元英进-科技支撑验收报告纤维素乙醇

国家科技支撑课题验收鉴定会（2007BAD42B02）元英进天津大学化工学院2011-03-04非粮原料制燃料乙醇清洁生产关键技术2本项目设置四个课题:课题1:甜高粱制燃料乙醇绿色工艺关键技术与示范工程-天津实发中科百奥工业生物技术有限公司+清华大学+天津市一轻集团（控股）有限公司课题2:非粮原料制燃料乙醇清洁生产关键技术及应用-天津大学+天津挂月集团课题3:甜高粱种植与预处理关键技术-天津农学院+天津大学课题4:乙醇汽油高效内燃及尾气处理的关键技术-天津大学+四川绵阳新晨动力机械有限公司

1108万元课题任务1、纤维素高效糖化技术提高纤维素酶的酶解效率，降低酶的用量，同时去除或降低糖化液中发酵抑制物的存在。2、高固液比酶解糖化反应通过实现高固液比酶解糖化工艺，可提高糖化液的葡萄糖浓度。3、提高乙醇发酵菌株对抑制剂和乙醇的耐受性通过对菌种进行遗传改造，获得性状优良的发酵菌株，提高其对纤维素糖化液的适用性。4、废弃物资源化关键技术通过生物工程技术、生物反应器技术和膜技术开展废水的资源化利用。5、节能与过程强化关键技术燃料乙醇生产过程进行全流程优化，找出能量优化的切入点；开发出低温差滴状冷凝换热器和固相强化沸腾换热器，强化传热过程；进行高效塔内件和塔填料的开发，进行精馏过程的优化与放大；液体发酵过程的优化与放大；过程集成，实现燃料乙醇生产过程的节能与过程强化。预处理发酵制醇酶解糖化废物处理节能强化示范工程课题2的研究框架课题的执行流程预处理发酵制醇酶解糖化废物处理节能强化示范工程课题框架氨爆处理氨水浸泡1.1氨爆法预处理纤维 素氨 爆破系统1.2氨水浸泡处理木质纤维素（工艺流程）发酵制醇废物处理节能强化示范工程课题框架酶解糖化预处理多酶复配酶回收再用高固液比糖化2酶解糖化研究框架0.1m3扩试装置酶解罐及自控柜2.2高固液比酶解糖化（装置）2.2高固液比酶解糖化(国际进展比较)原料预处理方式固含量乙醇浓度(g/L)操作方式文献软木蒸汽12%WIS35间歇JChemTechnolBiotechnol,2009麦草H2O2/O214%DM22.2间歇ApplBiochemBiotechnol,2008玉米秸秆SO2/Steam10%WIS24.6间歇Biomass&Bioenergy,2006柳树SO2/Steam9%WIS32间歇EnzymMicrobTech,2006云杉SO2/Steam10%DM44.5间歇-补料EnzymMicrobTech,2005玉米芯H2SO415%DM52.3间歇-补料BioresourceTechnology2010玉米芯H2SO4-NaOH19+6%DM84.7间歇-补料本项目研究酸碱组合处理阶段补料高固给料达到精馏经济性指标（40g/L为精馏经济性指标）BioresourceTechnology,2010,101:4959-4964.2.3纤维素酶回收——(1).重吸附法响应面法优化重吸附操作条件（底物浓度、加酶量、吐温量）底物浓度：4wt%加酶量：45FPU/g纤维素吐温量：0.03g/g纤维素纤维素酶回收率：85.7%利用重吸附法回收内切和外切纤维素酶，连续操作3次可使纤维素酶的利用率提高1倍以上。工艺和设备简单，适于工业化生产优势：2.3“微滤－超滤－纳滤”多级酶膜耦合反应器微滤除渣纳滤糖浓缩超滤截酶设计并构建了以“微滤－超滤－纳滤”为主体的多级膜分离设备，实现了对木质纤维素酶解产物的除渣、截酶和糖浓缩，提高了纤维素酶的利用率30L多级膜分离装置2.3酶膜反应器(国际进展比较)膜的形式底物预处理最终底物浓度补料酶解率与传统反应器相比酶解率提高文献平板膜α-纤维素无2.5%无53%51.4%BiochemEngJ,2002不锈钢管外包非织布纺织物SolkaFloc无5%无53%9.4%EnzymMicrobTech,2006中空纤维膜麦秆汽爆17.5%无43.6%无比较ProcessBiochemistry,2006中空纤维膜秸秆汽爆10%无85%102%Biomass&Bioenergy,2006卷式膜秸秆酸碱耦合7%5%分五次75%36.4%本项目研究卷式膜玉米芯酸碱耦合14%10%分五次78%62.5%本项目研究预处理废物处理节能强化示范工程课题框架发酵制醇酶解糖化3.发酵制醇菌株耐受能力所属单位TMB3400-FT30-3延滞期从90小时减少到17小时（含40%水解液的培养基）隆德大学S.cerevisiae307-12-F40耐受30mM（2.88g/L）糠醛美国农业部ATCC211239耐受30mM（2.88g/L）糠醛美国农业部Baker's耐受50mM（5g/L）糠醛隆德大学突变株IV含8g/L醋酸的培养基中生长VTT公司突变株I、V、VI含6g/L醋酸的培养基中生长VTT公司SF耐受10g/L糠醛天津大学SA耐受35g/L醋酸天津大学SP耐受8g/L苯酚天津大学3.1单一抑制剂耐受3.2复合抑制剂耐受复合抑制剂耐受菌株菌株标号耐受能力归属单位YYJ003糠醛1.3g/L，苯酚0.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学M1糠醛1.3g/L，苯酚0.