发酵工程第十章-生物炼制课件

第十章第十章 生物生物炼制制第十章第十章 生物生物炼炼制制1目前的工目前的工业生生产模式不可持模式不可持续化石化石资源不可再生源不可再生资源源资源危机源危机化石燃料不可再生能源化石燃料不可再生能源能源危机能源危机 三三废排放生排放生态环境境污染染环境危机境危机目前的工目前的工业业生生产产模式不可持模式不可持续续2生物生物质资源开源开发是人是人类继续生存的必然生存的必然选择生物生物质资源源为可再生的原料。可再生的原料。模仿自然界的生物模仿自然界的生物过程，以程，以酶为催化催化剂，（逐步地）以生物可再生（逐步地）以生物可再生资源源为原料，原料，来大来大规模生模生产人人类所急需的能源、材料、所急需的能源、材料、大宗化学品、医大宗化学品、医药等。等。生物生物质资质资源开源开发发是人是人类继续类继续生存的必然生存的必然选择选择生物生物质资质资源源为为可再生的可再生的3发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件4发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件5美国政府的三大目美国政府的三大目标20122012年：年：纤维乙醇的生乙醇的生产成本在成本在经济上具有上具有竞争力争力 20172017年：年：20 in 10-1020 in 10-10年后，年后，对石油的依石油的依赖要要 降低降低2020 20302030年：年：30 by 30-30 by 30-到到20302030年，美国年，美国对石油的石油的 依依赖降低降低30%30%美国政府的三大目美国政府的三大目标标2012年：年：纤维纤维乙醇的生乙醇的生产产成本在成本在经济经济上具有上具有6美国能源部半年宣布多笔巨美国能源部半年宣布多笔巨额投投资2 2月宣布：今后四年，投月宣布：今后四年，投资3.853.85亿美元，用于美元，用于6 6个生物精个生物精炼厂厂项目。目。总投投资将超将超过1212亿美元。全面投美元。全面投产后，后，预计每年的每年的纤维质乙醇乙醇产量将超量将超过1.31.3亿加加仑。5 5月宣布：月宣布：2007200720112011年将投入年将投入2 2亿美元美元资助小助小规模模纤维素生素生物物炼制的技制的技术开开发，选择5 51010个个项目予以目予以资助，要求申助，要求申请者自筹者自筹5050的的经费。另外，投另外，投资23002300万美元万美元资助助5 5个乙醇个乙醇发酵菌研究，投酵菌研究，投38003800万招万招标纤维素素酶生生产研究。研究。6 6月宣布：将投入月宣布：将投入3.753.75亿美元建立三个新的生物能源研究中美元建立三个新的生物能源研究中心，以加大心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。研究力度。美国能源部半年宣布多笔巨美国能源部半年宣布多笔巨额额投投资资2月宣布：今后四年，投月宣布：今后四年，投资资3.87Abengoa Bioenergy BiomassAbengoa Bioenergy Biomass及及ChesterfieldChesterfield公司公司投投资：76007600万美元万美元拟建厂址：堪建厂址：堪萨斯州斯州原料：原料：700700吨的玉米秸吨的玉米秸秆、麦秸、高粱、麦秸、高粱秆、柳枝稷以、柳枝稷以及其他原料及其他原料/天天计划年划年产：11401140万加万加仑乙醇（乙醇（约3.53.5万吨），万吨），产生足生足够的的电力以供力以供应生生产设施，施，还有富余的能源供有富余的能源供给周周边Abengoa Bioenergy Biomass及及Che8ALICOALICO有限公司有限公司 