863专题项目-生物能源关键技术研究与开发项目建议书(编辑修改稿)

863专题项目-生物能源关键技术研究与开发项目建议书(编辑修改稿)内容摘要：

素酶的成本从目前的每加仑约 30 美 分降低到 10 美分以下。 在混合糖 13 发酵菌株构建方面， NREL和普度大学等研究机构分别构建了基于乙醇发酵运动单孢菌（ Zymononas mobilis）和酿酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae）的工程菌株，实现混合糖发酵生产乙醇， 而英国的 TMO Renerewables Ltd 公司则开发了高温细菌（ 6070C）连续发酵生产纤维素乙醇技术，并于 20xx年建立了一个适宜于多种原料特点的小型示范装置 (Process Demonstration Unit, PDU)。 能源微藻已经成为生物能源 技术发展的前沿 微藻是在海洋、湖泊等水体中分布广泛的单细胞植物，整个藻体都能光合作用，其光合效率可以高达 10%，产油能力是油料作物如大豆、向日葵、油菜籽和棕榈树等的 10倍以上，而且微藻培养不占用耕地，以 CO2为碳源光自养生长（ E Waltz. Biotech’s green gold。 Nat. Biotechnol. 20xx, 27:1518）。 因此，光自养微藻被认为是最有可能替代油料作物，为生物柴油产业发展提供大宗原料的选择。 目前，世界范围内正在广泛开展微藻低成本培养及微藻油脂生产生物柴油技术的研究 ，在美国政府能源部 20xx年支持生物能源专项经费中，微藻生物燃料得到大力支持。 长链醇类可望成为第二代生物燃料 以丁醇为代表的长链醇作为燃料的性能优于乙醇，被认为是第二代生物燃料，但其对细胞的强毒性使发酵水平比乙醇低约 10倍，因此目前丁醇的生产成本显著高于乙醇。 国内外丁醇发酵的菌株均为梭菌（ Clostridium sp.） ，发酵过程副产丙酮和乙醇，总溶剂量一般在 23%，其中丁醇占 6070%。 目前丁 14 醇技术开发体现在两个方面：一是对现有菌株从不同层面，特别是基于基因组序列测定和解析提供的信息，对其进 行改造，设法提高对丁醇的耐受性和发酵过程丁醇生成的比例；另一方面是基于酵母对醇类物质抑制具有良好的耐受性，如可以耐受 20%以上的乙醇，对丁醇的耐受性也能够达到 10%的特点，对酵母进行改造，将梭菌中的丁醇代谢途径转入酵母体系，如美国加州大学伯克利分校 Jay Keasling 教 授正与 英国石油公司 BP 合作开展这一研究工作，合成生物学的概念和方法也因此而产生。 20xx 年 BP 又与美国杜邦（ DuPont）合作建立了一个新的公司 Butamax Advanced Biofuels，专门致力于丁醇技术开发。 生物燃气正向 车用燃料和洁净工业能源方向发展 规模化沼气工程和相关技术近年来在国外迅速发展。 据 20xx年统计，德国 3800座农业沼气工程的发电装机总量为 660 MW，到 20xx年德国的生物燃气将占总能源消耗的 4％以上。 瑞典把沼气（ Biogas）净化后得到甲烷，再压缩至 200 kg/cm2作为汽车和火车燃料，在南部的 Linkoping 市 76%的公交车和 70%的出租车使用沼气，全国使用沼气的轿车已超过 5000 辆，建设加气站 70 多个。 我国农村沼气技术占据国际领先地位， 20xx 年户用沼气已经达到了 120 亿 M3，规划到 2020年我 国工业沼气将发展到 140 亿 M3，沼气将从边远农村进入城镇，沼气的应用也从过去户用燃料向车用燃气和工业燃料和原料发展。 高效微生物菌种、微生物代谢调控技术、先进工艺装备等成为当前沼气规模化生产稳定高效运行技术的发展趋势。 15 四、项目领域的战略分析、发展思路、本项目的总体 目标 及 考核指标 可再生能源是经济和社会可持续发展的必然选择，生物能源是可再生能源的重要组成部分，其中以燃料乙醇和生物柴油为代表的生物燃料，尽管其目前在能源消费构成中所占的比例还不大，但已被公认是替代石油基液体燃料如汽油、柴油和航油的唯一选择。 生物能源生产原料必须是资源丰富，廉价易得，不影响生态多样性的农林废弃物，如以各类作物秸秆和畜禽粪便等为代表的木质纤维素类生物质资源，只有这样生物能源产业的大规模发展才不会引发诸如“与人类争粮油，与粮油争土地”的社会问题。 