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《利用生物来源的戊内酯生产木质纤维素生物质碳氢燃料平台化学品的工艺设计和技术经济评价》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： pengh
  • 发布时间：2020-08-18

  • 我们报告了一种生产5-壬酮的策略，它是一种基于生物的平台化学物质，可以从多种木质纤维素生物质资源中大量生产。在这个策略中，木质纤维素生物质的纤维素和半纤维素部分被催化转化为-戊酸内酯(GVL)，利用生物质衍生的GVL作为溶剂。为了形成整体策略，我们开发了分离子系统，以实现产品的高纯度。重要的是，GVL可以在单一反应器中通过Pd/Nb2O5 +铈-氧化锆的双催化剂床升级为高产的5-nonanone。我们设计了一个热交换网络，通过燃烧生物质木质素组分来满足整个过程的总能量需求。利用现金流量折现分析方法研究了该过程的经济可行性。

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相关报告

  • 《青岛能源所提出全新木质纤维素整合生物糖化工艺》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-02-26
    • 木质纤维素生物转化的经济性和清洁性，一直是阻碍秸秆等农林废弃物大规模利用的最大瓶颈。目前木质纤维素生物转化的主流策略是基于游离纤维素酶的同步糖化发酵工艺，但其中的核心酶技术被国外公司垄断，且用酶成本难以进一步降低，使现有工艺不具备市场竞争力。整合生物加工（ consolidated bioprocessing, CBP ）是近些年提出的木质纤维素转化策略，将纤维素酶的生产、木质纤维素底物酶解、最终产物发酵等环节整合到同一反应器中进行，具有简化流程、降低成本和设备要求等优势。但由于 CBP 策略将多个步骤在同一反应器中同时进行，需要对反应条件进行妥协平衡，难以同时获得高的产酶、酶解和发酵水平，而且最终产物单一且难以进行调整，大大限制了其应用范围。 　　 为此， 青岛能源所代谢物组学研究组另辟蹊径，提出了 基于纤维小体全菌催化剂的木质纤维素 整合生物糖化（ Consolidated Bio-Saccharification ， CBS ）全新 策略 [Liu S, et al, 2019, 12 (1):35] 。该策略将酶的生产与水解步骤有机整合，同时将下游发酵步骤进行一定程度上的分立，以可发酵糖这一平台化合物作为目标产物，具有用酶成本低、过程简单、下游出口灵活等优势，有望在木质纤维素生物转化生产各种化学品、功能食品和药品中得到广泛应用。 　　 纤维小体是热纤梭菌（ Clostridium thermocellum ）等厌氧微生物分泌的一种可以高效降解木质纤维素的超分子复合体，是已知的自然界中最高效的木质纤维素降解体系之一。 代谢物组学研究组长期致力于热纤梭菌等纤维素降解菌及其纤维小体的遗传改造、作用机制及代谢工程研究，利用研究组自主研发的遗传操作硬件设备和软件工具，对热纤梭菌的生理生化、纤维小体的组装、合成调控与产物抑制、产物摄取与代谢等进行了系统的研究，对热纤梭菌及其纤维小体的功能机制与调控取得了深入的认识。在此基础上，该研究组于 2017 年首先成功开发了基于纤维小体的全菌催化剂，实现木质纤维素底物到可发酵糖的高效转化 [Zhang J, et al, 2017, 10 (1):124] ，初步建立了 CBS 工艺的雏形 ，但仍存在产物抑制未能充分解除、关键酶产量下降、糖化速度较慢等问题。 　　 针对这些问题，该研究组通过对纤维小体的重新原位改造优化， 构建了第二代全菌生物催化剂，并对培养基成分，接种量、种子培养，以及底物载量等影响过程效率的关键因素进行了优化，显著提高了糖化效率，缩短了糖化时间。在最佳条件下，用预处理的小麦秸秆作为底物，整个糖化工艺时间缩短了 50 ％，糖产量达到 0.795 克 / 克，糖得率为 89.3 ％（图 1 ）。该工艺结合本实验室开发的与之匹配的木质纤维素预处理工艺，大大降低了木质纤维素糖化的成本，已经具备了工业化应用的可能。 　　 这项工作为 CBS 的实现提供了一种新的全菌生物催化剂和与之匹配的优化工艺，证实 CBS 是一种可行的木质纤维素低成本高效利用策略。代谢物组学研究组在 2019 年 2 月 18 日在线发表于 Biotechnology for Biofuels 的研究论文中报告了该工艺策略，并在国际上首次正式提出“整合生物糖化（ CBS ）”的概念。 代谢物组学研究组目前正在将该 CBS 工艺进行中试放大，建立基于该工艺的工业示范系统，有望 极大地促进木质纤维素生物转化的工业化进程。 　　 该研究组博士生刘世岳和刘亚君副研究员为该论文的共同一作，崔球研究员为该论文的通讯作者。该工作得到了中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委的资助。
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  • 《木质纤维素生物质向乙醇生物转化的预处理技术的环境性能》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2019-04-23
    • 柳枝稷的乙醇生产相对于石油基燃料有可能使生命周期温室气体排放减少77-97％。本研究考察了木质纤维素转化为乙醇过程中使用的化学预处理过程的环境性能，以尽量减少预处理加工技术对环境的影响。该研究量化了四种使用氢氧化钠，氨，甲醇和硫酸的预处理化学过程对五个环境指标的影响，以确定对环境影响最小的预处理过程。使用SimaPrò生命周期评估软件，评估了导致环境参数的空气，土壤和水的排放量：全球变暖潜能值（GWP），富营养化，酸化，光化学氧化需求以及海洋和人类生态毒性。 使用甲醇的预处理显示所分析的四种化学品的最低GWP，观察到氢氧化钠的GWP值最高。通常，当使用选定的环境参数进行比较时，所有四种预处理化学品之间的排放输出显着不同使用甲醇的预处理被确定为具有最低的环境 ——文章发布于2019年4月22日
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