酶工程原理及应用-09-纤维素酶与木质纤维素课件

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1、纤维素酶与纤维素酶与木质纤维素资源的利用木质纤维素资源的利用可持续发展可持续发展可再生资源可再生资源 清洁生产工艺清洁生产工艺 环境友好产品环境友好产品 生物质资源开发生物质资源开发 木质纤维素木质纤维素 海洋生物资源海洋生物资源微生物技术微生物技术 生物加工工艺生物加工工艺生物制浆造纸技术生物制浆造纸技术酶法有机转化酶法有机转化绿色生物产品绿色生物产品生物酒精、氢能生物酒精、氢能生物农药、可降解塑料生物农药、可降解塑料目前的工业生产模式不可持续目前的工业生产模式不可持续v化石资源不可再生资源化石资源不可再生资源资源危机资源危机v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 v三废

2、排放生态环境污染三废排放生态环境污染环境危机环境危机不可再生的石油资源的困境不可再生的石油资源的困境廉价石油时代终结了廉价石油时代终结了-人类必须戒除人类必须戒除“油瘾油瘾”化石资源是化石资源是现代工业和现代文明现代工业和现代文明的物质基础的物质基础石油、煤炭、天然气不仅提供了石油、煤炭、天然气不仅提供了基本的能源，而且提供了基本的能源，而且提供了99%的的有机工业原料。有机工业原料。3019902000202020302019205020752100年年0510152025我国在世界我国在世界CO2排放中的比例排放中的比例(%)普京总统签署正式批准普京总统签署正式批准京都议定书之联邦法令京都

3、议定书之联邦法令即使京都议定书不生效，即使京都议定书不生效，欧盟都会坚守承诺欧盟都会坚守承诺我们愿意做到超越我们愿意做到超越京都议定书的要求京都议定书的要求全球暖化的威胁全球暖化的威胁超过恐怖主义超过恐怖主义环境问题经济观点全球影响化石经济，付出了巨大的环境代价化石经济，付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）（白色污染和温室效应等）生物质资源开发生物质资源开发是人类继续生存的必然选择是人类继续生存的必然选择v生物质资源为可再生的原料生物质资源为可再生的原料v模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂，模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂，（逐步地）以生物可再生资源为原料，（逐步地）以生物可再生资源

4、为原料，来大规模生产人类所急需的能源、材料、来大规模生产人类所急需的能源、材料、大宗化学品、医药等大宗化学品、医药等物质转化体系的第三次革命物质转化体系的第三次革命v煤炭经济煤炭经济v化石原料（石油）经济化石原料（石油）经济v碳水化合物经济碳水化合物经济依赖化石资源的工业文明只是人类文明历史的一幕依赖化石资源的工业文明只是人类文明历史的一幕人类走向生物质经济时代是一种历史的回归，是人人类走向生物质经济时代是一种历史的回归，是人类走向可持续发展的进步和必然类走向可持续发展的进步和必然生物质循环经济推动下的 可持续发展社会生物技术的第三次浪潮生物技术的第三次浪潮资源生物技术资源生物技术（新能源、新

5、材料等）（新能源、新材料等）环境生物技术环境生物技术（环境治理、清洁生产、（环境治理、清洁生产、 环境友好产品等）环境友好产品等）生物催化加工生物催化加工（新型酶制剂、手性合（新型酶制剂、手性合 成等）成等）海洋生物技术海洋生物技术（海洋资源开发、转化）（海洋资源开发、转化）第一代燃料乙醇大量消耗粮食第一代燃料乙醇大量消耗粮食二氧化碳排放与气候变暖二氧化碳排放与气候变暖液体燃料的液体燃料的CO2和能量平衡和能量平衡纤维素资源来源广、产量大纤维素资源来源广、产量大美国政府的三大目标v2019年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力 v2019年：年：20

6、in 10 - 10年后，对石油的依赖要年后，对石油的依赖要 降低降低20 v2030年：年：30 by 30 - 到到2030年，美国对石油的年，美国对石油的 依赖降低依赖降低30%实现政府的目标，需实现政府的目标，需600个年产个年产1亿加仑亿加仑（30 多万吨）的乙醇厂多万吨）的乙醇厂美国能源部半年宣布多笔巨额投资美国能源部半年宣布多笔巨额投资v2月宣布：今后四年，投资月宣布：今后四年，投资3.85亿美元，用于亿美元，用于6个生个生物精炼厂项目。总投资将超过物精炼厂项目。总投资将超过12亿美元。全面投产亿美元。全面投产后，预计每年的纤维质乙醇产量将超过后，预计每年的纤维质乙醇产量将超过1

