木质纤维素乙醇发酵及生物炼制

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
BlueFire Ethanol有限公司
投资：4000万美元 拟建厂址：加利福尼亚州Irvine市
能源部生物能源科学研究中心 DOE BioEnergy Science Center
位于田纳西州，隶属于能源部橡树岭国家实验室
（DOE’s Oak Ridge National Laboratory） 合作单位：乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），能源部国家可再生能源研究 室（DOE’s National Renewable Energy Laboratory），乔治亚大学（University of Georgia），达特茅思学院（Dartmouth College），田纳西大学（University of Tennessee）
木质纤维素资源的生物精练技术
可持续发展
可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品
生物质资源开发 木质纤维素
生物加工工艺 酶法有机转化
绿色生物产品 生物酒精
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
廉价石油时代终结了 ---人类必须戒除“油瘾”
实现政府的目标，需600个年产1亿加仑 （30 多万吨）的乙醇厂
丰原生化09年产量41万吨。
Abengoa Bioenergy Biomass 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
未经过预处理：
蔗渣、林产加工废物、食品加工废物……
已经过预处理：
造纸废渣、木糖渣、糠醛渣……
开发原料收集、运输体系
木质纤维素组成：纤维素约45%（主要由葡萄糖聚合 而成）、半纤维素约30%（主要由木糖聚合组成）， 木质素约25%（主要由复杂酚类聚合而成）。
纤维素的结构
木质纤维素原料组分的分离方法
国家经济安全、能源安全 发展农村经济的必由之路 环境保护和社会永续发展
纤维素转化技术的经济效益不过关？
秸秆发酵乙醇的主要难题
原料分散---集运增加成本 组分复杂---必先预加处理 多酶体系---效率急待提高 戊糖难用---酵母先要改造
酶
最 低 销 售 价 （ 加 仑 美 元 ）

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。
中国的石油生产和需求： -----现状和预测
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
Abengoa
主要试图生产纤维乙醇的公司

Ceres ：利用基因工程开发能源作物用于酒精生产，例如柳 枝秫 switchgrass Chevron/NREL: NREL 的合作者，可发NREL专利 Colusa Biomass Energy (CLME.PK): 利用大米壳生产酒 精 Diversa DVS ：与DuPont合作研究白蚂蚁多种酶降解木材 纤维素 DuPont： 研发纤维素酒精生产技术并产业化 (Dupont/Diversa/Broin). Dyadic DIL 研发酶发生产糖 与Abengoa 合作 Genahol 计划在 Long Beach, CA, Chandler, AZ, Columbus, OH, and Orville, OH建多家纤维素酒精厂 Globex GLXI 研发超临界(SCF) 流体和酶水解结合成产纤 维素酒精
主要试图生产纤维乙醇的公司
Star Products Inc. GSPI ：研发无水连续反应器用于纤 维素酒精生产 Iogen Corp. 酶法生产纤维素酒精 Kergy 设计立足于原材料当地的纤维素酒精生产 Nova Fuels (maker of Novahol)：研发生物质-燃料技术主要是 gasification Novozymes NVZMF 纤维素酶的研发 Pacific Ethanol: Bill Gates 在加州，俄勒冈州和爱得华州投资 的厂家 PureEnergy 研发两极稀酸水解流程 SunOpta STKL ：于20年前在法国建立了第一家纤维素酒精厂. 计划在中国和美国建厂 Xethanol XNL 计划于2007年在Augusta, GA 建立5千万加仑的 纤维素酒精厂
原料：700吨分类的绿色废料和来自填埋厂
的木材废料 /天 计划年产：1900万加仑乙醇（约5.7万吨）
Broin公司
投资：8000万美元 拟建厂址：爱荷华州的Emmetsburg
原料：842吨玉米纤维、芯、秸秆等
/天 计划年产：1.25亿加仑的乙醇，其中大约 25%是纤维质乙醇 （约10万吨） 参与者：du Pont 、 Novozymes 以及能源 部国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）
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
973计划
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
“十一五”863计划重点项目
纤维素外切酶
纤维素内切酶
葡萄糖苷酶
木糖
半纤维素经碱性水 解或酶解为木糖。
木酮糖
木糖经过木糖异构 酶、木酮糖激酶等 形成木酮糖，这个 途径在很多微生物 中不存在。
增加表面积 纤维素脱晶 去半纤维素 去木质素 改变木质素结构
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可分离纤维素资源组分的物理、化学方法：辐射 处理、粉碎、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓 酸、酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱 水解及使用非离子表面活性剂等。
稀酸预处理
蒸汽爆碎处理