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学YYJ003-1糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学M1-1糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学MA糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学MF糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学I6糠醛1.3g/L，苯酚1.5g/L，乙酸5.3g/L天津大学TMB3001(adapted)呋喃类2.2g/L，酚类1.4g/L，酸类5.0g/L隆德大学注：苯酚是酚类中毒性最大的化合物。3.3乙醇耐受国际乙醇耐受菌株：菌株耐受能力策略所属单位SC1存活于含20%（V/V）乙醇培养基中驯化VictoriaUniversity，澳大利亚CM1存活于含20%（V/V）乙醇培养基中诱变+驯化VictoriaUniversity，澳大利亚S.cerevisiaeFY834可以在含10%（V/V）乙醇培养基中生长驯化大阪大学，日本YFY1/2/3可以在含13%（V/V）乙醇培养基中生长基因工程AIST，日本spt15-300mutantstrain存活于含20%（V/V）乙醇培养基中转录机器工程MIT，美国2757存活于含20%（V/V）乙醇培养基中梯度驯化天津大学，中国3.5纤维素水解液发酵优化稻草秸秆为底物的全流程衡算：AFEX预处理酶解以S.cerevisiae424A(LNH-ST)为发酵菌株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稻草秸秆为底物，经过氨爆破预处理，酶解和发酵，最终可得到175.6g乙醇。并发现：酶解过程中产生的寡糖（寡聚葡萄糖和寡聚木糖）是纤维素乙醇转化过程中的障碍之一。3.5纤维素水解液发酵优化草料高粱为底物的全流程衡算：以100g草料高粱为底物，经过氨爆破预处理，酶解和发酵，最终可得到17.1g乙醇，酶解（约18%的干物质载荷）过程的纤维素和半纤维素的转化率分别达到74.0%和72.8%，发酵过程的糖醇转化率达到90.0%。3.5纤维素水解液发酵优化甜高粱渣为底物的全流程衡算：以100g甜高粱渣为底物，经过水洗、氨爆破预处理、酶解和发酵，在不利用水洗液的情况下，最终可以得到11.0g乙醇，其中发酵过程的糖醇转化率为82.2%。3.5纤维素水解液发酵优化甜高粱渣为底物的全流程衡算：以100g甜高粱渣为底物，在利用水洗液的情况下，最终可以得到15.9g乙醇，其中发酵过程的糖醇转化率为96.9%。预处理节能强化示范工程课题框架发酵制醇酶解糖化废物处理4.1燃料乙醇废水生物处理（工艺流程）蒸馏废水DistilleryWastewater乙醇蒸馏EthanolDistillation氨浸泡预处理SAA预处理废水PretreatmentWastewater过滤处理过滤处理厌氧一级处理AnaerobicDigestion好氧处理AerobicTreatment深度处理TertiaryTreatment混合出水FinallyEffluent厌氧消化去除高浓度蒸馏废水中的绝大部分有机物，转化为清洁能源——甲烷生产回用Reuse好氧处理进一步去除厌氧出水和预处理废水COD及氨氮去除难降解COD和色度，保证出水质量预处理示范工程课题框架发酵制醇酶解糖化废物处理节能强化6示范工程现场6示范工程现场主要考核指标完成情况一、利用酶膜耦合反应器使酶的利用率提高一倍，纤维素转化率>85%；氨水处理后，48小时内纤维素转化率可达90%；添加辅酶优化后的氨爆破预处理纤维素的酶解转化率可达90%；在连续补料操作中，可使纤维素酶利用率提高1倍以上二、构建乙醇发酵基因工程酵母菌株，对糠醛的耐受浓度达到5g/L、对乙醇的耐受浓度达到25%(V/V)；对纤维素糖化液的乙醇发酵水平接近淀粉糖的发酵水平，糖醇转化率达到理论值的90%，连续发酵停留时间不超过60小时；得到的糠醛耐受菌株的耐受能力为糠醛10g/L，乙醇耐受菌株可在25%(V/V)乙醇存在下存活；基于氨爆破处理的纤维素水解发酵的糖醇转化率达到96.9%。混合抑制剂耐受菌株的发酵时间由90小时缩短为17小时；三、回收的CO2纯度大于99.9%；得到纯度达99.92%的CO2气体。主要考核指标及完成情况主要考核指标完成情况四、燃料乙醇生产废渣处理及高蛋白饲料生产关键技术；用纤维素类原料酒糟与废水处理阶段剩余污泥，生产有机肥料，实现废渣完全利用五、建立一套高浓度燃料乙醇有机废水集成系统装置，出水达到燃料乙醇生产回用标准，实现废水零排放；出水主要指标达到国家酒精行业一级排放标准，达到企业回用指标，实现废水零排放六、低温差滴状冷凝换热器和固相强化沸腾换热器较常规列管式换热器传热系数提高50%；开发了固相强化沸腾换热器，传热系数增加100%～200%；七、纤维素为原料的制醇工艺及装置优化，单位燃料乙醇能耗降低10%；利用进料分流的差压热耦合方式，比传统单塔节能约40.5%，比常规两塔差压热耦合节能13.3%八、申报国家发明专利10项，发表论文30篇。申报国家发明专利10项，发表论文31篇。主要考核指标及完成情况ThankYouforYourAttention合成生物技术课题承担单位：清华大学