7、.3亿加仑。亿加仑。 v5月宣布：月宣布：20192019年将投入年将投入2亿美元资助小规模亿美元资助小规模纤维素生物炼制的技术开发，选择纤维素生物炼制的技术开发，选择510个项目予个项目予以资助，要求申请者自筹以资助，要求申请者自筹50的经费。的经费。 另外，投资另外，投资2300万美元资助万美元资助5个乙醇发酵菌研究，投个乙醇发酵菌研究，投3800万招万招标纤维素酶生产研究。标纤维素酶生产研究。v6月宣布：将投入月宣布：将投入3.75亿美元建立三个新的生物能源亿美元建立三个新的生物能源研究中心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基研究中心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。础研究

8、力度。 Abengoa Bioenergy Biomass及及Chesterfield公司公司v投资：投资：7600万美元万美元v拟建厂址：堪萨斯州拟建厂址：堪萨斯州v原料：原料：700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷以及其他原料枝稷以及其他原料/天天v计划年产：计划年产：1140万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约3.5万吨），万吨），产生足够的电力以供应生产设施，还有富余产生足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给周边的能源供给周边ALICO有限公司有限公司 v投资：投资：3300万美元万美元v拟建厂址：佛罗里达州拟建厂址：佛罗里达州LaBelle郡郡v原料：原

9、料：770吨木材、植物废弃物等吨木材、植物废弃物等/天天v计划年产：计划年产：1390万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约4.2万吨），万吨），6255千瓦电力，以及每天生产千瓦电力，以及每天生产8.8吨氢和吨氢和50吨吨氨氨 BlueFire Ethanol有限公司 v投资：投资：4000万美元万美元v拟建厂址：加利福尼亚州拟建厂址：加利福尼亚州Irvine市市 v原料：原料：700吨分类的绿色废料和来自填埋厂的吨分类的绿色废料和来自填埋厂的木材废料木材废料 /天天v计划年产：计划年产：1900万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约5.7万吨）万吨） Broin公司 v投资：投资：8000万美元万美元v拟建厂

10、址：爱荷华州的拟建厂址：爱荷华州的Emmetsburg v原料：原料：842吨玉米纤维、芯、秸秆等吨玉米纤维、芯、秸秆等 /天天v计划年产：计划年产：1.25亿加仑的乙醇，其中大约亿加仑的乙醇，其中大约25%是纤维质乙醇是纤维质乙醇 （约（约10万吨）万吨）v参与者：参与者：du Pont 、 Novozymes 以及能源以及能源部国家可再生能源实验室（部国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory） Iogen Biorefinery Partners公司 v投资：投资：8000万美元万美元v拟建厂址：爱达荷州的拟建厂址：爱达荷州的Shell

11、ey v原料：原料：700吨的农业残留物吨的农业残留物(麦秸、大麦秆、麦秸、大麦秆、玉米秸、柳枝稷以及稻草等玉米秸、柳枝稷以及稻草等) /天天v计划年产：计划年产：1800万加仑乙醇万加仑乙醇 （约（约5.4万吨）万吨）v参与者：参与者：Iogen能源公司、能源公司、Iogen公司、公司、Goldman Sachs公司以及荷兰皇家壳牌集团公司以及荷兰皇家壳牌集团（Royal Dutch/Shell Group） Range Fuels公司 v投资：投资：7600万美元万美元v拟建厂址：乔治亚州的拟建厂址：乔治亚州的Soperton v原料：原料：1200吨木材残余物和木基能源作物等吨木材残余物

12、和木基能源作物等 /天天v年产：年产：4000万加仑乙醇（约万加仑乙醇（约12万吨）和万吨）和900万加仑甲醇万加仑甲醇能源部生物能源科学研究中心DOE BioEnergy Science Center v位于田纳西州，隶属于能源部橡树岭国家实验室位于田纳西州，隶属于能源部橡树岭国家实验室（DOEs Oak Ridge National Laboratory）v中心主任为中心主任为Martin Kellerv合作单位：乔治亚理工学院（合作单位：乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），能源部国家可再生能源研究室），能源部国家可再生能源研究室（DOEs N

13、ational Renewable Energy Laboratory），），乔治亚大学（乔治亚大学（University of Georgia），达特茅思学院），达特茅思学院（Dartmouth College），田纳西大学（），田纳西大学（University of Tennessee） 能源部联合生物能源研究所DOE Joint BioEnergy Institute v位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实验室（验室（DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory）v所长为所长为Jay Keas

14、lingv合作单位：桑地亚国家实验室（合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室），能源部劳伦斯利物默国家实验室（DOEs Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（），加州大学伯克利分校（University of California - Berkeley），加州大学戴威斯分校），加州大学戴威斯分校（University of California - Davis），斯坦福大学），斯坦福大学（Stanford University） 能源部大湖生物能源研究中心

15、DOE Great Lakes Bioenergy Research Center v位于威斯康星州，隶属于威斯康星大学，密切合作单位于威斯康星州，隶属于威斯康星大学，密切合作单位有密执根州立大学（位有密执根州立大学（Michigan State University）v中心主任为中心主任为Timothy Donohuev其他合作单位：能源部西北太平洋国家实验室其他合作单位：能源部西北太平洋国家实验室（DOEs Pacific Northwest National Laboratory），卢锡根公司（），卢锡根公司（Lucigen Corporation），佛罗里达大学（），佛罗里达大学（Un