然而，木质纤维素类生物质资源在自然进化过程中形成的对降解的强抗性，使生物能源产品的生产成本还很高，难以与石油基产品相竞争，但是现代生物技术的发展，特别是各种组学技术，已经为解析这一问题的机理，开发相应的策略，提供了先进的方法和手段。 本项目的发展思路是依托现代生物技术进展提供的先进方法和手段，注重与工程技术的结合，最大限度地降低生物能源产品的生产成本，提高其与石油基产品的竞争能力。 （一）总体目标 开发淀粉质原料燃料乙醇节能减排新技术；研究甜高粱茎秆和菊芋块茎乙醇发酵 技术，为燃料乙醇原料多元化提供技术支撑； 建立原料预处理、纤维素酶和混合糖发酵菌株构建平台，支撑纤维素乙醇技术开发和产业发展，建立 3 个以秸秆为原料，技术路线上各有特色的万吨级规模纤维素乙醇示范工程；建立总面积 10000 M2的新型高效低 16 成本能源微藻光自养培养示范基地，配套建设包括微藻采收、油脂提取与转化生产生物柴油中试装置，建立千 吨级微生物油脂生物柴油中试装置和适宜于广谱油脂资源的万吨级规模酶法生物柴油示范工程；建设日产洁净生物燃气 10000 M3的示范基地，实现户用燃气向城镇居民集中供气、车用燃气生产或热电联产；培育 23 个产学研技术创新联盟，培养引进 810名领军人才，申请 100个左右发明专利，发表论文 300篇左右，其中 50%为 SCI收录，培养博硕士研究生 600人左右。 （二）考核指标 提高淀粉质原料发酵终点乙醇浓度和发酵温度，使发酵能耗降低 40%，水耗降低 20%； 提高废糟液直接循环比例，促进清洁生产。 开发甜高粱茎秆和 菊芋块茎为原料的 ，其生产成本与淀粉质原料可竞争，实现燃料乙醇生产原料的多元化。 建立原料预处理、纤维素酶和混合糖发酵菌株构建平台，突破木质纤维素类生物质资源高效利用生产燃料乙醇的技术屏障。 建立万吨级规模纤维素乙醇示范工程装置，实现稳定运行，纤维素乙醇生产成本与淀粉质原料燃料乙醇可竞争。 突破富油微藻和微生物低成本培养、油脂提取和生物柴油制备关键技术；开发适宜于广谱油脂原料的酶法生物柴油生产技术，建立万吨级规模示范工程装置。 提高生物燃气生产效率和装置运行技术经济指标，使 其由传统的农村户用向城镇集中供气、车用燃气和工业热电联产转变。 第二代生物燃料生产技术达到国际先进水平。 17 五、 主要研究内容 本项目主要研究内容包括：基于酶和菌种改造的燃料乙醇节能减排技术；燃料乙醇原料多元化，即 代燃料乙醇关键技术；支撑纤维素乙醇发展的原料预处理、纤维素酶和混合糖发酵菌株构建平台技术；基于单元技术集成与优化的纤维素乙醇生产技术开发及示范；微生物油脂生产及生物转化制备生物柴油关键技术；微藻低成本培养及生物柴油规模化制备关键技术；酶法生物柴油工程化技术开发及示范；生物燃气生产菌群调控及高 效产气关键技术；洁净生物燃气生产工程化技术开发及示范；第二代生物燃料生产关键技术。 本项目共设置 10个课题，现分述如下： 课题 1： 基于酶和菌种改造的 燃料乙醇节能减排关键技术 对淀粉酶、糖化酶和酵母菌株进行改造， 形成具有自主知识产权的产品和技术，使 燃料乙醇生产能耗和成本进一步降低。 研究内容： 酶分子改造 采用分子进化等酶分子改造方法，改造淀粉酶和糖化酶，提高酶解效率和工艺性能等。 酿酒酵母菌种的选育和构建 建立酿酒酵母菌种库，采用组学研究和代谢工程改造等方法选育构建耐高乙醇浓度和高发酵温度，发酵性能 优良的生产菌株。 基于废糟液直接循环使用的清洁生产技术 研究废液循环比例对乙醇发酵的影响，在不影响乙醇发酵技术经 18 济指标的前提下，提高废糟液直接循环使用的比例，促进清洁生产。 预期目标： 实现超高浓度发酵，成熟醪的乙醇含量达到 18%（ V/V）； 提高菌株的高温耐受性，发酵温度达到 3840 C； 燃料乙醇发酵能耗降低 40%以上，发酵废液排放减少 20%； 专利技术成果 810项，发表论文 2030 篇， 50%为 SCI检索。 相关工作基础及优势团队： 广西科学院建有国家地方特色能源工程技术研究 中心，国家非粮生物质能源工程技术研究中心，生物能源酶解技术国家重点实验室等多个国家级研究平台，是我国生物质能源研究与开发的主要研究机构之一，已承担并完成了多项国家和省部级重大研究项目，在高温淀粉酶分子改造方面取得良好进展，已克隆改造出活力比目前商品酶高数倍的α 淀粉酶，筛选和构建了适合以废糖蜜或淀粉和蔗汁混合液为原料进行浓醪发酵的新型酵母菌株。 