領(lǐng)域的研究工作，取得了良好進展。篩選獲得了優(yōu)質(zhì)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(yīng)器，解決了反應(yīng)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。在酶法生物柴油制備技術(shù)方面，北京化工大學(xué)、清華大學(xué)和四川大學(xué)等單位開展了大量的研究工作，開發(fā)了適合脂肪酸酯生產(chǎn)的專一假絲酵母脂肪酶，該酶是一種新脂肪酶，目前已在基因庫中登記(abg81956)，并獲國家發(fā)明專利（專利號：zl 200510112638.5），完成了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，開發(fā)了

22、新型酶膜反應(yīng)器及酶的固定化方法，成功地用于生物柴油的酶法合成，該成果2005年獲得中國石油化工協(xié)會技術(shù)發(fā)明一等獎，2008年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎。針對傳統(tǒng)生物酶法工藝的瓶頸問題，清華大學(xué)提出了利用新型有機介質(zhì)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(yīng)物甲醇及副產(chǎn)物甘油對酶反應(yīng)活性及穩(wěn)定性的負(fù)面影響，使酶的使用壽命延長了數(shù)十倍。該項目于2005年通過了教育部科技成果鑒定，經(jīng)中石化石油化工科學(xué)研究院檢測，制備的生物柴油，其品質(zhì)達到了歐盟生物柴油和美國生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。生物柴油生產(chǎn)過程副產(chǎn)10%左右的甘油，將其高值化利用生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品不僅可以降低生物柴油的生產(chǎn)成本

23、，而且能夠減少廢水處理的費用。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)。5、生物燃氣（沼氣）生物燃氣也稱沼氣，截至到2008年底，我國年產(chǎn)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(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展。在潔凈生物燃氣技術(shù)開發(fā)方面，中科院成都生物所與德國beb公司合作，共同完成聯(lián)合國工業(yè)

24、發(fā)展組織示范項目“坦桑尼亞劍麻廢液產(chǎn)沼氣發(fā)電工程”和“古巴哈瓦那市20-30萬戶家庭有機垃圾沼氣發(fā)電工程”，這兩個工程均為高濃度全混式連續(xù)發(fā)酵工藝，綜合了生物脫硫和多級生物調(diào)控等多項先進技術(shù)。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(jīng)驗，開發(fā)了膜吸收脫硫關(guān)鍵技術(shù)，在天然氣脫硫中的應(yīng)用，可以將總硫和硫化氫分別脫除到0.1ppm以下，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?！笆晃濉逼陂g，“新型高效規(guī)?；託夤こ獭弊鳛閲铱萍贾斡媱澲卮箜椖揩@得支持，研究開發(fā)了“產(chǎn)甲烷菌劑”和“產(chǎn)沼氣促進劑”等相關(guān)功能劑，提高了沼氣裝置的產(chǎn)氣率，縮短

25、了啟動時間。6、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(xué)和比較蛋白質(zhì)組分析，解析了與溶劑耐受、丁醇生物合成相關(guān)的重要分子基礎(chǔ)和脅迫耐受性機制，構(gòu)建了數(shù)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?cè)軇┲卸〈急壤岣?5-20%，對葡萄糖的收率達到40%。與此同時，中科院大連化學(xué)物理研究所和大連理工大學(xué)等單位利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)水解液和菊芋汁水解液生

26、產(chǎn)丁醇的研究也取得了良好進展。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(shù)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(guān)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(chǎn)率；利用適應(yīng)進化技術(shù)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(zhì)電泳分析發(fā)現(xiàn)在高異戊醇耐受性菌株中有超過20個蛋白發(fā)生了上調(diào)或下調(diào)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(gòu)建出初級異丁醇和異戊醇細胞工廠。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

27、生產(chǎn)2,3-丁二醇，發(fā)酵終點產(chǎn)物濃度可以達到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)。（二）發(fā)展趨勢 1、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。以秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)資源豐富，價格低廉，是大規(guī)模發(fā)展燃料乙醇的理想選擇，因此纖維素乙醇成為當(dāng)前研發(fā)的重點，研發(fā)投入不斷增加。以美國為例，2007年2月doe安排3.85億美元支持6個以秸稈為原料采用不同技術(shù)路線的纖維素乙醇

