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构建“变废为宝”的生物燃料转化体系

来源:中国科学报 作者:沈春蕾 2017-11-14 14:39:55
  当前,建立生物燃料原料可持续供给体系、绿色高效转化技术体系、系统集成和科学评估体系,已经成为世界各国的研发重点。

  中科院生物燃料重点实验室依托于中科院青岛生物能源与过程研究所,成立6年来,致力于微藻生物燃料、生物催化转化、热化学与化学转化等可再生资源与转化技术领域的研究。

  近日,中科院生物燃料重点实验室主任吕雪峰在接受《中国科学报》记者采访时表示:“我们希望通过综合不同的技术手段,构建高效、低成本、可持续发展的生物燃料转化体系。”

  固碳微藻种类多

  微藻通过光合作用将二氧化碳、光和水转化为油脂,作为一种潜在的清洁能源生产和二氧化碳高值化方案,工业产油微藻受到了广泛关注。

  吕雪峰介绍,从理论上来说,微藻亩产生物质20~28吨/年,每吨微藻可固定1.83吨二氧化碳。此外,微藻油脂也是理想的液体生物燃料(生物柴油或航空煤油)原料。

  实验室微藻生物燃料方向主要从获得稳定高产的工程藻类、实现高效可控的微藻规模培养、进行经济节能的微藻转化加工着手,试图建立一条寻找藻种—培养固碳—工业炼油的选育和转化体系。

  首先,实验室科研团队将“耐原生动物污染”“易采收”等工程性状纳入选育评价产油微藻的重要指标,提出了从丝状微藻中筛选工业藻株的新思路。2013年,实验室研究人员首次发现了高产油黄丝藻,证明大尺寸丝状体结构是赋予其“耐虫”和“易收获”的独特性质,为解决制约微藻大规模培养的虫害污染和采收高能耗问题的藻种筛选提供了方向指引。

  随后,实验室开发了全球首个微拟球藻全基因组学模型、从遗传层面揭示微藻产油性状的遗传和进化特征、从调控层面首次揭示植物激素在微藻产油中的作用机制,并提出基于激素调控的微藻选育策略。

  另外,实验室构建了系列利用太阳能直接一步转化二氧化碳合成不同太阳能生物燃料的基因工程蓝藻,工程蓝藻的光生物反应器规模化培养与蓝藻光合固碳合成效率的提高,将是未来研究的重点。

  目前,实验室建立了完整的微藻航空生物燃料研发体系,并与波音公司联合成立可持续航空生物燃料联合研究实验室;利用微藻能源与资源化利用共性技术与新奥集团、新疆庆华等企业合作实现了技术示范。

  废弃秸秆热量高

  习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上明确提出“以沼气和生物天然气为主要处理方向,以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向,处理农业生物质废弃物”。

  2016年,农业部发布《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》,并估算我国每年产生畜禽粪污38亿吨、农作物秸秆10亿吨。

  “处理这些农业废弃物,需要解决的关键科学问题是:如何选育适应高浓度厌氧发酵的优良微生物群落、如何提高秸秆生物质厌氧发酵产气的转化效率、如何实现高浓度发酵下高效的物料混合与传质。”吕雪峰说,“我们正在研发高浓度厌氧发酵产业化技术工艺包,希望形成工业化生物天然气技术标准体系。”

  由于秸秆难降解,缺乏高效秸秆降解技术,实验室科研团队通过级联驯化,选育出高耐受性厌氧发酵微生物;研究微氧对秸秆结构和微生物群落的影响,开发出新的生物预处理技术。

  虽然从技术手段上解决了部分科学问题,但我国缺乏自主的工业化大规模沼气工程技术与装备也限制了技术的应用,于是科研团队自主开发了固态进料设备、不同混合策略的反应器及配套搅拌设备、沼气压力水洗设备,进而突破了沼气工程从进料、发酵、搅拌、提纯净化全过程的产业化关键技术瓶颈。

  基于自主开发的技术与设备,科研团队进行集成放大研究,形成了完整的高浓度厌氧发酵技术体系。其中,青岛平度建成年产18万方沼气中试放大系统,首次实现规模化高浓度厌氧发酵沼气工程的长期高效运行;吉林白城建成年产43万方沼气北方寒冷地区中试示范工程,突破了沼气工程冬季不产气难题,实现北方寒冷地区的连续高效运行。

  青岛能源所先后与中节能、青岛华通集团等业内龙头企业合作,完成3处产业化示范工程建设,其中与青岛华通集团合作在青岛平度南村建成了北方最大的生物天然气基地,形成可复制推广的工艺包和商业运营模式,为我国农业生物质废物处理和资源化利用提供解决方案。

  木质纤维价值大

  纤维生物质是自然界中丰富的生物质资源,利用纤维生物质生产燃料和化学品是未来发展的必然趋势。吕雪峰介绍:“优质生物资源供给和低成本、高效率纤维素糖获取是急需破解的难题。”

  于是,实验室科研团队从提供高产量、易转化、供应足的优质非粮纤维生物质原料;破除生物质天然抗降解屏障,开发高效绿色纤维素预处理工艺;设计构建高效的生物催化转化分子机器,提高纤维素酶解糖化效率着手研究。

  纤维小体是自然界中已知最高效的纤维素降解分子机器之一,对此,科研团队开发新型非模式微生物遗传操作装备与配套技术,揭示了纤维小体多水平协同作用与调控机制,并指导基于工业化要求的纤维小体定向改良及全菌催化剂构建。

  在如何实现高产、抗逆、可高效转化能源植物新品种创制难题上,科研团队构建了南荻重离子诱变突变体库,筛选10个高耐盐新品系,10余株高产等优良性状的新品系,获得转化效率显著提高新品系1个。

  科研团队在沿海高盐滩涂的芒草高产栽培技术获潍坊昌邑政府认可,青岛能源所与地方政府共建了百亩盐碱地生态修复与能源植物种植相结合的核心示范区,为我国盐碱地治理提供新思路。

  在开展高效绿色木质纤维素原料预处理研究中,针对传统单一物理法或化学法预处理能耗高、污染重的问题,实验室科研团队提出了基于物理、化学共同作用的预处理思路,结合装备开发,建立了低成本、绿色、高效的动态挤压预处理技术。

  吕雪峰向记者透露:“该技术引起国际著名公司和产业界广泛关注,获得了壳牌、宝洁、波音等国际公司和500强企业的持续资助。”他表示,生物燃料核心转化技术不仅可以促进生物能源本身发展,同样可以应用于环境治理和健康产品开发。中科院生物燃料重点实验室将坚持领域共性技术研发,形成基于生物质资源“能源—环境—健康”融合发展的思路,带动生物燃料核心技术的发展。
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