大连理工大学长期从事乙醇发酵研究工作，承担并完成了多项国家 863项目和科技攻关项目。 20xx年与丰原集团合作，建设了万吨级规模自固定化酵母乙醇连续发酵技术产业化示范 工程装置 ，并在国家燃料乙醇试点工程建设中得到实际应用， 20xx年获教育部高等学校科学技术进步二等奖，承担国家 863 项目“ 自絮凝颗粒酵母高密度、高浓度和高强度乙醇连续发酵技术（ 20xxAA10Z358）”，取得良好进展。 创新点和突破点： 采用分子进化等酶分子改造方法，对淀粉酶进行改性； 19 在阐明高浓度乙醇对抑制酵母细胞的抑制作用及反应机制基础上，构建耐受乙醇浓度 18%（ v/v）以上的菌株。 课题 2：一步法生物加工 代燃料乙醇关键技术及示范 以甜高粱茎秆和菊芋块茎为原料生产燃料乙醇，解决一步法生物加 工（ CBP）的 关键技术和工程放大问题。 研究内容： 甜高粱茎秆和菊芋块茎预处理及贮藏技术 采用物理、化学、生物等方法对收获的甜高粱茎秆和菊芋块茎进行预处理，其成本和品质满足燃料乙醇生产要求。 一步生物加工法直接发酵生产乙醇 技术 研究甜高粱茎秆固体发酵生产乙醇的关键科学问题，如菌体微生物学特性及传质传热机制等；对菊芋块茎原料生产燃料乙醇，开发同步产酶、酶解和乙醇发酵创新技术，并在动力学水平进行 优化。 糟渣治理综合利用清洁生产技术 分析甜高粱秆发酵糟渣营养成分，为饲料产品开发提供指导；对菊芋块茎原料 乙醇发酵废糟液，开发厌氧发酵生产沼气、消化液曝气处理后达标排放及污泥焚烧处理技术，实现清洁生产。 技术集成及工程放大 针对物料特殊性，开发甜高粱茎秆固体发酵反应器和菊芋块茎液体深层发酵反应器的工程放大技术。 预期目标： 甜高粱茎秆生产燃料乙醇 20 发酵时间小于 40小时， 发酵后残总糖≤ %，乙醇收率 90%； 建设 3万吨 /年规模燃料乙醇示范工程装置 ； 专利技术成果 45 项，发表论文 1015 篇， 50%为 SCI 检索。 菊芋块茎生产燃料乙醇 乙醇浓度达到 10%（ v/v），发酵时间 60小时， 乙醇收 率 90%； 废糟液在发酵系统直接循环使用的比例达到 30%； 建设 1万吨 /年规模燃料乙醇示范工程装置 ； 专利技术成果 45 项，发表论文 1015 篇， 50%为 SCI 检索。 相关工作基础及优势团队： 清华大学研究开发的 一步生物加工甜高粱秆生产乙醇技术， 在国家“十一五 ” 科技支撑项目支持下 取得良好进展，目前已在内蒙古 特弘生物有限责任公司 建立了反应 器容积规模 127 M3 的中试装置。 大连理工大学自 20xx 年开始开展盐碱地种植收获的菊芋块茎原料生产乙醇的研究工作，与复旦大学等合作，选育了具有菊粉酶生产能力且乙醇 发酵性能优良的克鲁维酵母，开发了集产酶、糖化和发酵于一体的创新技术， 20xx 年与 大庆九环菊芋生物产业有限公司合作，依托当地盐碱地资源，开展菊芋规模化种植及加工园区建设，为承担本课题研究工作奠定了良好基础。 创新点和突破点： 采用一步法整合生物加工策略，不消耗酶制剂，过程简单经济是本课题的创新点； 选育获得具有集产酶、秸秆纤维素酶解或菊粉酶解和乙醇发酵于一体的高效菌株则是突破点。 21 课题 3：预处理、纤维素酶和混合糖发酵菌株构建平台技术 开发低能耗高效原料预处理技术； 基于 纤维素酶生产菌株基因组序列测定及解 析提供的信息，对其进行改造，优化纤维素酶各组分的组成，提高纤维素酶解效率；在揭示五碳糖代谢和抑制物耐受性这些由多基因控制生理性状复杂分子机制的基础上，对菌株进行代谢工程改造，构建高效利用木质纤维素水解液或直接利用纤维素原料生产乙醇的工程菌株。 研究内容： 与纤维素酶特征适配的低能耗高效预处理技术 阐明预处理与原料组分和结构之间构效关系，研究纤维素酶解对原料预处理的要求，开发能耗低、糖损耗小、影响酶解和发酵的毒副产物少，适宜于大规模生产应用的先进预处理技术。 建立新的纤维素酶制剂评价体系 滤纸或 CMC 酶活都是基于纤维素酶水解纯底物，无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，因此需要建立针对天然木质纤维素底物的复合纤维素酶系评价方法。 纤维素酶系组分的合成调控和高效复合酶制剂的发酵生产 在研究揭示真菌纤维素酶合成代谢机理的基础上，提高酶系总表达量，另一方面，研。