28、示范裝置，2009年5月和12月doe又分別安排7.86億美元和5.64億美元，支持生物能源和生物基化學(xué)品技術(shù)開發(fā)、中試和示范工程裝置建設(shè)，其中大部分經(jīng)費繼續(xù)支持纖維素乙醇，其發(fā)展目標(biāo)是到2012年進入商業(yè)化生產(chǎn)，纖維素乙醇在成本上能夠與成品油競爭。當(dāng)前纖維素乙醇技術(shù)發(fā)展的瓶頸仍然集中在纖維素酶和混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建，前者決定原料預(yù)處理技術(shù)路線、設(shè)備投資和能耗，后者決定纖維素乙醇生產(chǎn)的原料消耗和綜合能耗。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(gòu)如美國政府能源部可再生能源國家實驗室（national renewab

29、le energy laboratory, nrel）等均在纖維素酶技術(shù)開發(fā)方面投入巨大，目標(biāo)是依托現(xiàn)代生物技術(shù)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(chǎn)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。在混合糖發(fā)酵菌株構(gòu)建方面，nrel和普度大學(xué)等研究機構(gòu)分別構(gòu)建了基于乙醇發(fā)酵運動單孢菌（zymononas mobilis）和釀酒酵母（saccharomyces cerevisiae）的工程菌株，實現(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)了高溫細菌（60-70c）連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇技術(shù)，并于2008年建立了一個

30、適宜于多種原料特點的小型示范裝置(process demonstration unit, pdu)。2、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胞植物，整個藻體都能光合作用，其光合效率可以高達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. biotechs green gold！ nat. biotechnol. 2009, 27:15-18）。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

31、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2009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。3、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，但其對細胞的強毒性使發(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?-3%，其中丁醇占60-70%。目前丁醇技術(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

32、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到10%的特點，對酵母進行改造，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。2009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)。4、生物燃氣正向車用燃料和潔凈工業(yè)能源方向發(fā)展規(guī)模化沼氣工程和相關(guān)技術(shù)近年來在國外迅速發(fā)展。據(jù)2006年統(tǒng)計，德國3800座農(nóng)業(yè)沼氣工程的發(fā)電裝機總量為660 mw，

33、到2010年德國的生物燃氣將占總能源消耗的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，2008年戶用沼氣已經(jīng)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(nóng)村進入城鎮(zhèn)，沼氣的應(yīng)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。高效微生物菌種、微生物代謝調(diào)控技術(shù)、先進工藝裝備等成為當(dāng)前沼氣規(guī)模化生產(chǎn)穩(wěn)定高效運行技術(shù)的發(fā)展趨勢。四、項目領(lǐng)域的戰(zhàn)略分析、發(fā)

34、展思路、本項目的總體目標(biāo)及考核指標(biāo)可再生能源是經(jīng)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(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)資源在自然進化過程中形成的對降解的強抗性，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

35、，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理，開發(fā)相應(yīng)的策略，提供了先進的方法和手段。本項目的發(fā)展思路是依托現(xiàn)代生物技術(shù)進展提供的先進方法和手段，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的新型高效低成本能源微藻光自養(yǎng)培

36、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)潔凈生物燃氣10000 m3的示范基地，實現(xiàn)戶用燃氣向城鎮(zhèn)居民集中供氣、車用燃氣生產(chǎn)或熱電聯(lián)產(chǎn)；培育2-3個產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，培養(yǎng)引進8-10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)1、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，促進清潔生產(chǎn)。2、開發(fā)甜高粱莖稈和菊芋塊莖為原料的1

37、.5代燃料乙醇技術(shù)，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。3、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。4、建立萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程裝置，實現(xiàn)穩(wěn)定運行，纖維素乙醇生產(chǎn)成本與淀粉質(zhì)原料燃料乙醇可競爭。5、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。6、提高生物燃氣生產(chǎn)效率和裝置運行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，使其由傳統(tǒng)的農(nóng)村戶用向城鎮(zhèn)集中供氣、車用燃氣和工業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變。7、第二代生物燃料生產(chǎn)技術(shù)達到國際先進水平。五、主要

38、研究內(nèi)容本項目主要研究內(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1.5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；生物燃氣生產(chǎn)菌群調(diào)控及高效產(chǎn)氣關(guān)鍵技術(shù)；潔凈生物燃氣生產(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行改造，形成

39、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)能耗和成本進一步降低。研究內(nèi)容：1、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。2、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。3、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)濟指標(biāo)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(chǎn)。預(yù)期目標(biāo)：1、實現(xiàn)超高濃度發(fā)酵，成熟醪的乙醇含量達到18%（v/v）；2、提高菌株的高溫耐受性，發(fā)酵溫度達到38-40 c；3、燃料乙醇發(fā)酵

