发酵工程(10)第十章-生物炼制课件.ppt

1、第十章第十章 生物炼制生物炼制目前的工业生产模式不可持续目前的工业生产模式不可持续 化石资源不可再生资源化石资源不可再生资源资源危机资源危机 化石燃料不可再生能源化石燃料不可再生能源能源危机能源危机 三废排放生态环境污染三废排放生态环境污染环境危机环境危机生物质资源开发生物质资源开发是人类继续生存的必然选择是人类继续生存的必然选择 生物质资源为可再生的原料。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，（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，来大规模生产人类所急需的能源、材料、大宗化

2、学品、医药等。料、大宗化学品、医药等。美国政府的三大目标美国政府的三大目标 20122012年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力 20172017年：年：20 in 10-1020 in 10-10年后，对石油的依赖要年后，对石油的依赖要 降低降低2020 20302030年：年：30 by 30-30 by 30-到到20302030年，美国对石油的年，美国对石油的 依赖依赖降低降低30%30%美国能源部半年宣布多笔巨额投资美国能源部半年宣布多笔巨额投资 2 2月宣布：今后四年，投资月宣布：今后四年，投资3.853.85亿美元，用于亿美元，用于6

3、6个生物精炼厂个生物精炼厂项目。总投资将超过项目。总投资将超过1212亿美元。全面投产后，预计每年的纤亿美元。全面投产后，预计每年的纤维质乙醇产量将超过维质乙醇产量将超过1.31.3亿加仑。亿加仑。5 5月宣布：月宣布：2007200720112011年将投入年将投入2 2亿美元资助小规模纤维素生亿美元资助小规模纤维素生物炼制的技术开发，选择物炼制的技术开发，选择5 51010个项目予以资助，要求申请个项目予以资助，要求申请者自筹者自筹5050的经费。的经费。另外，投资另外，投资23002300万美元资助万美元资助5 5个乙醇发个乙醇发酵菌研究，投酵菌研究，投38003800万招标纤维素酶生产

4、研究。万招标纤维素酶生产研究。6 6月宣布：将投入月宣布：将投入3.753.75亿美元建立三个新的生物能源研究中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。心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。Abengoa Bioenergy BiomassAbengoa Bioenergy Biomass及及ChesterfieldChesterfield公司公司 投资：投资：76007600万美元万美元 拟建厂址：堪萨斯州拟建厂址：堪萨斯州 原料：原料：700700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷以及其他原料以及其他原

5、料/天天 计划年产：计划年产：11401140万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约3.53.5万吨），产生万吨），产生足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给周边周边ALICOALICO有限公司有限公司 投资：投资：33003300万美元万美元 拟建厂址：佛罗里达州拟建厂址：佛罗里达州LaBelleLaBelle郡郡 原料：原料：770770吨木材、植物废弃物等吨木材、植物废弃物等/天天 计划年产：计划年产：13901390万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约4.24.2万吨），万吨），62556255千瓦电力，以及每天生产千瓦电力，以及每天生产8.88.8吨氢

6、和吨氢和5050吨氨吨氨 我国是世界第二大能源生产国和消费国，我国是世界第二大能源生产国和消费国，20062006年能源消费总年能源消费总量达到量达到24.624.6亿吨标准煤；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水平的50%50%左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的平的7.7%7.7%和和7.1%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。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，缓解化石能源开发

7、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。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，减轻温室效应化碳净排放，减

8、轻温室效应20032003年：生物催化与生物转化年：生物催化与生物转化20042004年：极端微生物年：极端微生物 生物冶金生物冶金 秸杆资源高值化利用秸杆资源高值化利用20052005年：生物基化学品的生化网络年：生物基化学品的生化网络20062006年：生物炼制细胞工厂年：生物炼制细胞工厂20072007年：生物过程工程优化年：生物过程工程优化“十一五十一五”863863计划重点项目计划重点项目20062006年年 农林生物质工程重大专项启动农林生物质工程重大专项启动 20072007年年 生物产业大会和国际生物经济大会生物产业大会和国际生物经济大会 20202020年年 生物质能源替代运

9、输燃料生物质能源替代运输燃料15%15%科技部和发改委科技部和发改委第一节第一节 生物炼制概述生物炼制概述 生物质生物质-分布于植物体内的大量含碳化合物，主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。质及脂类化合物，是丰富的生物基产品原料。生物炼制生物炼制-以可再生的生物质为原料，经过生物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、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。品、燃料和生物基材料的新型工业模式。