投投资：33003300万美元万美元拟建厂址：佛建厂址：佛罗里达州里达州LaBelleLaBelle郡郡原料：原料：770770吨木材、植物吨木材、植物废弃物等弃物等/天天计划年划年产：13901390万加万加仑乙醇（乙醇（约4.24.2万吨），万吨），62556255千千瓦瓦电力，以及每天生力，以及每天生产8.88.8吨吨氢和和5050吨氨吨氨 ALICO有限公司有限公司 投投资资：3300万美元万美元9中国面中国面临的挑的挑战更更严峻峻我国是世界第二大能源生我国是世界第二大能源生产国和消国和消费国，国，20062006年能源消年能源消费总量达到量达到24.624.6亿吨吨标准煤；准煤；人均能源人均能源资源源拥有量有量较低，煤炭人均探明低，煤炭人均探明储量量仅占世界平均占世界平均水平的水平的50%50%左右，石油、天然气人均左右，石油、天然气人均资源量源量仅为世界平均水世界平均水平的平的7.7%7.7%和和7.1%7.1%；能源短缺正成能源短缺正成为制制约我国我国经济社会社会发展的瓶展的瓶颈问题之一。之一。开开发利用生物利用生物质能，能，对于于调整能源整能源结构，构，缓解化石能源解化石能源供供应的的紧张局面，保障国家能源安全，建立可持局面，保障国家能源安全，建立可持续发展的能展的能源供源供应体系，促体系，促进经济社会可持社会可持续发展具有重大意展具有重大意义。中国面中国面临临的挑的挑战战更更严严峻我国是世界第二大能源生峻我国是世界第二大能源生产产国和消国和消费费国，国，2010开开发生物生物质资源的重大源的重大战略意略意义减少石油减少石油进口；平衡外口；平衡外汇收支；保收支；保证国家安全国家安全促促进农村村经济发展；增加就展；增加就业机会；保持社会机会；保持社会稳定定改改善善城城市市大大气气质量量；实现封封闭的的碳碳循循环，减减少少二二氧氧化碳化碳净排放，减排放，减轻温室效温室效应开开发发生物生物质资质资源的重大源的重大战战略意略意义义减少石油减少石油进进口；平衡外口；平衡外汇汇收支；保收支；保证证1120032003年：生物催化与生物年：生物催化与生物转化化20042004年：极端微生物年：极端微生物 生物冶金生物冶金 秸杆秸杆资源高源高值化利用化利用20052005年：生物基化学品的生化网年：生物基化学品的生化网络20062006年：生物年：生物炼制制细胞工厂胞工厂20072007年：生物年：生物过程工程程工程优化化973973计划计划2003年：生物催化与生物年：生物催化与生物转转化化973计计划划121,1,大宗大宗发酵酵产品的先品的先进发酵工酵工艺2,2,生物基化学品的生物生物基化学品的生物炼制技制技术3,3,工工业酶的分子改造与工程化技的分子改造与工程化技术“十一五十一五”863863计划重点划重点项目目“十一五十一五”863计计划重点划重点项项目目1320062006年年 农林生物林生物质工程重大工程重大专项启启动 20072007年年 生物生物产业大会和国大会和国际生物生物经济大会大会 20202020年年 生物生物质能源替代运能源替代运输燃料燃料15%15%科技部和科技部和发改委改委2006年年 农农林生物林生物质质工程重大工程重大专项专项启启动动 2007年年14第一第一节 生物生物炼制概述制概述第一第一节节 生物生物炼炼制概述制概述15生物生物质-分布于植物体内的大量含碳化合物，主分布于植物体内的大量含碳化合物，主要包括要包括纤维素、半素、半纤维素、木素、木质素以及淀粉、蛋白素以及淀粉、蛋白质及脂及脂类化合物，是丰富的生物基化合物，是丰富的生物基产品原料。品原料。生物生物炼制制-以可再生的生物以可再生的生物质为原料，原料，经过生物、生物、化学、物理法等多种加工化学、物理法等多种加工转化途径生化途径生产各种化学品、各种化学品、燃料和生物基材料的新型工燃料和生物基材料的新型工业模式。模式。