40、能耗降低40%以上，發(fā)酵廢液排放減少20%；4、專利技術(shù)成果8-10項，發(fā)表論文20-30篇，50%為sci檢索。相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：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)國家重點實驗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)的主要研究機構(gòu)之一，已承擔(dān)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(shù)倍的-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)并完成了多項國家863項目和科技攻

41、關(guān)項目。2004年與豐原集團合作，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工程建設(shè)中得到實際應(yīng)用，2008年獲教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)進步二等獎，承擔(dān)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(shù)（2007aa10z358）”，取得良好進展。創(chuàng)新點和突破點：1、采用分子進化等酶分子改造方法，對淀粉酶進行改性；2、在闡明高濃度乙醇對抑制酵母細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。課題2：一步法生物加工1.5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

42、）的關(guān)鍵技術(shù)和工程放大問題。研究內(nèi)容：1、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行預(yù)處理，其成本和品質(zhì)滿足燃料乙醇生產(chǎn)要求。2、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)水平進行優(yōu)化。3、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標(biāo)排放及污泥焚燒處理技術(shù)，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。4、技術(shù)集成及工

43、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1、發(fā)酵時間小于40小時，發(fā)酵后殘總糖0.8%，乙醇收率90%；2、建設(shè)3萬噸/年規(guī)模燃料乙醇示范工程裝置；3、專利技術(shù)成果4-5項，發(fā)表論文10-15篇，50%為sci檢索。菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇1、乙醇濃度達到10%（v/v），發(fā)酵時間60小時，乙醇收率90%；2、廢糟液在發(fā)酵系統(tǒng)直接循環(huán)使用的比例達到30%；3、建設(shè)1萬噸/年規(guī)模燃料乙醇示范工程裝置；4、專利技術(shù)成果4-5項，發(fā)表論文10-15篇，50%為sci檢索。相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：清華大學(xué)研究開發(fā)的一步生

44、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2005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)，2009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)新點和突破點：1、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)濟是本課題的創(chuàng)新點；2、選育獲得具有集產(chǎn)酶

45、、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。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)雜分子機制的基礎(chǔ)上，對菌株進行代謝工程改造，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：1、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

46、少，適宜于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的先進預(yù)處理技術(shù)。2、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。3、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理的基礎(chǔ)上，提高酶系總表達量，另一方面，研究通過代謝工程或發(fā)酵工程手段，調(diào)節(jié)降解酶系組成的新方法，生產(chǎn)酶系得到改良的高效復(fù)合纖維素酶制劑。4、微生物降解木質(zhì)纖維素酶系的解析和高效降解酶系的復(fù)配研究不同酶組分與纖維素底物間相互作用及不同酶分子間協(xié)同作用機制，確定影響酶解

47、效率的因素，為復(fù)配高效降解酶系奠定基礎(chǔ)。5、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。6、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。7、新型嗜熱乙醇菌和熱纖梭菌的遺傳改造已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嗜熱厭氧乙醇桿菌能夠直接利用纖維素，與熱纖梭菌混合發(fā)酵后乙醇生產(chǎn)水平得到提高，但發(fā)

48、酵周期長，乙醇發(fā)酵濃度和速率慢。擬通過功能基因組學(xué)分析和基因組規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建模，解析對乙醇生產(chǎn)具有重要作用的基因及其調(diào)控表達機制，開發(fā)新型遺傳操作系統(tǒng)，對重要調(diào)控位點和乙醇代謝反饋抑制位點進行改造，提高菌株生產(chǎn)乙醇的水平。預(yù)期目標(biāo)：1、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)用的先進預(yù)處理技術(shù)；2、制定以預(yù)處理后木質(zhì)纖維素為底物的纖維素酶評價方法；3、纖維素酶液體深層發(fā)酵濾紙酶活（國際單位）達到120 iu/ml，其中纖維二糖酶（國際單位）達到 5 iu/ml；4、萬噸級規(guī)模纖維素乙醇裝置的噸燃料乙醇生產(chǎn)用纖維素酶成本與目前水平相比降低50%，達到800