华大基因研究院

天津大学

中国科学技术大学

北京大学中科院青岛能源所

浙江大学

长沙天赐生物医药公司牵头人：元英进所在单位：天津大学2011年11月1日33生物医药领域-前沿生物技术“863”项目方案论证一、需求分析（2）：以合成生物技术实现粮食原料向木质纤维素原料的转变木质纤维素原料预处理原料酶解六碳糖五碳糖功能底盘细胞能源、医药等生物基产品玉米大豆抑制剂粮食原料木质纤维素原料耐受抑制剂年消耗1300万吨粮食34年产7亿吨，3亿吨可用作生物原料34一、需求分析（4）：以合成生物技术促进化石燃料向生物燃料的转变生物燃料化石燃料石油煤炭天然气人工合成生物系统廉价生物质消耗总值$2150亿/年IATA预计到2020年生物航油可替代15%

约$300亿/年的市场份额35微藻大肠杆菌酵母菌蓝细菌采油芽孢杆菌GregoryStephanopoulos（麻省理工学院）代表人物2010年

总统绿色化学挑战奖Discovery：2006年世界十大科技进展2010GeorgeWashingtonCarverJayKeasling（加州大学伯克利分校）JamesC.Liao

（加州大学洛杉矶分校）原有模块合成模块

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

451:86-89原有模块合成模块代表性工作合成模块主要进展（3）功能产品模块化设计合成技术36HuiminZhao

（伊利诺伊大学香槟分校）模块组装工具NucleicAcidsRes.2009,37(2)2010NationalAcademiesKeckFuturesInitiativeAward发展基因组自下而上人工设计和合成技术，突破真核染色体全合成、DNA高通量高保真合成等关键技术，人工全合成酵母染色体，抢占合成生物技术的制高点；开发功能底盘细胞构建技术，构建利用五六碳糖和耐受复合抑制剂的功能底盘细胞，突破木质纤维素利用的关键技术；开发人工合成生物体系的设计创建技术，建立高效生产紫杉醇、青蒿素、甾体激素类等重要药物及其前体的高效合成生物体系，突破重要的植物源医药产品的人工细胞合成替代天然提取；建立以低廉底物高效生产脂肪醇、烷烃等高级生物燃料的人工合成生物体系；设计构建合成特种聚合物、微生物源和植物源药物的高效人工生物体系；构建环境耐受的工业微生物人工体系和光能人工细胞工厂。通过本项目的实施，培育合成生物技术的战略新兴产业。37一、研究目标四、项目效益与风险分析38本项目的实施为实现粮食原料向木质纤维素原料的转变，实现典型植物源药物的模块化合成，促进化石燃料向生物燃料的转变，在这些方面将突破一批合成生物学前沿和核心技术；

创制一批具有自主知识产权的途径、产物与工程菌；提高生物产业核心竞争力和经济效益，形成战略性新兴产业支撑点。提升现有重要药物生产的工艺效益，包括抗感染药物、抗肿瘤药物，糖尿病药物，免疫抑制剂药物，抗生素（多肽类、林可酰胺类、氨基糖苷类）等。促进我国从药物产量大国向医药产业强国的提升。本项目预期成果产生新增20亿产值，这里不再一一赘述。木糖代谢模块的设计上游代谢模块

XKS1RPE1Ribulose-5PRKI1Ribose-5PTKL1Glycer-aldehyde-3Psedoheptulose7-phosphateTAL1Fructose-6PErythrose-4-phosphateATPADP下游代谢模块XylAGlycolysis39上游模块的组合设计XI(TDH3)XI(PGK1)XI(HXK2)XKS1(TDH1)XKS1(PGK1)XKS1(TDH3)HXK2TDH1PGK1TDH3强度大小组合1组合2组合3启动子XylAXKS1ADPXylitolGRE3ATP组合4组合6组合54041XKS1TDH1pPGK1tXKS1PGK1pPGK1tXKS1TDH3pPGK1tTJU077TJU065TJU