16、iversity of Florida），伊利诺利州立大学（），伊利诺利州立大学（Illinois State University）和衣阿华州立大学（）和衣阿华州立大学（Iowa State University） 主要试图生产纤维乙醇的公司vAbengoa ABGOF： Babilafuente (Salamanca), 西班牙，西班牙，2019 建立第一家工业化的纤维素酒精厂建立第一家工业化的纤维素酒精厂 vArkenol: 酸水解生产酒精酸水解生产酒精vArcher Daniels Midland ADM： 利用玉米秸杆利用玉米秸杆vAlternative Energy Sources

17、 (AENS): 玉米淀粉酒精，计划转玉米淀粉酒精，计划转为纤维素酒精为纤维素酒精vBioengineering Resources Inc. (BRI)：利用废物生产酒精：利用废物生产酒精vBlueFire BFRE ：计划用酸水解法生产酒精：计划用酸水解法生产酒精.vBroin ：美国最大的干磨酒精生产商与：美国最大的干磨酒精生产商与Novozymes 和和 Dupont 合作合作vCelunol ：购买了：购买了SunOpta 的生物质酒精生产专利，计划的生物质酒精生产专利，计划2019在洛杉矶建厂。在洛杉矶建厂。主要试图生产纤维乙醇的公司vCeres ：利用基因工程开发能源作物用于酒精

18、生产，例如柳：利用基因工程开发能源作物用于酒精生产，例如柳枝秫枝秫 switchgrassvChevron/NREL: NREL 的合作者，可发的合作者，可发NREL专利专利vColusa Biomass Energy (CLME.PK): 利用大米壳生产酒利用大米壳生产酒精精vDiversa DVS ：与：与DuPont合作研究白蚂蚁多种酶降解木材合作研究白蚂蚁多种酶降解木材纤维素纤维素vDuPont： 研发纤维素酒精生产技术并产业化研发纤维素酒精生产技术并产业化(Dupont/Diversa/Broin).vDyadic DIL 研发酶发生产糖研发酶发生产糖 与与Abengoa 合作合作v

19、Genahol 计划在计划在 Long Beach, CA, Chandler, AZ, Columbus, OH, and Orville, OH建多家纤维素酒精厂建多家纤维素酒精厂vGlobex GLXI 研发超临界研发超临界(SCF) 流体和酶水解结合成产纤维流体和酶水解结合成产纤维素酒精素酒精主要试图生产纤维乙醇的公司vGreen Star Products Inc. GSPI ：研发无水连续反应器用于纤：研发无水连续反应器用于纤维素酒精生产维素酒精生产vIogen Corp. 酶法生产纤维素酒精酶法生产纤维素酒精vKergy 设计立足于原材料当地的纤维素酒精生产设计立足于原材料当地的

20、纤维素酒精生产vNova Fuels (maker of Novahol)：研发生物质：研发生物质-燃料技术主要是燃料技术主要是gasificationvNovozymes NVZMF 纤维素酶的研发纤维素酶的研发vPacific Ethanol: Bill Gates 在加州，俄勒冈州和爱得华州投资在加州，俄勒冈州和爱得华州投资的厂家的厂家vPureEnergy 研发两极稀酸水解流程研发两极稀酸水解流程vSunOpta STKL ：于：于20年前在法国建立了第一家纤维素酒精厂年前在法国建立了第一家纤维素酒精厂. 计划在中国和美国建厂计划在中国和美国建厂vXethanol XNL 计划于计划于

21、2019年在年在Augusta, GA 建立建立5千万加仑的千万加仑的纤维素酒精厂纤维素酒精厂中国面临的挑战更严峻中国面临的挑战更严峻我国是世界第二大能源生产国和消费国，我国是世界第二大能源生产国和消费国，2019年能年能源消费总量达到源消费总量达到24.6亿吨标准煤；亿吨标准煤；v人均能源资源拥有量较低，煤炭人均探明储量仅占人均能源资源拥有量较低，煤炭人均探明储量仅占世界平均水平的世界平均水平的50%左右，石油、天然气人均资源左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的量仅为世界平均水平的7.7%和和7.1%；能源短缺正成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题能源短缺正成为制约我国经济社会发展的

22、瓶颈问题之一。之一。开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解化石能源供应的紧张局面，保障国家能源安全，建化石能源供应的紧张局面，保障国家能源安全，建立可持续发展的能源供应体系，促进经济社会可持立可持续发展的能源供应体系，促进经济社会可持续发展具有重大意义。续发展具有重大意义。中国的石油生产和需求：中国的石油生产和需求： -现状和预测现状和预测开发生物质资源的重大战略意义开发生物质资源的重大战略意义v减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安全全v促进农村经济发展；增加就业机会；保持社促进农村经济发展；增加就业机会；保持社