49、元以下；5、預(yù)處理后秸稈類生物質(zhì)發(fā)酵全糖利用率達到90%；6、乙醇對全糖收率為理論值的85%以上；7、發(fā)酵終點乙醇體積比濃度達到8%，平均發(fā)酵時間不超過60 h；8、專利技術(shù)成果20-30項，發(fā)表論文30-40篇，50%為sci檢索。相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：中科院過程工程研究所在國家973項目支持下，圍繞秸稈組分分離機制及其反應(yīng)性、纖維素氫鍵網(wǎng)絡(luò)破裂和短纖維形成機制及秸稈分級轉(zhuǎn)化過程工程基礎(chǔ)理論等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究， 為開發(fā)低能耗高效預(yù)處理技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。浙江大學(xué)、山東大學(xué)、中科院微生物研究所等單位長期從事纖維素酶的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，篩選獲得了產(chǎn)酶水平高菌株，在50 m3發(fā)酵罐液體

50、深層發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的濾紙酶活（fpa）已經(jīng)達到80 iu/ml，并在河南天冠和安徽豐原集團的纖維素乙醇示范工程中得到應(yīng)用。早在2005年，大連理工大學(xué)就與山東大學(xué)合作，開展基于脅迫耐受性好的自絮凝酵母構(gòu)建混合糖發(fā)酵菌株的研究工作。創(chuàng)新點和突破點：1、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)；2、在解析菌株基因組信息的基礎(chǔ)上，進行基因工程改造，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；3、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。課題4：纖維素乙醇技術(shù)開發(fā)及萬噸級

51、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。研究內(nèi)容：1、秸稈類原料收集物流體系研究和大規(guī)模采收設(shè)備的研制；2、高效低成本秸稈預(yù)處理技術(shù)、工藝和設(shè)備；3、酶解工藝的改進與優(yōu)化，降低纖維素酶的消耗；4、構(gòu)建耐高溫和抑制物的混合糖發(fā)酵高產(chǎn)菌株，優(yōu)化發(fā)酵條件；5、開發(fā)適應(yīng)纖維素乙醇醪液物性的乙醇精餾工藝；6、廢水廢渣的資源化開發(fā)，實現(xiàn)生物質(zhì)資源的全量利用；7、單元技術(shù)集成與系統(tǒng)優(yōu)化，工程放大技術(shù)及設(shè)計工藝包開發(fā)。預(yù)期目標(biāo)：1、全糖利用率達到90%以上，乙醇對

52、全糖得率達到85%；2、發(fā)酵終點乙醇濃度達到7%（v/v），平均發(fā)酵時間60 h；3、建成萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程裝置，噸乙醇干基秸稈原料消耗6噸，成本可與淀粉質(zhì)原料燃料乙醇競爭；4、專利技術(shù)成果8-10項，發(fā)表論文5-6篇，50%為sci檢索相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：在國家973、863和科技支撐項目及中科院知識創(chuàng)新重大項目支持下，我國纖維素乙醇基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)都取得一定進展，河南天冠和安徽豐原分別建設(shè)了萬噸級規(guī)模纖維素乙醇示范工程裝置，中糧集團與諾維信公司合作，建立了500噸規(guī)模的中試裝置，這些工作為進一步提高我國纖維素乙醇技術(shù)水平，降低成本奠定了良好基礎(chǔ)。創(chuàng)新點和突破點：1、在單

53、元技術(shù)集成基礎(chǔ)上的系統(tǒng)優(yōu)化，是本課題的突出創(chuàng)新點；2、最大限度降低纖維素乙醇成本，使其能夠與淀粉質(zhì)原料燃料乙醇競爭，是實現(xiàn)示范工程裝置穩(wěn)定運行的突破點。課題5：低成本微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)及油脂制備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及示范以微藻生物柴油規(guī)模化生產(chǎn)為目標(biāo)，在集成優(yōu)化的基礎(chǔ)上建立中試規(guī)模裝置，對系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)進行評價。研究內(nèi)容：1、獲得具有速生、富油和抗逆等優(yōu)良特性，適于戶外規(guī)?；囵B(yǎng)的能源微藻優(yōu)良藻種；2、高效能源微藻光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)開發(fā)與放大；3、微藻低成本采收、油脂提取及生物柴油制備技術(shù)開發(fā)與放大；4、糟渣高附加值組分的分離提取及深加工；5、微藻生物柴油規(guī)?；苽湎到y(tǒng)集成優(yōu)化與成本分析。預(yù)期目標(biāo)：1、選