一、生物一、生物炼制的基本定制的基本定义生物生物质质-分布于植物体内的大量含碳化合物，主要包括分布于植物体内的大量含碳化合物，主要包括纤维纤维素素16原料原料各种不同的、混各种不同的、混合的生物性原料合的生物性原料玉米以及谷物玉米以及谷物类等作物等作物木木质纤维素素天然湿生物天然湿生物质原料原料处理技理技术多种技多种技术联合合生物生物处理法理法化学方法化学方法热化学方法化学方法物理方法物理方法产品品物物质及能源多及能源多样产品系品系统燃料燃料化学制品化学制品材料材料原料玉米以及谷物原料玉米以及谷物类类等作物等作物处处理技理技术术生物生物处处理法理法产产品燃料品燃料17石油石油炼制制-以不可再生的化石以不可再生的化石资源（石油、煤炭、源（石油、煤炭、天然气等）天然气等）为原料，以化学催化原料，以化学催化剂为手段，手段，实现物物质的的彻底、多元化底、多元化转化。化。二、生物二、生物炼制与石油制与石油炼制制石油石油炼炼制制-以不可再生的化石以不可再生的化石资资源（石油、煤炭、天然气等）源（石油、煤炭、天然气等）18发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件192024/6/24202023/8/1020202024/6/24212023/8/1021212024/6/2422 原料可再生，不受石油枯竭的影响。原料可再生，不受石油枯竭的影响。环境友好，没有境友好，没有净二氧化碳增加，燃二氧化碳增加，燃烧后后产生的二生的二氧化碳可被植物氧化碳可被植物光合作用所利用。光合作用所利用。生物生物炼制可以制可以获得更丰富的得更丰富的产品，尤其是品，尤其是对含氧元含氧元素化学品及手性素化学品及手性产品的制品的制备，具有明，具有明显的的优势。生物生物炼制需要使用制需要使用较多的加工技多的加工技术生物生物生物生物炼炼制的特点（与石油制的特点（与石油制的特点（与石油制的特点（与石油炼炼制比制比制比制比较较）2023/8/1022 原料可再生，不受石油枯竭的影响。生物原料可再生，不受石油枯竭的影响。生物222024/6/2423生物生物生物生物炼炼制的制的制的制的产产品品品品2023/8/1023生物生物炼炼制的制的产产品品23第二第二节 生物生物炼制系制系统第二第二节节 生物生物炼炼制系制系统统242024/6/2425生物生物生物生物炼炼制的本制的本制的本制的本质质：将所使用的多种原材料，根据：将所使用的多种原材料，根据：将所使用的多种原材料，根据：将所使用的多种原材料，根据其不同其不同其不同其不同组组分分分分转转化化化化为为糖、蛋白糖、蛋白糖、蛋白糖、蛋白质质以及脂肪等，再采以及脂肪等，再采以及脂肪等，再采以及脂肪等，再采用用用用发发酵等生物方法酵等生物方法酵等生物方法酵等生物方法转转化化化化为为各种化学品。各种化学品。各种化学品。各种化学品。生物生物生物生物炼炼制的制的制的制的过过程程程程：生物：生物：生物：生物质预处质预处理理理理过过程、程、程、程、酶酶解解解解过过程、程、程、程、微生物微生物微生物微生物发发酵酵酵酵过过程以及程以及程以及程以及产产品回收分离等。品回收分离等。品回收分离等。品回收分离等。2023/8/1025生物生物炼炼制的本制的本质质：将所使用的多种原材料，：将所使用的多种原材料，252024/6/2426生生 物物 炼 制制 系系 统2023/8/1026生生 物物 炼炼 制制 系系 统统262024/6/2427木木质纤维素材料包括：秸素材料包括：秸秆、草、木材、草、木材、废纸等。等。主要成分：主要成分：纤维素、半素、半纤维素、木素。素、木素。