23、会稳定会稳定v改改善善城城市市大大气气质质量量；实实现现封封闭闭的的碳碳循循环环，减减少二氧化碳净排放，减轻温室效应少二氧化碳净排放，减轻温室效应2019年：生物催化与生物转化年：生物催化与生物转化2019年：极端微生物年：极端微生物 生物冶金生物冶金 秸杆资源高值化利用秸杆资源高值化利用2019年：年：生物基化学品的生化网络生物基化学品的生化网络2019年：生物炼制细胞工厂年：生物炼制细胞工厂2019年：生物过程工程优化年：生物过程工程优化973973计划计划1,1,大宗发酵产品的先进发酵工艺大宗发酵产品的先进发酵工艺2,2,生物基化学品的生物炼制技术生物基化学品的生物炼制技术3,3,工业酶

24、的分子改造与工程化技术工业酶的分子改造与工程化技术“十一五十一五”863863计划重点项目计划重点项目2019年年 农林生物质工程重大专项启动农林生物质工程重大专项启动 2019年年 生物产业大会和国际生物经济大会生物产业大会和国际生物经济大会 2020年年 生物质能源替代运输燃料生物质能源替代运输燃料15%科技部和发改委科技部和发改委中国燃料酒精工业已经起步中国燃料酒精工业已经起步中国粮食存在中国粮食存在区域性、阶段区域性、阶段性过剩，玉米、性过剩，玉米、小麦等被用于小麦等被用于生产燃料酒精。生产燃料酒精。2019年产量达年产量达140多万吨。多万吨。新建生产能力新建生产能力200万吨。万吨

25、。中国政府面临两难境地中国政府面临两难境地v中国中国可再生能源中长期发展规划可再生能源中长期发展规划要求，要求，我国生物燃料乙醇的年生产能力将在我国生物燃料乙醇的年生产能力将在2020年年达到达到1000万吨。万吨。v原计划原计划2019年达年达500万吨，但因原料供应等万吨，但因原料供应等问题，可能调减为问题，可能调减为200万吨。万吨。 v国务院国务院6月月7日召开关于可再生能源的会议，日召开关于可再生能源的会议，中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项目，在料项目，在不得占用耕地不得占用耕地，不得消耗粮食不得消耗粮食，不得破坏生态环境不得破坏生态环

26、境的原则下，坚持发展非粮的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。燃料乙醇。 中国的燃料乙醇企业中国的燃料乙醇企业发展液体燃料与人争粮、争地？发展液体燃料与人争粮、争地？发展重点发展重点-纤维质转化纤维质转化v目前主要原料：谷物、糖类、油脂目前主要原料：谷物、糖类、油脂v近期发展目标：木薯、甘薯、甜高粱近期发展目标：木薯、甘薯、甜高粱v长期发展目标：植物纤维资源长期发展目标：植物纤维资源 纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源，目前尚未得纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源，目前尚未得到充分利用。到充分利用。 利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发目前是国内利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发目前是国内

27、外寄予厚望的重点，外寄予厚望的重点，纤维质原料纤维质原料 植物纤维类生物质降解转化植物纤维类生物质降解转化纤维素转化技术的经济效益不过关？纤维素转化技术的经济效益不过关？ 纤维素转化的社会效益纤维素转化的社会效益v国家经济安全、能源安全国家经济安全、能源安全v发展农村经济的必由之路发展农村经济的必由之路v环境保护和社会永续发展环境保护和社会永续发展秸秆发酵乙醇的主要难题秸秆发酵乙醇的主要难题v原料分散原料分散-集运增加成本集运增加成本v组分复杂组分复杂-必先预加处理必先预加处理v多酶体系多酶体系-效率急待提高效率急待提高v戊糖难用戊糖难用-酵母先要改造酵母先要改造 必须继续降低生产成本必须继续

28、降低生产成本最 低销售价（加仑/美元）酶加工 原料纤维素资源来源广、产量大纤维素资源来源广、产量大生物质原料资源生物质原料资源 q目前以及近期目前以及近期 ：农作物以及低消耗或负消耗的工农作物以及低消耗或负消耗的工业残余物业残余物将是生物质的主要来源。将是生物质的主要来源。q中期：中期：农业和森林业的加工残余物农业和森林业的加工残余物 将为扩张的生将为扩张的生物精练厂产业提供大宗的生物质原料来源。物精练厂产业提供大宗的生物质原料来源。q长期：成熟的生物精练厂产业将会利用长期：成熟的生物精练厂产业将会利用能源作物能源作物诸如经过转基因改造的快速生长树木和草类植物。诸如经过转基因改造的快速生长树木

