基本信息
- 项目名称：
- 利用农业废弃物玉米芯原料制备生物燃料丁醇
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究利用低品位的农业废弃物玉米芯为原料，开发低成本、高效的厌氧发酵工艺制备生物燃料丁醇。通过代谢进化技术选育出具有高丁醇耐受性、高糖利用率、高丁醇产率的菌株；并对其进行发酵分离耦合的研究；将pH两阶段调控手段应用于丁醇合成体系，实现其高收率低成本的制备。该研究实现了丁醇绿色制造的理念，具有重要的理论与实际应用价值。
- 详细介绍：
- 研究目的： 针对农业废弃物玉米芯原料不能被充分利用的现状，在粮食短缺与能源危机的双重威胁下,探索利用玉米芯原料生产燃料丁醇成为生物质能源发展战略的重要组成。丁醇不仅是一种重要的C4平台化合物在医药工业、塑料工业、有机工业、印染等方面具有广泛用途，还是一种具有极大潜力的新型生物燃料，与生物乙醇相比，拥有更高的能量密度和与汽油高达40%的混溶性等优势，近年来受到越来越多的关注。 研究思路： 本作品研究利用农业废弃物玉米芯为原料，开发低成本、高效制备丁醇的厌氧发酵工艺。通过对丁醇生产菌种的离子束诱变和恒化器选育，得到具有自主知识产权的高丁醇耐受性、高糖利用率、高丁醇产率的菌株；并对其进行发酵分离耦合的研究；将发酵过程控制手段应用于丁醇合成体系，实现其高收率低成本的制备。 创新点： 1、 利用传统诱变结合进化代谢技术选育耐丁醇的突变株，提高菌株对丁醇及纤维糖液的耐受性，进而提高丁醇的制备效率。 2、 以玉米芯可再生非粮生物质资源为原料制备丁醇，不仅可降低丁醇生产成本，解决农业废弃物原料被焚烧既浪费资源又污染环境的问题，实现丁醇制备的原料及路径替代，有助于推进清洁生产，减少污染物排放；还可促进改善国家能源结构，缓解国家能源危机，保障国家能源安全和粮食安全。 3、 采用两阶段pH调控策略提高了丁醇的产量及生产强度，并降低了副产物（丙酮、乙醇）的生成，达到了丁醇的高效制备。 4、 将渗透汽化分离手段与发酵过程耦合，消除抑制，实现产物的原位高效分离。 技术关键： 1、利用离子束诱变结合进化代谢技术选育出具有抗逆性、耐高产物和底物毒素的丁醇高产菌株。 2、玉米芯木质纤维素在水解获得多组分糖液的同时也会产生大量的毒素，如何开发低成本的纤维水解技术是提高农业废弃物玉米芯原料利用效率的关键。 3、通过两阶段pH等调控策略提高总溶剂中丁醇的比例，提高菌株活力并缩短发酵周期。 4 、将渗透汽化分离手段与发酵过程耦合实现产物的原位高效分离。 市场前景： 目前全球丁醇年消费量300多万吨，预计2011年需求量为340万吨，未来5年消费量年均增长率为4%。届时，亚洲丁醇生产能力将增加到147万吨，产量119万吨，需求量163万吨，缺口量44万吨。利用可再生的玉米芯原料生产燃料丁醇，不仅能改善国家能源结构，缓解国家能源危机，保障国家能源安全和粮食安全，适应"低碳能源"经济，还能在解决国内丁醇需求不足情况下，打开国际市场，以低成本高清洁能源之路取代传统生产技术。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品研究利用农业废弃物玉米芯为原料，开发低成本、高效制备丁醇的厌氧发酵工艺。 创新点： 1、 利用传统诱变结合进化代谢技术，提高菌株对丁醇及纤维水解糖液毒素的耐受性，进而提高丁醇的制备效率。 2、 以玉米芯可再生非粮生物质资源为原料制备丁醇，不仅可降低丁醇生产成本，还可促进改善国家能源结构，缓解国家能源危机。 3、 采用两阶段pH调控策略提高了丁醇的产量及生产强度，并降低了副产物（丙酮、乙醇）的生成，达到了丁醇的高效制备。 4、 将渗透汽化分离手段与发酵过程耦合，消除抑制，实现产物的原位高效分离。 技术关键： 1、利用离子束诱变结合进化代谢技术选育出具有抗逆性、耐高产物浓度和底物毒素的丁醇高产菌株。 