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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯原料制備生物燃料丁醇
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本研究利用低品位的農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯為原料，開(kāi)發(fā)低成本、高效的厭氧發(fā)酵工藝制備生物燃料丁醇。通過(guò)代謝進(jìn)化技術(shù)選育出具有高丁醇耐受性、高糖利用率、高丁醇產(chǎn)率的菌株；并對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵分離耦合的研究；將pH兩階段調(diào)控手段應(yīng)用于丁醇合成體系，實(shí)現(xiàn)其高收率低成本的制備。該研究實(shí)現(xiàn)了丁醇綠色制造的理念，具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
- 詳細(xì)介紹：
- 研究目的： 針對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯原料不能被充分利用的現(xiàn)狀，在糧食短缺與能源危機(jī)的雙重威脅下,探索利用玉米芯原料生產(chǎn)燃料丁醇成為生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成。丁醇不僅是一種重要的C4平臺(tái)化合物在醫(yī)藥工業(yè)、塑料工業(yè)、有機(jī)工業(yè)、印染等方面具有廣泛用途，還是一種具有極大潛力的新型生物燃料，與生物乙醇相比，擁有更高的能量密度和與汽油高達(dá)40%的混溶性等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。 研究思路： 本作品研究利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯為原料，開(kāi)發(fā)低成本、高效制備丁醇的厭氧發(fā)酵工藝。通過(guò)對(duì)丁醇生產(chǎn)菌種的離子束誘變和恒化器選育，得到具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高丁醇耐受性、高糖利用率、高丁醇產(chǎn)率的菌株；并對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵分離耦合的研究；將發(fā)酵過(guò)程控制手段應(yīng)用于丁醇合成體系，實(shí)現(xiàn)其高收率低成本的制備。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、 利用傳統(tǒng)誘變結(jié)合進(jìn)化代謝技術(shù)選育耐丁醇的突變株，提高菌株對(duì)丁醇及纖維糖液的耐受性，進(jìn)而提高丁醇的制備效率。 2、 以玉米芯可再生非糧生物質(zhì)資源為原料制備丁醇，不僅可降低丁醇生產(chǎn)成本，解決農(nóng)業(yè)廢棄物原料被焚燒既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)丁醇制備的原料及路徑替代，有助于推進(jìn)清潔生產(chǎn)，減少污染物排放；還可促進(jìn)改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)家能源危機(jī)，保障國(guó)家能源安全和糧食安全。 3、 采用兩階段pH調(diào)控策略提高了丁醇的產(chǎn)量及生產(chǎn)強(qiáng)度，并降低了副產(chǎn)物（丙酮、乙醇）的生成，達(dá)到了丁醇的高效制備。 4、 將滲透汽化分離手段與發(fā)酵過(guò)程耦合，消除抑制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的原位高效分離。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、利用離子束誘變結(jié)合進(jìn)化代謝技術(shù)選育出具有抗逆性、耐高產(chǎn)物和底物毒素的丁醇高產(chǎn)菌株。 2、玉米芯木質(zhì)纖維素在水解獲得多組分糖液的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的毒素，如何開(kāi)發(fā)低成本的纖維水解技術(shù)是提高農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯原料利用效率的關(guān)鍵。 3、通過(guò)兩階段pH等調(diào)控策略提高總?cè)軇┲卸〈嫉谋壤?，提高菌株活力并縮短發(fā)酵周期。 4 、將滲透汽化分離手段與發(fā)酵過(guò)程耦合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的原位高效分離。 市場(chǎng)前景： 目前全球丁醇年消費(fèi)量300多萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2011年需求量為340萬(wàn)噸，未來(lái)5年消費(fèi)量年均增長(zhǎng)率為4%。屆時(shí)，亞洲丁醇生產(chǎn)能力將增加到147萬(wàn)噸，產(chǎn)量119萬(wàn)噸，需求量163萬(wàn)噸，缺口量44萬(wàn)噸。