29、和草类植物。原料先易后难原料先易后难：从工业废渣做起从工业废渣做起v未经过预处理：未经过预处理： 蔗渣、林产加工废物、食品加工废物蔗渣、林产加工废物、食品加工废物v已经过预处理：已经过预处理： 造纸废渣、木糖渣、糠醛渣造纸废渣、木糖渣、糠醛渣开发原料收集、运输体系开发原料收集、运输体系木糖代谢途径工程Thermus thermophilus基因供体菌：基因供体菌：XYL1XYL1-木糖还原酶木糖还原酶(XR)(XR)XYL2XYL2-木糖醇脱氢酶木糖醇脱氢酶(XDH)(XDH)Pichia stipitis xylAxylA-木糖异构酶木糖异构酶(XI)(XI) S. cerevisiaePi

30、chia stipitisTAL1-TAL1-转醛醇酶转醛醇酶(TAL) (TAL) TKL1TKL1-转酮酶转酮酶(TKL)(TKL)XYL3XYL3-木酮糖激酶木酮糖激酶(XK)(XK)S. cerevisiae工程菌工程菌木糖利用率达到木糖利用率达到木糖利用率达到木糖利用率达到82.1%82.1%，较对照菌提高了，较对照菌提高了，较对照菌提高了，较对照菌提高了4.14.1倍，倍，倍，倍，酒精产量达到酒精产量达到酒精产量达到酒精产量达到52.1g/l52.1g/l，较对照菌提高了，较对照菌提高了，较对照菌提高了，较对照菌提高了10.8 g/l10.8 g/lN127 cofermentat

31、ionN127 cofermentation0 01010202030304040505060607070808090901001000 012122424363648486060727284849696108108time (h)time (h)concentration (g/l)concentration (g/l)xylosexylitolglycerolacetateethanolglucose对照菌对照菌工程菌工程菌必须继续降低生产成本必须继续降低生产成本最 低销售价（加仑/美元）酶加工 原料木质纤维素的复杂网络结构木质纤维素的复杂网络结构木质纤维素原料组分的分离方法木质纤维素原料

32、组分的分离方法 可可分分离离纤纤维维素素资资源源组组分分的的物物理理、化化学学方方法法：辐辐射射处处理理、粉粉碎碎、高高压压热热水水、有有机机溶溶剂剂、稀稀酸酸、低低温温浓浓酸酸、酸酸催催化化的的蒸蒸汽汽水水解解、蒸蒸汽汽爆爆碎碎、液液氨氨爆爆碎碎、碱碱水解及使用非离子表面活性剂等。水解及使用非离子表面活性剂等。v稀酸预处理稀酸预处理v蒸汽爆碎处理蒸汽爆碎处理v低温氨爆处理低温氨爆处理v湿氧化预处理湿氧化预处理 预处理技术的比较方法方法/作用作用增加表面积增加表面积纤维素脱晶纤维素脱晶去半纤维素去半纤维素去木质素去木质素改变木质素结构改变木质素结构非催化蒸气爆破非催化蒸气爆破+-+-+热水热水

33、+-+-+热水（调热水（调pH）+-+-热水（流动热水（流动)+-+稀酸稀酸+-+-+稀酸（流动）稀酸（流动）+-+AFEX+ARP+石灰石灰+-+*: Mosier et al., 2019. Bioresource Technology 96: 673-686必须继续降低生产成本必须继续降低生产成本最 低销售价（加仑/美元）酶加工 原料纤维资源生物精练的核心技术纤维资源生物精练的核心技术- -糖平台糖平台纤维素酶的生产和纤维素水解纤维素酶的生产和纤维素水解v妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍，是纤维素酶的生产效率低，成本较高。要障

34、碍，是纤维素酶的生产效率低，成本较高。v在目前产酶技术条件下，生产一加仑乙醇需用纤维在目前产酶技术条件下，生产一加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用约为素酶的生产费用约为30-5030-50美分。这就影响了纤维美分。这就影响了纤维素资源的工业使用。素资源的工业使用。v目前的研究目标是将纤维素酶成本减少到低于每加目前的研究目标是将纤维素酶成本减少到低于每加仑乙醇仑乙醇5 5美分。这需要酶的比活性或生产效率增高美分。这需要酶的比活性或生产效率增高约约1010倍。倍。Cost comparison after recent achievements: Grain vs. biomass in USD/ga

35、llon ethanol, April, 2019Enzyme cost no longer dominates the bioethanol pictureEnzyme cost no longer dominates the bioethanol pictureModified from “Determining the Cost of Producing Ethanol from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks”, NREL/TP-580-28893 joint USDA, NREL study released in October

36、 2000.30-fold cost reduction in enzyme priceFungal Cellulase: a complex, interacting enzyme mixIdentification of proteins secreted by T. reeseiSwolleninEG IIEG IIIXyn IEG IBgl IICBH IIEG VCBH IEG II?EG IVCel74UCBgl IImprovement of PCS-hydrolyzing cellulases by BG addition Other fungal proteins as Ce

