S of IMCAS
基于嗜热微生物的一体化生物加工
• 一体化生物加工被认为是纤维素乙醇的最终解决方案，因 为该工艺的处理工艺少，减少了生产成本。 • 嗜热微生物的许多优势：相比中温菌而言，有更高的反应
速率和较少的污染。嗜热微生物在纤维素乙醇生产领域还
远没有发挥应用的作用。 • 本研究采用系统生物学方法和代谢工程手段，首次进行纤
BPS of IMCAS
生物基化学品的研究现状
• 美国计划到2030年用生物能源替代20%化石燃料每年减少二氧化 碳1亿吨； • 欧盟要求到2010年生物燃料比例占8%，温室气体排放量减少8%， 计划在4年内燃料乙醇产量提高5倍； • 英国石油BP公司宣布将在未来10年内用5亿美元资助生物质能源 研究； • 美国国家可再生能源实验室、加拿大Iogen公司、瑞典隆德大学、 芬兰技术研究中心、法国石油研究院、日本石油替代品发展研究 协会、印度理工学院等都开展了木质纤维素原料酶解转化乙醇的 重视生产线或试生产线； • 2006年，美国公布了《打破生物的障碍：纤维乙醇联合研究议程》 报告，提出了美国的纤维质生物燃料工业发展路线图。
BPS of IMCAS
真菌酶的在线生产系统
• 酶水解木质纤维素得到可发酵糖是纤维素乙醇生产的主要成 本。本课题组致力于开发乙醇工厂酶的在线生产系统，以减 少酶的纯化与运输成本。 • 本研究首先筛选具有相应功能的真菌，然后采用分子生物学 手段作菌株改造，最后开发菌株的培养发酵系统。使用多种 真菌混合培养可以产生更加完善的酶系统。 • 开发了造粒技术，允许反应器中有较高的生物质浓度以提高 生产率。我们还做了筛选菌株的遗传改造以提高其木质素酶 的生产能力。
• 生产过程中存在的问题与解决方案
BPS of IMCAS
生物基化学品
• • • • 生物溶剂：丙酮 生物材料：生物聚酯 生物燃料：乙醇、丁醇 有机酸类：乳酸、苹果酸、琥珀酸
石化来源
生物质来源
BPS of IMCAS
近年的石油价格波动
BPS of IMCAS
生物基燃料的市场需求
The Problem: Our Society STOPS Without Liquid Fuels!
BPS of IMCAS
纤维素基化学品的研究
汇报人：杨勇
陈树林教授、李寅研究员课题组
生物炼制过程与系统（Biorefinery Processes and Systems ） 中科院微生物研究所工业生物技术中心
BPS of IMCAS
汇报内容
• 生物基化学品种类
• 本课题的研究背景及意义
• 本课题组开展的研究工作
50%
Chemicals (15%)
BPS of IMCAS
木质纤维素的化学组成
Black thermoplastic containing lots of energy for burning.
Nature’s plastic glue Xylose and other sugars
Primarily pentoses, 5-carbon sugars.
技术方法
Bio-Chemical
Hydrolysis Fermentation Biocataysis
市 场
Intermediary Products
Biosynthesis
gas
Agricultural Residues:
Forrest Residues: Energy Crops: Poplar,willow
BPS of IMCAS
多原料分布式纤维素乙醇生产系统
• 本研究的目：是开发可利用多种木质纤维素资源
的小型纤维素乙醇生产系统。本研究将采用非常 规的方法实现这一系统。
• 非常规方法：本研究将首次开发适合于多种生物
质原料的预处理和水解流程，并提高/改造微生物
对五碳糖的发酵利用率，并为该工艺发酵过程和
Glucose polymer Homopolymer of glucose,
hexose, a 6-carbon sugar.
BPS of IMCAS
预处理工艺 • 物理方法 • 化学方法 • 物化方法 • 生物预处理 • 联合处理方法
• 农作物秸秆:玉米秸秆、稻草、麦 秸秆 • 森林废弃物与腐殖质 • 能源作物：柳枝稷、白杨 • 城市和建筑废物
BPS of IMCAS
生物基化学品的研究现状
• 2007年2月28日美国能源部部长宣布，在今后四年中，能 源部将投资3.85亿美元，用于支持6个非传统原料（木片、 秸秆和柳枝稷等）生物炼制项目。
• 美国政府要求，到2012年纤维素乙醇成本可同期有竞争；
2013年纤维素乙醇燃料的年使用量要达到2.5亿加仑； • 纤维素乙醇同样也是中国燃料乙醇未来的发展方向：中国
BPS of IMCAS
从石油炼制到生物炼制
(Cow) 生物炼制
=
瘤胃反应器
生物炼制工厂
*Rasby, Rick. ―Estimating Daily Forage Intake of Cows‖. University of Nebraska -Lincoln Institute of Agriculture and Natural Resources, /stories/200608210.shtml, 10/02/06.
