構(gòu)建“變廢為寶”的生物燃料轉(zhuǎn)化體系

當(dāng)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(xué)評(píng)估體系，已經(jīng)成為世界各國(guó)的研發(fā)重點(diǎn)。

中科院生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于中科院青島生物能源與過(guò)程研究所，成立6年來(lái)，致力于微藻生物燃料、生物催化轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)與化學(xué)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任呂雪峰在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示：“我們希望通過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高效可控的微藻規(guī)模培養(yǎng)、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)將“耐原生動(dòng)物污染”“易采收”等工程性狀納入選育評(píng)價(jià)產(chǎn)油微藻的重要指標(biāo)，提出了從絲狀微藻中篩選工業(yè)藻株的新思路。2013年，實(shí)驗(yàn)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(chóng)”和“易收獲”的獨(dú)特性質(zhì)，為解決制約微藻大規(guī)模培養(yǎng)的蟲(chóng)害污染和采收高能耗問(wèn)題的藻種篩選提供了方向指引。

隨后，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)微擬球藻全基因組學(xué)模型、從遺傳層面揭示微藻產(chǎn)油性狀的遺傳和進(jìn)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(jī)制，并提出基于激素調(diào)控的微藻選育策略。

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

目前，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室;利用微藻能源與資源化利用共性技術(shù)與新奧集團(tuán)、新疆慶華等企業(yè)合作實(shí)現(xiàn)了技術(shù)示范。

廢棄秸稈熱量高

習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)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(jī)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(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試點(diǎn)的方案》，并估算我國(guó)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(xué)問(wèn)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(shí)現(xiàn)高濃度發(fā)酵下高效的物料混合與傳質(zhì)。”呂雪峰說(shuō)，“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(biāo)準(zhǔn)體系。”

由于秸稈難降解，缺乏高效秸稈降解技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)級(jí)聯(lián)馴化，選育出高耐受性厭氧發(fā)酵微生物;研究微氧對(duì)秸稈結(jié)構(gòu)和微生物群落的影響，開(kāi)發(fā)出新的生物預(yù)處理技術(shù)。

雖然從技術(shù)手段上解決了部分科學(xué)問(wèn)題，但我國(guó)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(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了固態(tài)進(jìn)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(jìn)而突破了沼氣工程從進(jìn)料、發(fā)酵、攪拌、提純凈化全過(guò)程的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

基于自主開(kāi)發(fā)的技術(shù)與設(shè)備，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(wàn)方沼氣中試放大系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)規(guī)?；邼舛葏捬醢l(fā)酵沼氣工程的長(zhǎng)期高效運(yùn)行;吉林白城建成年產(chǎn)43萬(wàn)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(shí)現(xiàn)北方寒冷地區(qū)的連續(xù)高效運(yùn)行。

青島能源所先后與中節(jié)能、青島華通集團(tuán)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(tuán)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(fù)制推廣的工藝包和商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，為我國(guó)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(jià)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(xué)品是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)高效綠色纖維素預(yù)處理工藝;設(shè)計(jì)構(gòu)建高效的生物催化轉(zhuǎn)化分子機(jī)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(jī)器之一，對(duì)此，科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(jī)制，并指導(dǎo)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(shí)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(tuán)隊(duì)構(gòu)建了南荻重離子誘變突變體庫(kù)，篩選10個(gè)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(gè)。

科研團(tuán)隊(duì)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(rèn)可，青島能源所與地方政府共建了百畝鹽堿地生態(tài)修復(fù)與能源植物種植相結(jié)合的核心示范區(qū)，為我國(guó)鹽堿地治理提供新思路。

在開(kāi)展高效綠色木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理研究中，針對(duì)傳統(tǒng)單一物理法或化學(xué)法預(yù)處理能耗高、污染重的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)提出了基于物理、化學(xué)共同作用的預(yù)處理思路，結(jié)合裝備開(kāi)發(fā)，建立了低成本、綠色、高效的動(dòng)態(tài)擠壓預(yù)處理技術(shù)。

呂雪峰向記者透露：“該技術(shù)引起國(guó)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(guó)際公司和500強(qiáng)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(jìn)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(kāi)發(fā)。中科院生物燃料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將堅(jiān)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(dòng)生物燃料核心技術(shù)的發(fā)展。