呂雪峰：構(gòu)建“變廢為寶”的生物燃料轉(zhuǎn)化體系

　　當前，建立生物燃料原料可持續(xù)供給體系、綠色高效轉(zhuǎn)化技術(shù)體系、系統(tǒng)集成和科學評估體系，已經(jīng)成為世界各國的研發(fā)重點。

　　中科院生物燃料重點實驗室依托于中科院青島生物能源與過程研究所，成立6年來，致力于微藻生物燃料、生物催化轉(zhuǎn)化、熱化學與化學轉(zhuǎn)化等可再生資源與轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域的研究。

　　近日，中科院生物燃料重點實驗室主任呂雪峰在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“我們希望通過綜合不同的技術(shù)手段，構(gòu)建高效、低成本、可持續(xù)發(fā)展的生物燃料轉(zhuǎn)化體系。”

　　固碳微藻種類多

　　微藻通過光合作用將二氧化碳、光和水轉(zhuǎn)化為油脂，作為一種潛在的清潔能源生產(chǎn)和二氧化碳高值化方案，工業(yè)產(chǎn)油微藻受到了廣泛關(guān)注。

　　呂雪峰介紹，從理論上來說，微藻畝產(chǎn)生物質(zhì)20～28噸/年，每噸微藻可固定1.83噸二氧化碳。此外，微藻油脂也是理想的液體生物燃料（生物柴油或航空煤油）原料。

　　實驗室微藻生物燃料方向主要從獲得穩(wěn)定高產(chǎn)的工程藻類、實現(xiàn)高效可控的微藻規(guī)模培養(yǎng)、進行經(jīng)濟節(jié)能的微藻轉(zhuǎn)化加工著手，試圖建立一條尋找藻種—培養(yǎng)固碳—工業(yè)煉油的選育和轉(zhuǎn)化體系。

　　首先，實驗室科研團隊將“耐原生動物污染”“易采收”等工程性狀納入選育評價產(chǎn)油微藻的重要指標，提出了從絲狀微藻中篩選工業(yè)藻株的新思路。2013年，實驗室研究人員首次發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)油黃絲藻，證明大尺寸絲狀體結(jié)構(gòu)是賦予其“耐蟲”和“易收獲”的獨特性質(zhì)，為解決制約微藻大規(guī)模培養(yǎng)的蟲害污染和采收高能耗問題的藻種篩選提供了方向指引。

　　隨后，實驗室開發(fā)了全球首個微擬球藻全基因組學模型、從遺傳層面揭示微藻產(chǎn)油性狀的遺傳和進化特征、從調(diào)控層面首次揭示植物激素在微藻產(chǎn)油中的作用機制，并提出基于激素調(diào)控的微藻選育策略。

　　另外，實驗室構(gòu)建了系列利用太陽能直接一步轉(zhuǎn)化二氧化碳合成不同太陽能生物燃料的基因工程藍藻，工程藍藻的光生物反應(yīng)器規(guī)模化培養(yǎng)與藍藻光合固碳合成效率的提高，將是未來研究的重點。

　　目前，實驗室建立了完整的微藻航空生物燃料研發(fā)體系，并與波音公司聯(lián)合成立可持續(xù)航空生物燃料聯(lián)合研究實驗室；利用微藻能源與資源化利用共性技術(shù)與新奧集團、新疆慶華等企業(yè)合作實現(xiàn)了技術(shù)示范。

　　廢棄秸稈熱量高

　　習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第十四次會議上明確提出“以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農(nóng)村能源和農(nóng)用有機肥為主要使用方向，處理農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物”。

　　2016年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布《關(guān)于推進農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點的方案》，并估算我國每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸、農(nóng)作物秸稈10億噸。

　　“處理這些農(nóng)業(yè)廢棄物，需要解決的關(guān)鍵科學問題是：如何選育適應(yīng)高濃度厭氧發(fā)酵的優(yōu)良微生物群落、如何提高秸稈生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的轉(zhuǎn)化效率、如何實現(xiàn)高濃度發(fā)酵下高效的物料混合與傳質(zhì)。”呂雪峰說，“我們正在研發(fā)高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝包，希望形成工業(yè)化生物天然氣技術(shù)標準體系。”

　　由于秸稈難降解，缺乏高效秸稈降解技術(shù)，實驗室科研團隊通過級聯(lián)馴化，選育出高耐受性厭氧發(fā)酵微生物；研究微氧對秸稈結(jié)構(gòu)和微生物群落的影響，開發(fā)出新的生物預處理技術(shù)。