利用可再生的玉米芯原料生產(chǎn)燃料丁醇，不僅能改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)家能源危機(jī)，保障國(guó)家能源安全和糧食安全，適應(yīng)"低碳能源"經(jīng)濟(jì)，還能在解決國(guó)內(nèi)丁醇需求不足情況下，打開(kāi)國(guó)際市場(chǎng)，以低成本高清潔能源之路取代傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品研究利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯為原料，開(kāi)發(fā)低成本、高效制備丁醇的厭氧發(fā)酵工藝。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、 利用傳統(tǒng)誘變結(jié)合進(jìn)化代謝技術(shù)，提高菌株對(duì)丁醇及纖維水解糖液毒素的耐受性，進(jìn)而提高丁醇的制備效率。 2、 以玉米芯可再生非糧生物質(zhì)資源為原料制備丁醇，不僅可降低丁醇生產(chǎn)成本，還可促進(jìn)改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)家能源危機(jī)。 3、 采用兩階段pH調(diào)控策略提高了丁醇的產(chǎn)量及生產(chǎn)強(qiáng)度，并降低了副產(chǎn)物（丙酮、乙醇）的生成，達(dá)到了丁醇的高效制備。 4、 將滲透汽化分離手段與發(fā)酵過(guò)程耦合，消除抑制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的原位高效分離。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、利用離子束誘變結(jié)合進(jìn)化代謝技術(shù)選育出具有抗逆性、耐高產(chǎn)物濃度和底物毒素的丁醇高產(chǎn)菌株。 2、玉米芯木質(zhì)纖維素在水解獲得多組分糖液時(shí)，如何開(kāi)發(fā)低成本的纖維水解技術(shù)是提高玉米芯原料利用效率的關(guān)鍵。 3、通過(guò)兩階段pH等調(diào)控策略提高總?cè)軇┲卸〈嫉谋壤?，提高菌株活力并縮短發(fā)酵周期。 4 、將滲透汽化分離手段與發(fā)酵過(guò)程耦合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的原位高效分離。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1、選育出的菌株：可耐16g/L丁醇，ABE（丙酮、丁醇和乙醇）總?cè)軇┝窟_(dá)到18g/L以上； 2、玉米芯木質(zhì)纖維經(jīng)稀酸水解工藝處理后，總糖收率達(dá)90%以上； 3、開(kāi)發(fā)了可高效制備丁醇的原位發(fā)酵-膜反應(yīng)萃取反應(yīng)器，并建立了丁醇發(fā)酵的連續(xù)生產(chǎn)裝置，ABE產(chǎn)率達(dá)到0.3g/L/h。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 制約丙酮-丁醇發(fā)酵生產(chǎn)的主要因素有： （1）溶劑的終濃度低。 （2）丁醇對(duì)菌種的毒性大。 （3）溶劑產(chǎn)率（單位質(zhì)量的原料產(chǎn)生的總?cè)軇┵|(zhì)量）低。 （4）發(fā)酵原料價(jià)格較高等因素。 為了解決上述問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)上能與石油化工法相競(jìng)爭(zhēng)，本作品在菌種改造、發(fā)酵底物、代謝途徑、產(chǎn)物分離等方面進(jìn)行了大量研究。利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯原料生產(chǎn)燃料丁醇也是本作品研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向，對(duì)改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)家能源危機(jī)，保障國(guó)家能源安全和糧食安全，為社會(huì)發(fā)展提供可持續(xù)、可再生、綠色、清潔能源，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)走上持續(xù)、健康的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展道路具有十分重要的意義。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該項(xiàng)目獲得江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃支撐。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股
作品可展示的形式