37、lluclast-booster2X reduction in enzyme loadingFungus Z, 1XTr + Z (1:1), 0.5XTr, 1XEffect of Recombinant Expression1.3XCelluclast + A1.000.76Celluclast +A + BPCS hydrolsysis, 50 g-scale, 120 hr, 50 C 6XSignificant biochemical improvementsin cellulase efficiency has been made over the past yearsv独特的生产

38、菌：青霉抗阻遏突变株独特的生产菌：青霉抗阻遏突变株v首创的培养基：工业废液、废渣首创的培养基：工业废液、废渣v96年在国内率先实现液体深层发酵工业化年在国内率先实现液体深层发酵工业化国家发明专利国家发明专利 ZL 96 1 16049.7ZL 96 1 16049.7国家教委科学技术进步一等奖国家教委科学技术进步一等奖国家发明四等奖国家发明四等奖国家科技进步二等奖国家科技进步二等奖纤维素酶生产和应用技术纤维素酶生产和应用技术问题：问题： 成本高、效率低、易失活，成本高、效率低、易失活， 不能连续催化。不能连续催化。解决思路解决思路深入研究纤维素酶的催化机理，提高效率深入研究纤维素酶的催化机理，

39、提高效率寻找新的高效纤维素酶及协同降解因子寻找新的高效纤维素酶及协同降解因子纤维素酶用于能源生产的问题与解决思路纤维素酶用于能源生产的问题与解决思路承担国家级较大研究项目承担国家级较大研究项目03年：年：“ “973”973”计划计划计划计划 生物催化和生物转化中关键生物催化和生物转化中关键生物催化和生物转化中关键生物催化和生物转化中关键问题的基础研究问题的基础研究问题的基础研究问题的基础研究04年：年：“ “973”973”计划计划计划计划 秸杆资源高值化利用的基秸杆资源高值化利用的基秸杆资源高值化利用的基秸杆资源高值化利用的基础础础础 研究研究研究研究 引入新研究技术引入新研究技术v功能基

40、因组功能基因组-发现新酶发现新酶/调控因子调控因子v蛋白质组蛋白质组-差异基因表达差异基因表达v生物芯片生物芯片-表达调控途径解析表达调控途径解析vFamily shuffling-酶分子改造酶分子改造 vGenome shuffling-酶系和调控改进酶系和调控改进v途径和辅因子工程途径和辅因子工程-超级发酵菌构建超级发酵菌构建纤维降解代谢酶系组成、酶分子纤维降解代谢酶系组成、酶分子及代谢途径的改造及代谢途径的改造v酶分子改造酶分子改造 结构域重组结构域重组 定点诱变定点诱变 定向进化定向进化v酶组分改造酶组分改造 人工酶组合人工酶组合 基因破坏基因破坏 基因置换基因置换 v代谢途径改造代谢

41、途径改造 引入新基因表达新性状引入新基因表达新性状 基因抑制基因抑制 基因破坏基因破坏纤维素酶最适pH定向进化流程图美国国家可再生能源实验室的中试装置加拿大加拿大Iogen 1000吨吨/年装置，成本年装置，成本 $1.2-1.4/加仑加仑(玉米乙醇成本玉米乙醇成本 $1.1/加仑）加仑）玉米秸生产乙醇中试玉米秸生产乙醇中试(南京林业大学南京林业大学华润华润)黑龙江华润酒精公司黑龙江华润酒精公司纤维素乙醇试验基地纤维素乙醇试验基地中科院过程所在东平建设的中科院过程所在东平建设的30003000吨秸杆乙醇吨秸杆乙醇/ /年生产线年生产线建设示范基地、中试线、生产线及其规模建设示范基地、中试线、生

42、产线及其规模纤维素乙醇生产的突破口纤维素乙醇生产的突破口生物精练生物精练 BiorefineryBiorefinery 学学习习石石化化工工业业发发展展经经验验，打打破破用用生生物物质质单单纯纯生生产产单单一一产产品品的的传传统统观观念念，充充分分利利用用原原料料中中每每一一种种组组分分，将将其其分分别别转转化化为为不不同同产产品品，实实现现原原料料充充分分利利用用、产产物多样化、产品价值最大化物多样化、产品价值最大化。多原料组分多原料组分多技术集成多技术集成多产品选择多产品选择中国生物精练工业有良好基础中国生物精练工业有良好基础河南天冠集团的小麦精炼河南天冠集团的小麦精炼作物秸杆生产纸作物秸

43、杆生产纸/ /酒精酒精/ /饲料的综合加工工艺饲料的综合加工工艺97年国家环保局推荐推广环保科技成果转化项目年国家环保局推荐推广环保科技成果转化项目（从全国申请的（从全国申请的390项成果中选出的项成果中选出的26项之一）项之一）中国轻工业联合会命名的中国轻工业联合会命名的“中国功能糖城中国功能糖城” 山山东东禹禹城城建建立立了了以以玉玉米米芯芯为为原原料料的的产产业业集集群群，形形成成了了玉玉米米芯芯 低低聚聚木木糖糖、木木糖糖醇醇、糠糠醛醛 纤纤维维残残渣渣发发电电完完整整的的产产业业链链条条，并并初初具具规规模模，年年产产木糖相关产品能力达木糖相关产品能力达5 5万吨。万吨。玉米芯废渣玉