一、木一、木质纤维素原料的生物素原料的生物炼制制2023/8/1027木木质纤维质纤维素材料包括：秸素材料包括：秸秆秆、草、木材、草、木材、废废272024/6/24282023/8/1028281、木、木质纤维素的素的组成及成及预处理技理技术主要成分：主要成分：纤维素、半素、半纤维素、木素素、木素1、木、木质纤维质纤维素的素的组组成及成及预处预处理技理技术术主要成分：主要成分：纤维纤维素、半素、半纤维纤维素、素、291、木、木质纤维素的素的组成及成及预处理技理技术稀酸稀酸处理：理：蒸汽爆破法：蒸汽爆破法：热水水处理法理法有机溶有机溶剂法法氨爆破法氨爆破法碱碱处理法理法预处理方法理方法与与强酸在高温（酸在高温（160-200度）高度）高压下混合下混合1-10分分钟后迅速后迅速释放放压力，可以将半力，可以将半纤维素素水解成木糖、阿拉伯糖等五碳糖。水解成木糖、阿拉伯糖等五碳糖。利用高利用高压蒸汽使反蒸汽使反应温度达到温度达到200-240度，度，维持持30秒秒-20分分钟后，突然减后，突然减压，使物料爆，使物料爆碎，半碎，半纤维素会水解成有机酸，木素部分降素会水解成有机酸，木素部分降解，解，细胞胞间结构疏松。构疏松。1、木、木质纤维质纤维素的素的组组成及成及预处预处理技理技术术稀酸稀酸处处理：理：预处预处理方法与理方法与强强酸在酸在302 2、纤维素糖化素糖化发酵工酵工艺纤维素素酶的生的生产；纤维素以及其他不溶性多糖的水解；素以及其他不溶性多糖的水解；纤维素水解物的素水解物的发酵；酵；半半纤维素水解物的素水解物的发酵。酵。2、纤维纤维素糖化素糖化发发酵工酵工艺纤维艺纤维素素酶酶的生的生产产；31发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件32能在低能在低pHpH、高温、高糖、高温、高糖发酵条件下仍能良好生酵条件下仍能良好生长，能，能较好地利用戊糖，能抵抗生物好地利用戊糖，能抵抗生物质预处理及水解理及水解过程中程中产生的副生的副产品的抑制作用。品的抑制作用。3、发酵菌株酵菌株选育育能在低能在低pH、高温、高糖、高温、高糖发发酵条件下仍能良好生酵条件下仍能良好生长长，能，能较较好地利用戊好地利用戊33二、全谷物生物二、全谷物生物炼制制全谷物的原材料包括：全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦玉米、小麦、黑小麦等。等。二、全谷物生物二、全谷物生物炼炼制全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦等。制全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦等。34发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件35三、三、绿色生物色生物炼制制绿色生物色生物质包括：包括：绿色色农作物和其他作物和其他绿色草本植物。色草本植物。三、三、绿绿色生物色生物炼炼制制绿绿色生物色生物质质包括：包括：绿绿色色农农作物和其他作物和其他绿绿色草本植物色草本植物36发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件37第三第三节 生物生物炼制的核心技制的核心技术第三第三节节 生物生物炼炼制的核心技制的核心技术术382024/6/2439一、微生物一、微生物一、微生物一、微生物细细胞工厂胞工厂胞工厂胞工厂微生物微生物细胞工厂胞工厂-能能够按照人按照人类意愿，高效生意愿，高效生产出出满足社会需要的重要足社会需要的重要产品的重品的重组微生物。通微生物。通过遗传操作操作可以可以实现对微生物微生物细胞代胞代谢功能的改造，能功能的改造，能够使微生物使微生物细胞利用廉价原料胞利用廉价原料过量量积累一种或多种化学品，甚至去累一种或多种化学品，甚至去生生产其原来并不合成的其原来并不合成的产品。品。