买秸秆
柳枝稷 玉米秸秆
38.2
31.0 37.5
21.2
20.4 20.8
0.3
0.3 1.8
0.7
0.9 2.5
2.5
2.8 3.5
23.4
17.6 17.6
BPS of IMCAS
秸秆预处理前后的化学结构
BPS of IMCAS
小分子化合物的分析检测
• 水解产物鉴定
– 葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖
BPS of IMCAS
生物预处理
• 当前的预处理木质纤维素得到可发酵糖的方法不 仅能耗高，条件苛刻，而且会产生对乙醇发酵菌 株有毒性的化合物。 • 木质纤维素在自然环境中能够缓慢地降解，来自 不同微生物的混合酶系统协同作用完成木质纤维 素材料的降解。 • 开发一种利用混合酶系统进行高效快速降解木质 纤维素酶系统的工艺，使木质纤维素的生物预处 理成为可能。
– 第一部分是在分子和细胞水平分析该生物过程并建立 模型。
– 第二部分关注生物炼制过程，包括过程动力学，物质 传递，和能量平衡。
– 第三部分是整合系统不同水平的模型，模拟和优化整 个生物炼制过程。
BPS of IMCAS
纤维素乙醇的研究
纤维素生物质工艺 玉米工艺 甘蔗工艺
乙醇
甘蔗
单糖
发酵
蒸馏
干燥
玉米粒
BPS of IMCAS
拟解决的关键问题 ——本课题的研究目标
Relative Cost
Early Years
Today's Mature Processes
Future
Today
Future
Oil
Processing
BPS of IMCAS
本课题组正在开展的研究
• • • • • • • 纤维素生物质生物预处理 真菌酶的在线生产系统 多原料分布式纤维素乙醇生产系统 基于嗜热微生物的一体化生物加工 建立过程整合及优化的数学模型 生物基大宗化学品的新型合成路线 纤维素乙醇的生产过程整合及优化
秸秆资源量达6亿吨，其中有一半没有得到充分利用；我
国林业废弃物资源量每年8亿吨，其中有3亿吨尚未开发利 用。
BPS of IMCAS
本课题组的研究工作
• • • •
本课题的研究目的 拟解决的关键问题 目前参与的研究项目 需要拓展的研究内容
BPS of IMCAS
生物炼制
原 料
Municipal Solid Waste:
• 发酵抑制物的检测
– 糠醛、甲酸、乙酰丙酸
• 发酵产物鉴定
– 乳酸、丙酮酸、琥珀酸、富马酸、乙酸 – 丙酮、乙醇、丁醇
BPS of IMCAS
纤维素生物质的的水解产生的抑制物
发酵抑制物
BPS of IMCAS
欢迎多提宝贵建议！
BPS of IMCAS
预处理前后纤维素生物质的宏观结构变化
BPS of IMCAS
秸秆在处理前后的微观结构变化
BPS of IMCAS
预处理方法对秸秆结构的改变
BPS of IMCAS
纤维素生物质的化学成分测定
木质纤维素 云杉 松木 桦木 白杨木 纤维素 41.9 37.7 38.2 49.9 木聚糖 6.1 4.6 18.5 17.4 甘露聚糖 NA NA 1.2 4.7 半乳聚糖 1.2 NA NA 1.2 阿拉伯多糖 27.1 27.5 NA 1.8 木质素 9.6 10.8 22.8 18.1
微生物发酵
葡萄糖
单环芳香族化合物
乙醇
丙酮酸
乳酸
丙烯酸
乙酰乙酰辅酶A
乙酰辅酶A
苹果酸
富马酸
聚酯
琥珀酸
BPS of IMCAS
需要拓展的研究内容
• 预处理对纤维素生物质的微观结构的影响
• 纤维素生物质的化学组成及其化学结构
• 纤维素生物质水解产物的测定
• 纤维素生物质水解及发酵过程所产生的发
酵抑制物的检测
维素乙醇生产嗜热菌的筛选，并通过对优选的嗜热微生物
代谢途径改造增加乙醇产率及其对乙醇的耐受性。最后开 发出一体化的纤维素乙醇生产的生物炼制系统。
BPS of IMCAS
建立过程整合及优化的数学模型
• 纤维素乙醇生物炼制是一个复杂的系统，包括生 物学、化学及物理学过程。
• 数学模型及系统分析是理解生物过程及优化生物 炼制系统经济的有效工具。