　　雖然從技術(shù)手段上解決了部分科學問題，但我國缺乏自主的工業(yè)化大規(guī)模沼氣工程技術(shù)與裝備也限制了技術(shù)的應(yīng)用，于是科研團隊自主開發(fā)了固態(tài)進料設(shè)備、不同混合策略的反應(yīng)器及配套攪拌設(shè)備、沼氣壓力水洗設(shè)備，進而突破了沼氣工程從進料、發(fā)酵、攪拌、提純凈化全過程的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

　　基于自主開發(fā)的技術(shù)與設(shè)備，科研團隊進行集成放大研究，形成了完整的高濃度厭氧發(fā)酵技術(shù)體系。其中，青島平度建成年產(chǎn)18萬方沼氣中試放大系統(tǒng)，首次實現(xiàn)規(guī)?；邼舛葏捬醢l(fā)酵沼氣工程的長期高效運行；吉林白城建成年產(chǎn)43萬方沼氣北方寒冷地區(qū)中試示范工程，突破了沼氣工程冬季不產(chǎn)氣難題，實現(xiàn)北方寒冷地區(qū)的連續(xù)高效運行。

　　青島能源所先后與中節(jié)能、青島華通集團等業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)合作，完成3處產(chǎn)業(yè)化示范工程建設(shè)，其中與青島華通集團合作在青島平度南村建成了北方最大的生物天然氣基地，形成可復制推廣的工藝包和商業(yè)運營模式，為我國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢物處理和資源化利用提供解決方案。

　　木質(zhì)纖維價值大

　　纖維生物質(zhì)是自然界中豐富的生物質(zhì)資源，利用纖維生物質(zhì)生產(chǎn)燃料和化學品是未來發(fā)展的必然趨勢。呂雪峰介紹：“優(yōu)質(zhì)生物資源供給和低成本、高效率纖維素糖獲取是急需破解的難題。”

　　于是，實驗室科研團隊從提供高產(chǎn)量、易轉(zhuǎn)化、供應(yīng)足的優(yōu)質(zhì)非糧纖維生物質(zhì)原料；破除生物質(zhì)天然抗降解屏障，開發(fā)高效綠色纖維素預處理工藝；設(shè)計構(gòu)建高效的生物催化轉(zhuǎn)化分子機器，提高纖維素酶解糖化效率著手研究。

　　纖維小體是自然界中已知最高效的纖維素降解分子機器之一，對此，科研團隊開發(fā)新型非模式微生物遺傳操作裝備與配套技術(shù)，揭示了纖維小體多水平協(xié)同作用與調(diào)控機制，并指導基于工業(yè)化要求的纖維小體定向改良及全菌催化劑構(gòu)建。

　　在如何實現(xiàn)高產(chǎn)、抗逆、可高效轉(zhuǎn)化能源植物新品種創(chuàng)制難題上，科研團隊構(gòu)建了南荻重離子誘變突變體庫，篩選10個高耐鹽新品系，10余株高產(chǎn)等優(yōu)良性狀的新品系，獲得轉(zhuǎn)化效率顯著提高新品系1個。

　　科研團隊在沿海高鹽灘涂的芒草高產(chǎn)栽培技術(shù)獲濰坊昌邑政府認可，青島能源所與地方政府共建了百畝鹽堿地生態(tài)修復與能源植物種植相結(jié)合的核心示范區(qū)，為我國鹽堿地治理提供新思路。

　　在開展高效綠色木質(zhì)纖維素原料預處理研究中，針對傳統(tǒng)單一物理法或化學法預處理能耗高、污染重的問題，實驗室科研團隊提出了基于物理、化學共同作用的預處理思路，結(jié)合裝備開發(fā)，建立了低成本、綠色、高效的動態(tài)擠壓預處理技術(shù)。

　　呂雪峰向記者透露：“該技術(shù)引起國際著名公司和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注，獲得了殼牌、寶潔、波音等國際公司和500強企業(yè)的持續(xù)資助。”他表示，生物燃料核心轉(zhuǎn)化技術(shù)不僅可以促進生物能源本身發(fā)展，同樣可以應(yīng)用于環(huán)境治理和健康產(chǎn)品開發(fā)。中科院生物燃料重點實驗室將堅持領(lǐng)域共性技術(shù)研發(fā)，形成基于生物質(zhì)資源“能源—環(huán)境—健康”融合發(fā)展的思路，帶動生物燃料核心技術(shù)的發(fā)展。（記者 沈春蕾）