44、米芯废渣酶解木糖渣纤维素含量酶解木糖渣纤维素含量酶解木糖渣纤维素含量酶解木糖渣纤维素含量56% 56% ，酸解木糖渣纤维素含量，酸解木糖渣纤维素含量，酸解木糖渣纤维素含量，酸解木糖渣纤维素含量60%60%纤维素转化率可达纤维素转化率可达纤维素转化率可达纤维素转化率可达90% 90% ，木糖渣酒精得率可达，木糖渣酒精得率可达，木糖渣酒精得率可达，木糖渣酒精得率可达30%30%玉米芯生物精练玉米芯生物精练燃料乙醇燃料乙醇发电、蒸汽发电、蒸汽（木素产品）（木素产品）木糖渣木糖渣炭灰还田炭灰还田低聚木糖低聚木糖木糖醇木糖醇功能糖衍生产品功能糖衍生产品玉米芯玉米芯纤维素纤维素木素木素半纤维素半纤维素技术

45、成熟性技术成熟性 以以木木糖糖渣渣为为主主要要原原料料，发发酵酵生生产产纤纤维维素素酶酶，并并以以粗粗纤纤维维素素酶酶发发酵酵液液为为糖糖化化剂剂，同同步步糖糖化化发发酵酵，生生产产出出了了纤纤维维素素乙乙醇醇。发发酵酵醪醪液液乙乙醇醇浓浓度度达达8%8%以以上上；原原料料出出酒酒率率达达24%24%以以上上，纤纤维维素素转化率转化率90%90%以上，发酵时间以上，发酵时间6464小时。小时。纤维素酶斜面菌种纤维素酶斜面菌种纤维原料纤维原料纤维原料纤维原料酒酒 精精 酵酵 母母 斜斜 面面摇瓶种子摇瓶种子配料配料配料配料茄子瓶茄子瓶一级种子一级种子同步糖化发酵同步糖化发酵发酵罐发酵罐卡氏罐卡氏

46、罐二级种子二级种子酒酒 精精 发发 酵酵 醪醪 液液纤维素酶发酵醪液纤维素酶发酵醪液残渣残渣固液分离固液分离燃料燃料酒母罐酒母罐蒸馏塔蒸馏塔蒸馏塔蒸馏塔乙乙乙乙 醇醇醇醇脱水塔脱水塔脱水塔脱水塔无无无无 水水水水 乙乙乙乙 醇醇醇醇废液废液处理处理 或或 回用回用电力、蒸汽电力、蒸汽纤维素酒精生产技术的工艺流程纤维素酒精生产技术的工艺流程近期目标近期目标（2019-2019年）v通过中试，建立和完善木糖醇通过中试，建立和完善木糖醇或糠醛或糠醛 - 酒精联产工艺酒精联产工艺v建立起万吨级纤维素酒精示范建立起万吨级纤维素酒精示范工厂。工厂。 每吨无水乙醇生产成本估算表每吨无水乙醇生产成本估算表项目

47、项目 单耗 单价（元） 金额（元）主要原辅材料主要原辅材料1730木糖渣木糖渣3.92吨 52.00 204纤维素酶液纤维素酶液3.38吨391.441323燃料及动力燃料及动力 1591汽汽15.1吨92.921399电电292 kwh 0.54 161其它费用其它费用 432直接生产成本直接生产成本3753中期目标中期目标 在完善万吨级木糖相关产品在完善万吨级木糖相关产品-纤维素乙醇联产示纤维素乙醇联产示范工厂的基础上：范工厂的基础上：v扩大原料品种扩大原料品种（如玉米秸和麦秸等）（如玉米秸和麦秸等）v扩大联产产品扩大联产产品（如乳酸、（如乳酸、PHA等化学品、蛋白饲料、等化学品、蛋白饲料

48、、纸浆、木素产品、沼气、二氧化碳等）纸浆、木素产品、沼气、二氧化碳等）v建立植物全株综合精练技术示范企业建立植物全株综合精练技术示范企业 时装表演展示了由玉米等生物原料生产出来的服装 生物精练流程图生物精练流程图在农村地区建立生物精练中心在农村地区建立生物精练中心农业从生产农业从生产3F (food, feed, fiber) 5F (food, feed, fiber, fuel, feedstock) 全株收获全株收获 分级分离分级分离 精细加工精细加工 全部利用全部利用同时解决资源短缺、农村发展、环境保护问题同时解决资源短缺、农村发展、环境保护问题蛋白质组学蛋白质组学 组学组学Disco