54、育2-3株適合戶外規(guī)?；囵B(yǎng)，速生、富油和抗逆優(yōu)良藻種；2、光生物反應(yīng)器藻細胞密度達到4 g/l，細胞產(chǎn)率達到0.6 g/l/d；3、用于規(guī)模化培養(yǎng)的戶外敞開式光自養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)單個面積達到500 m2，藻細胞產(chǎn)率達到0.3 g/l/d，油脂產(chǎn)率達到100 mg/l/d；4、微藻細胞采收率不低于80%，微藻油脂提取率不低于90%，轉(zhuǎn)酯率不低于95%；5、建成總面積不低于10000 m2的高效低成本微藻光自養(yǎng)系統(tǒng)及包括微藻采收、油脂提取與轉(zhuǎn)化，年產(chǎn)生物柴油10噸的示范裝置；6、專利技術(shù)成果10-15項，發(fā)表論文20-30篇，50%為sci檢索。相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：華東理工大學(xué)和中科院青島能源所等

55、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60%的優(yōu)良藻種，在戶外敞開式系統(tǒng)中培養(yǎng)8天藻細胞密度達3 g/l以上，藻體油脂含量達40%。創(chuàng)新點和突破點：1、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；2、微藻細胞高密度培養(yǎng)和低成本采收是本課題的突破點。課題6：低成本富油微生物培養(yǎng)及油脂制備關(guān)鍵技術(shù)及示范針對含糖富營養(yǎng)化廢水，開發(fā)產(chǎn)油微生物高效培養(yǎng)生產(chǎn)油脂關(guān)鍵技術(shù)，為我國生物柴油產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟新的油脂原料來源。研究內(nèi)容：1、高效轉(zhuǎn)化富營養(yǎng)化廢水油脂微生物菌種選育

56、和發(fā)酵工藝優(yōu)化選育能夠利用富營養(yǎng)化廢水及農(nóng)作物秸稈水解液合成油脂的微生物菌株，研究油脂合成代謝機制，提高油脂對糖的收率和油脂含量。2、產(chǎn)油微生物高效低成本采收及油脂提取技術(shù)研究差速離心、絮凝、氣浮等采收技術(shù)及相互適配、協(xié)同作用機制，研究菌體破壁和油脂提取技術(shù)及對生物柴油品質(zhì)的影響，開發(fā)微生物油脂生物柴油生產(chǎn)工藝。3、高效定向合成生物柴油基因工程微生物構(gòu)建及發(fā)酵工藝優(yōu)化對生物柴油用脂肪酶菌種進行改造，提高有機溶劑耐性和中長鏈脂肪酸酯催化活性和專一性；構(gòu)建直接合成生物柴油及生產(chǎn)含特定脂肪酸組成的工程菌株，研究基因工程菌株合成生物柴油的培養(yǎng)條件及生產(chǎn)和遺傳穩(wěn)定性等。預(yù)期目標(biāo)：1、產(chǎn)油微生物耐鹽超過3

57、0 g/l，干基油脂含量60，降解廢水cod 50-90；2、開發(fā)出產(chǎn)油微生物高效低成本采收、破壁及油脂提取工藝，細胞采收率90%，油脂提取率90%，品質(zhì)符合生物柴油原料標(biāo)準(zhǔn)；3、建立1000噸/天富營養(yǎng)廢水超低排放、產(chǎn)油微生物培養(yǎng)及油脂制備示范裝置1套，實現(xiàn)發(fā)酵后廢水90循環(huán)使用，整個工藝經(jīng)濟上可行，比普通植物油脂成本低20以上；4、構(gòu)建1-3株直接合成生物柴油的基因工程菌，直接發(fā)酵制備生物柴油產(chǎn)率達到5 g/l；5、以發(fā)酵液中總還原糖計算，油脂的質(zhì)量收率達20%，菌體油脂含量60%，油脂生產(chǎn)強度0.8 g/l/h；6、建立以作物秸稈為主要原料，年產(chǎn)1000噸微生物油脂生物柴油示范工程裝置，秸稈生物柴油得率達到10%；7、構(gòu)建3-5株生產(chǎn)特定脂肪酸的產(chǎn)油酵母工程菌株，進一步改善微生物油脂和生物柴油的品質(zhì)和技術(shù)經(jīng)濟性；8、專利技術(shù)成果10-15項，發(fā)表論文20-30篇，50%為sci檢索。相關(guān)工作基礎(chǔ)及優(yōu)勢團隊：北京化工大學(xué)2004年開始研究利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)油脂，篩選得到了系列富含油脂微生物，利用含糖有機廢水