2023/8/1039一、微生物一、微生物细细胞工厂微生物胞工厂微生物细细胞工厂胞工厂-392024/6/24402023/8/104040发发酵工程第十章酵工程第十章-生物生物炼炼制制课课件件41二、系二、系统生物技生物技术 用系用系统生物学的方法来研究微生物内在生理生物学的方法来研究微生物内在生理活活动，微生物之，微生物之间的相互作用，微生物与外界的相互作用，微生物与外界环境境的相互作用关系。的相互作用关系。全基因全基因组表达的表达的时序及序及环境适用性的研究，蛋白境适用性的研究，蛋白质组的的时序及序及环境适用性的研究，代境适用性的研究，代谢组的的时序及序及环境适用性的研究境适用性的研究二、系二、系统统生物技生物技术术 用系用系统统生物学的方法来研究微生物学的方法来研究微42l 全域性研究可以全域性研究可以发掘微生物生物合成掘微生物生物合成调控基因，控基因，为代代谢工程改造菌种，重构微生物基因工程改造菌种，重构微生物基因组表达及表表达及表达达调控系控系统提供理提供理论依据，也依据，也为研究研究发酵酵过程参数程参数优化的分子机制，化的分子机制，进一步一步优化化发酵酵过程参数提供理程参数提供理论依据。依据。全域性研究可以全域性研究可以发发掘微生物生物合成掘微生物生物合成调调控基因，控基因，为为代代谢谢工程改造菌工程改造菌43三、五碳糖和六碳糖的等效代三、五碳糖和六碳糖的等效代谢 五碳糖和六碳糖是生物五碳糖和六碳糖是生物炼制的基本原料，制的基本原料，进一步一步发掘掘利用五碳糖和六碳糖合成特殊化合物的基因与蛋白，利用五碳糖和六碳糖合成特殊化合物的基因与蛋白，阐明明C2、C3、C4等平台化合物合成网等平台化合物合成网络与流量关系的本与流量关系的本质，逐，逐步解决微生物代步解决微生物代谢的分子基的分子基础及相互关系的科学及相互关系的科学问题，有助，有助于我于我们解析代解析代谢网网络结构，构，发现定向定向优化微生物功能中需要化微生物功能中需要改改变的因素，提高生物的因素，提高生物炼制制细胞工厂的胞工厂的转化与合成能力，化与合成能力，对于提升生物于提升生物炼质的技的技术水平具有重要意水平具有重要意义。三、五碳糖和六碳糖的等效代三、五碳糖和六碳糖的等效代谢谢 五碳糖和六碳糖五碳糖和六碳糖44第四第四节 生物基化学品制生物基化学品制备技技术第四第四节节 生物基化学品制生物基化学品制备备技技术术452024/6/2446一、乙醇脱水技一、乙醇脱水技一、乙醇脱水技一、乙醇脱水技术术2023/8/1046一、乙醇脱水技一、乙醇脱水技术术46恒沸精恒沸精馏法法分子分子筛脱水脱水醋酸醋酸钾及醋酸及醋酸钠混合液脱水法混合液脱水法萃取蒸萃取蒸馏法法淀粉吸附法淀粉吸附法离子交离子交换树脂脱水法脂脱水法乙醇脱水技乙醇脱水技术以沸石以沸石为分子分子筛，装入塔中，当，装入塔中，当95%95%的乙醇的乙醇经过塔塔时，被吸附的，被吸附的3/43/4是水，是水，1/41/4是乙醇。是乙醇。醋酸醋酸钾（70%70%）与醋酸）与醋酸钠（30%30%）能溶于水和乙）能溶于水和乙醇，可以脱去乙醇中的水。醇，可以脱去乙醇中的水。采用采用15%-20%15%-20%的醋酸的醋酸盐作溶作溶剂恒沸精恒沸精馏法法-在在95%95%乙醇中添加乙醇中添加夹带剂苯、苯、环已已烷、戊、戊烷等等进行精行精馏，夹带剂可与乙醇溶液可与乙醇溶液中的乙醇、水形成新的三元恒沸物，三元恒沸中的乙醇、水形成新的三元恒沸物，三元恒沸物与物与纯乙醇之乙醇之间的沸点相差比的沸点相差比较大，从而可通大，从而可通过精精馏获得得纯度很高的乙醇。度很高的乙醇。恒沸精恒沸精馏馏法乙醇脱水技法乙醇脱水技术术以沸石以沸石为为分子分子筛筛，装入塔中，当，装入塔中，当95%的乙的乙47二、二、L-L-乳酸提取技乳酸提取技术二、二、L-乳酸提取技乳酸提取技术术48钙盐法法酯化法化法电渗析法渗析法溶溶剂萃取法萃取法高真空蒸高真空蒸馏法法乳酸提取技乳酸提取技术钙盐钙盐法乳酸提取技法乳酸提取技术术49