49、very-driven转录组学转录组学代谢组学代谢组学 通量组学通量组学DNA芯片技术芯片技术二维电泳二维电泳/质谱技术质谱技术多维色谱多维色谱/质谱技术质谱技术同位素同位素-核磁共振技术核磁共振技术计算生物学计算生物学基因组模型化技术基因组模型化技术涉及的技术途径涉及的技术途径实验生物科学实验生物科学Hypothesis-driven分子遗传学分子遗传学分子微生物学分子微生物学蛋白质工程蛋白质工程结构生物学结构生物学代谢工程代谢工程重组重组DNA技术技术蛋白质结晶及蛋白质结晶及晶体衍射技术晶体衍射技术酶的定向酶的定向进化技术进化技术高通量高通量筛选技术筛选技术微生物生理学微生物生理学反向代谢

50、反向代谢工程技术工程技术从基因组从基因组到产品到产品新型木质纤维素降解酶筛选和高效降解酶系设计与构建v设计生物质高效降解转化微生物的新型高通量筛选设计生物质高效降解转化微生物的新型高通量筛选策略，扩展筛选样品和酶种的范围，选育产不同酶策略，扩展筛选样品和酶种的范围，选育产不同酶组分的高产菌株；组分的高产菌株；v深入了解不同来源的酶组分之间的协同作用；深入了解不同来源的酶组分之间的协同作用；v利用基因工程、蛋白质工程及基因组学、蛋白质组利用基因工程、蛋白质工程及基因组学、蛋白质组学等现代分子生物技术对酶、酶系或微生物进行遗学等现代分子生物技术对酶、酶系或微生物进行遗传改造；传改造；v构建高效专用

51、的生物质降解复合酶系或多功能集成构建高效专用的生物质降解复合酶系或多功能集成的工程菌，提高生物质降解转化的效率的工程菌，提高生物质降解转化的效率木质纤维素资源生物转化木质纤维素资源生物转化液体燃料和化学品的基础研究液体燃料和化学品的基础研究 v纤维质原料预处理技术的基础研究纤维质原料预处理技术的基础研究v纤维质降解机理研究和新酶源的发现纤维质降解机理研究和新酶源的发现v高效纤维质降解复合酶系的构建研究高效纤维质降解复合酶系的构建研究v纤维质原料水解液乙醇发酵菌株的改造纤维质原料水解液乙醇发酵菌株的改造v纤维质中非纤维素组分生产高值产品途径纤维质中非纤维素组分生产高值产品途径v纤维素酶生产和酶解

52、发酵过程工程基础研究纤维素酶生产和酶解发酵过程工程基础研究 农农 林林 生生 物物 质质 高高 效效 利利 用用 工工 程程 v1、生物质资源高效培育技术、生物质资源高效培育技术v2、生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术、生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术v6、木质纤维素生物精练关键技术木质纤维素生物精练关键技术v8、非粮油农林生物质油脂及生物柴油生产技术、非粮油农林生物质油脂及生物柴油生产技术v10、可生物降解地膜开发、可生物降解地膜开发v12、木质纤维素生产功能糖产品及其综合利用木质纤维素生产功能糖产品及其综合利用v13、秸秆综合利用制备乙醇及化学品技术开发、秸秆综合利用制备乙醇及化

53、学品技术开发v15、轻质环保生物质高分子新材料开发、轻质环保生物质高分子新材料开发v22、粮食主产区秸秆综合开发利用示范、粮食主产区秸秆综合开发利用示范v23、边际土地能源作物和非粮作物综合开发示范边际土地能源作物和非粮作物综合开发示范v24、能源林培育和林业废弃物综合开发示范、能源林培育和林业废弃物综合开发示范 纤维素资源生物精练纤维素资源生物精练国家工程研究中心国家工程研究中心 v植物纤维材料收集运输和预处理技术平台植物纤维材料收集运输和预处理技术平台v高效生物质降解专用酶制剂生产技术平台高效生物质降解专用酶制剂生产技术平台v代谢途径工程改造发酵微生物技术平台代谢途径工程改造发酵微生物技术

54、平台v新型高效分离技术平台新型高效分离技术平台v生物炼制技术整合和清洁生产技术平台生物炼制技术整合和清洁生产技术平台 远期目标远期目标（2050年） 实现生物质原料（淀粉、实现生物质原料（淀粉、糖类、纤维素、木素等）全糖类、纤维素、木素等）全部利用，产品（燃料、大宗部利用，产品（燃料、大宗化学品和精细化学品、药品、化学品和精细化学品、药品、饲料、塑料等）多元化，形饲料、塑料等）多元化，形成生物质精练巨型行业，部成生物质精练巨型行业，部分替代不可再生的一次性矿分替代不可再生的一次性矿产资源，初步实现以碳水化产资源，初步实现以碳水化合物为基础的经济社会可持合物为基础的经济社会可持续发展。续发展。