10、一、生物炼制的基本定义一、生物炼制的基本定义原料原料各种不同的、混各种不同的、混合的生物性原料合的生物性原料玉米以及谷物类等作物玉米以及谷物类等作物木质纤维素木质纤维素天然湿生物质原料天然湿生物质原料处理技术处理技术多种技术联合多种技术联合生物处理法生物处理法化学方法化学方法热化学方法热化学方法物理方法物理方法产品产品物质及能源多样物质及能源多样产品系统产品系统燃料燃料化学制品化学制品材料材料 石油炼制石油炼制-以不可再生的化石资源（石油、煤炭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、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。物质的彻

11、底、多元化转化。二、生物炼制与石油炼制二、生物炼制与石油炼制2022-10-23202022-10-23212022-10-2322 原料可再生，不受石油枯竭的影响。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氧化碳可被植物光合作用所利用。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。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需要使用较多的加工技术2022-10-232

12、3第二节第二节 生物炼制系统生物炼制系统2022-10-23252022-10-23262022-10-2327木质纤维素材料包括：秸秆、草、木材、废纸等。木质纤维素材料包括：秸秆、草、木材、废纸等。主要成分：主要成分：纤维素、半纤维素、木素。纤维素、半纤维素、木素。2022-10-23281、木质纤维素的组成及预处理技术、木质纤维素的组成及预处理技术主要成分：主要成分：纤维素、半纤维素、木素纤维素、半纤维素、木素1、木质纤维素的组成及预处理技术、木质纤维素的组成及预处理技术稀酸处理：稀酸处理：蒸汽爆破法：蒸汽爆破法：热水处理法热水处理法有机溶剂法有机溶剂法氨爆破法氨爆破法碱处理法碱处理法预处

13、理方法预处理方法与强酸在高温（与强酸在高温（160-200度）高压下混合度）高压下混合1-10分钟后迅速释放压力，可以将半纤维素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。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利用高压蒸汽使反应温度达到200-240度，度，维持维持30秒秒-20分钟后，突然减压，使物料爆分钟后，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。降解，细胞间结构疏松。2 2、纤维素糖化发酵工艺、纤维素糖化发酵工艺 纤维素酶的生产；纤维素酶的生产；纤维素以及其他不溶性多糖的水解；纤

14、维素以及其他不溶性多糖的水解；纤维素水解物的发酵；纤维素水解物的发酵；半纤维素水解物的发酵。半纤维素水解物的发酵。能在低能在低pHpH、高温、高糖发酵条件下仍能良好生长，能、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。产生的副产品的抑制作用。3、发酵菌株选育、发酵菌株选育二、全谷物生物炼制二、全谷物生物炼制全谷物的原材料包括：全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦玉米、小麦、黑小麦等。等。三、绿色生物炼制三、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。绿色生物质包括：绿色农

15、作物和其他绿色草本植物。第三节第三节 生物炼制的核心技术生物炼制的核心技术2022-10-2339 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。生产其原来并不合成的产品。2022-10-2340二、系统生物技术二、系统生物技术 用系统生物学的方

16、法来研究微生物内在生理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。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及环境适用性的研究l 全域性研究可以发掘微生物生物合成调控基因，为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

17、程参数优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化的分子机制，进一步优化发酵过程参数提供理论依据。依据。三、五碳糖和六碳糖的等效代谢三、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

18、于我们解析代谢网络结构，发现定向优化微生物功能中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。力，对于提升生物炼质的技术水平具有重要意义。第四节第四节 生物基化学品制备技术生物基化学品制备技术2022-10-2346恒沸精馏法恒沸精馏法分子筛脱水分子筛脱水醋酸钾及醋酸钠混合液脱水法醋酸钾及醋酸钠混合液脱水法萃取蒸馏法萃取蒸馏法淀粉吸附法淀粉吸附法离子交换树脂脱水法离子交换树脂脱水法乙醇脱水技术乙醇脱水技术以沸石为分子筛，装入塔中，当以沸石为分子筛，

19、装入塔中，当95%95%的乙醇经的乙醇经过塔时，被吸附的过塔时，被吸附的3/43/4是水，是水，1/41/4是乙醇。是乙醇。醋酸钾（醋酸钾（70%70%）与醋酸钠（）与醋酸钠（30%30%）能溶于水和乙）能溶于水和乙醇，可以脱去乙醇中的水。醇，可以脱去乙醇中的水。采用采用15%-20%15%-20%的醋酸盐作溶剂的醋酸盐作溶剂恒沸精馏法恒沸精馏法-在在95%95%乙醇中添加夹带剂苯、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。通过精馏获得纯度很高的乙醇。二、二、L-L-乳酸提取技术乳酸提取技术钙盐法钙盐法酯化法酯化法电渗析法电渗析法溶剂萃取法溶剂萃取法高真空蒸馏法高真空蒸馏法乳酸提取技术乳酸提取技术