- 圖片、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 預(yù)計(jì)2011年全球丁醇需求量為340萬(wàn)噸，國(guó)內(nèi)需求約70萬(wàn)噸，而國(guó)內(nèi)的產(chǎn)能只有40萬(wàn)噸左右。本作品通過(guò)對(duì)生物丁醇發(fā)酵過(guò)程中菌種改造、發(fā)酵調(diào)控、發(fā)酵分離耦合技術(shù)的研究，最終獲得具有高底物和產(chǎn)物耐受性、高糖利用率的產(chǎn)丙丁菌株制備丁醇，形成低成本高通量高選擇性的丙丁發(fā)酵滲透汽化有機(jī)膜的制造技術(shù)，建立丙丁發(fā)酵過(guò)程的調(diào)控技術(shù)與工藝，開(kāi)發(fā)出高效丁醇生產(chǎn)的綠色連續(xù)發(fā)酵工藝。 中國(guó)目前年產(chǎn)玉米1.6億噸，可以產(chǎn)生近6000萬(wàn)噸的玉米芯廢料。使用本作品的整套工藝，生產(chǎn)1噸丁醇可以利用7噸玉米芯。如果建一個(gè)年產(chǎn)1000噸生產(chǎn)丁醇的中試規(guī)模生產(chǎn)線，可以利用近0.7萬(wàn)噸的玉米芯原料，此工藝可改善國(guó)家能源結(jié)構(gòu)，緩解國(guó)家能源危機(jī)，保障國(guó)家能源安全和糧食安全，適應(yīng)"低碳能源"經(jīng)濟(jì)。在解決國(guó)內(nèi)丁醇需求不足情況下，打開(kāi)國(guó)際市場(chǎng)，以低成本高清潔能源之路取代傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)。
同類課題研究水平概述
- 傳統(tǒng)生產(chǎn)丁醇的方法存在溶劑終濃度低、發(fā)酵成本高、丁醇對(duì)菌種的毒性大等問(wèn)題，為了能在經(jīng)濟(jì)上與石油化工法相競(jìng)爭(zhēng)，世界各國(guó)科研工作者在菌種改造、發(fā)酵底物、代謝途徑、產(chǎn)物分離等方面進(jìn)行了大量研究。1996年，中科院上海植物生理研究所成功篩選出高丁醇比丙酮丁醇梭菌,總?cè)軇┰?0g/L,其中丁醇穩(wěn)定在71.9%。1990 年代以來(lái),隨著丙酮、丁醇的廣闊應(yīng)用前景和分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)丙酮丁醇梭菌進(jìn)行基因工程的研究。在ABE發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾反應(yīng)器使細(xì)胞循環(huán)，可以使細(xì)胞量達(dá)到49g/L，丁醇的生產(chǎn)效率達(dá)到1.14g/L/h。 2006年6月,美國(guó)杜邦(Dupont)公司和英國(guó)BP公司聯(lián)合宣布建立合作伙伴關(guān)系,共同開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)并向市場(chǎng)推出新一代生物燃料——生物丁醇,以滿足全球日益增長(zhǎng)的燃料需求,該生物丁醇廠將于2009年投入運(yùn)營(yíng)。美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所(USDA-ARS)利用拜氏梭菌轉(zhuǎn)化纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)生物丁醇,該項(xiàng)目2004年立項(xiàng),將于2009年完成。美國(guó)綠色生物有限公司(GBL)和專業(yè)級(jí)公司EKB公司合作,投資85.5萬(wàn)歐元?jiǎng)?chuàng)新丁醇發(fā)酵工藝技術(shù),計(jì)劃開(kāi)發(fā)生產(chǎn)生物燃料丁醇用于交通運(yùn)輸,將其生產(chǎn)成本降低1/3。2007年2月,英國(guó)Oxfordshire-based Biotechnology公司接受英國(guó)貿(mào)易部和工業(yè)引導(dǎo)技術(shù)部投資25萬(wàn)英鎊,其他股東和商業(yè)人士投資31萬(wàn)英鎊,計(jì)劃開(kāi)發(fā)新一代低成本生物燃料——丁醇。同年，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)資源部計(jì)劃大力研發(fā)生化丁醇(Bio-butanol)、生物合成石油等下一代新能源技術(shù)和天然氣固化儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)。 2007年以來(lái)，我國(guó)生物丁醇裝置紛紛上馬，我國(guó)2008年生物丁醇的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到23.8萬(wàn)噸，但基本以糧食淀粉及糖蜜為原料。受到2008年下半年經(jīng)濟(jì)危機(jī)沖擊及糧食價(jià)格大幅上漲，2008年底我國(guó)生物丁醇裝置大多數(shù)處于停產(chǎn)狀態(tài)。 在糧食短缺與能源危機(jī)的雙重威脅下,探索木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)燃料丁醇成為生物質(zhì)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成，也是研究的熱點(diǎn)。木質(zhì)纖維素原料是自然界分布最廣、含量最多、價(jià)格低廉，而又未得到充分利用的可再生資源。相信在不久的將來(lái),利用微生物菌株以低品位可再生木質(zhì)纖維資源為原料生產(chǎn)丙酮、丁醇必將向傳統(tǒng)的化學(xué)法提出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn),成為運(yùn)用生物技術(shù)生產(chǎn)重要化工原料的重要途徑之一。