低温氨爆处理
湿氧化预处理
预处理技术的比较
方法/作用 非催化蒸气爆破 热水 热水（调pH） 热水（流动) 稀酸 稀酸（流动） AFEX ARP 石灰
化石资源是现代工业和现代文明的物质基础
石油、煤炭、天然气不仅提供了 基本的能源，而且提供了99%的 有机工业原料。
环境问题经济观点全球影响
全球暖化的威胁 超过恐怖主义 普京总统签署正式批准 京都议定书之联邦法令
我们愿意做到超越 京都议定书的要求 即使京都议定书不生效， 欧盟都会坚守承诺
Fra Baidu bibliotek
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Green
我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。
(%)
我国在世界CO2排放中的比例
0 1990
2000
2010
2020
2030
2050
2075
2100年
化石经济，付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）
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
加工 原料
必须继续降低生产成本
/
生物质原料资源

目前以及近期 ：农作物以及低消耗或负消耗的工 业残余物将是生物质的主要来源。 中期：农业和森林业的加工残余物 将为扩张的生 物精练厂产业提供大宗的生物质原料来源。 长期：利用能源作物诸如经过转基因改造的快速 生长树木和草类植物。


原料先易后难：从工业废渣做起
*: Mosier et al., 2005. Bioresource Technology 96: 673-686
纤维素酶
纤维素酶是一种重要的酶产品，是一种复合酶，主要 由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷 酶等组成，还有很高活力的木聚糖酶活力 。 纤维素酶是一种复合酶，不同微生物其组成上有很大 的差异，对纤维素降解能力也大不相同。
中国的燃料乙醇企业
目前主要原料：谷物、糖类、油脂 近期发展目标：木薯、甘薯、甜高粱 长期发展目标：植物纤维资源
植物纤维类生物质降解转化
纤维质原料
纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源，目前尚未 得到充分利用。 利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发目前是国 内外寄予厚望的重点。
纤维素转化的社会效益
能源部联合生物能源研究所 DOE Joint BioEnergy Institute

位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实 验室（DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory） 合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室 （DOE’s Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley），加州大学戴威斯分校 （University of California - Davis），斯坦福大学 （Stanford University）
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
科技部和发改委
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%。
中国政府面临两难境地
中国《可再生能源中长期发展规划》要求，
我国生物燃料乙醇的年生产能力将在2020年 达到1000万吨。 原计划2010年达500万吨，但因原料供应等 问题，可能调减为200万吨。 国务院召开关于可再生能源的会议，中国将 停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项目， 在不得占用耕地，不得消耗粮食，不破坏生 态环境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。
需的能源、材料、大宗化学品、医药等。
物质转化体系的第三次革命
煤炭经济
化石原料（石油）经济 碳水化合物经济
第一代燃料乙醇大量消耗粮食
液体燃料的CO2和能量平衡
纤维素资源来源广、产量大
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：对石油的依赖要降低20％ 2030年：对石油的依赖降低30%

主要试图生产纤维乙醇的公司
ABGOF： Babilafuente (Salamanca), 西班牙， 2007 建立第一家工业化的纤维素酒精厂 Arkenol: 酸水解生产酒精 Archer Daniels Midland ADM： 利用玉米秸杆 Alternative Energy Sources (AENS): 玉米淀粉酒精，计划转 为纤维素酒精 Bioengineering Resources Inc. (BRI)：利用废物生产酒精 BlueFire BFRE ：计划用酸水解法生产酒精. Broin ：美国最大的干磨酒精生产商与Novozymes 和 Dupont 合作 Celunol ：购买了SunOpta 的生物质酒精生产专利，计划2007 在洛杉矶建厂。