2、玉米芯木质纤维素在水解获得多组分糖液时，如何开发低成本的纤维水解技术是提高玉米芯原料利用效率的关键。 3、通过两阶段pH等调控策略提高总溶剂中丁醇的比例，提高菌株活力并缩短发酵周期。 4 、将渗透汽化分离手段与发酵过程耦合实现产物的原位高效分离。 主要技术指标： 1、选育出的菌株：可耐16g/L丁醇，ABE（丙酮、丁醇和乙醇）总溶剂量达到18g/L以上； 2、玉米芯木质纤维经稀酸水解工艺处理后，总糖收率达90%以上； 3、开发了可高效制备丁醇的原位发酵-膜反应萃取反应器，并建立了丁醇发酵的连续生产装置，ABE产率达到0.3g/L/h。
科学性、先进性
- 制约丙酮-丁醇发酵生产的主要因素有： （1）溶剂的终浓度低。 （2）丁醇对菌种的毒性大。 （3）溶剂产率（单位质量的原料产生的总溶剂质量）低。 （4）发酵原料价格较高等因素。 为了解决上述问题，在经济上能与石油化工法相竞争，本作品在菌种改造、发酵底物、代谢途径、产物分离等方面进行了大量研究。利用农业废弃物玉米芯原料生产燃料丁醇也是本作品研究和开发的重点方向，对改善国家能源结构，缓解国家能源危机，保障国家能源安全和粮食安全，为社会发展提供可持续、可再生、绿色、清洁能源，推动社会经济走上持续、健康的循环经济发展道路具有十分重要的意义。
获奖情况及鉴定结果
- 该项目获得江苏省高等学校大学生实践创新训练计划支撑。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术入股
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 预计2011年全球丁醇需求量为340万吨，国内需求约70万吨，而国内的产能只有40万吨左右。本作品通过对生物丁醇发酵过程中菌种改造、发酵调控、发酵分离耦合技术的研究，最终获得具有高底物和产物耐受性、高糖利用率的产丙丁菌株制备丁醇，形成低成本高通量高选择性的丙丁发酵渗透汽化有机膜的制造技术，建立丙丁发酵过程的调控技术与工艺，开发出高效丁醇生产的绿色连续发酵工艺。 中国目前年产玉米1.6亿吨，可以产生近6000万吨的玉米芯废料。使用本作品的整套工艺，生产1吨丁醇可以利用7吨玉米芯。如果建一个年产1000吨生产丁醇的中试规模生产线，可以利用近0.7万吨的玉米芯原料，此工艺可改善国家能源结构，缓解国家能源危机，保障国家能源安全和粮食安全，适应"低碳能源"经济。在解决国内丁醇需求不足情况下，打开国际市场，以低成本高清洁能源之路取代传统生产技术。
同类课题研究水平概述
- 传统生产丁醇的方法存在溶剂终浓度低、发酵成本高、丁醇对菌种的毒性大等问题，为了能在经济上与石油化工法相竞争，世界各国科研工作者在菌种改造、发酵底物、代谢途径、产物分离等方面进行了大量研究。1996年，中科院上海植物生理研究所成功筛选出高丁醇比丙酮丁醇梭菌,总溶剂在20g/L,其中丁醇稳定在71.9%。1990 年代以来,随着丙酮、丁醇的广阔应用前景和分子生物学技术的发展,许多学者开始对丙酮丁醇梭菌进行基因工程的研究。在ABE发酵过程中通过旋转过滤反应器使细胞循环，可以使细胞量达到49g/L，丁醇的生产效率达到1.14g/L/h。 2006年6月,美国杜邦(Dupont)公司和英国BP公司联合宣布建立合作伙伴关系,共同开发、生产并向市场推出新一代生物燃料——生物丁醇,以满足全球日益增长的燃料需求,该生物丁醇厂将于2009年投入运营。美国农业部农业研究所(USDA-ARS)利用拜氏梭菌转化纤维素生物质生产生物丁醇,该项目2004年立项,将于2009年完成。美国绿色生物有限公司(GBL)和专业级公司EKB公司合作,投资85.5万欧元创新丁醇发酵工艺技术,计划开发生产生物燃料丁醇用于交通运输,将其生产成本降低1/3。2007年2月,英国Oxfordshire-based Biotechnology公司接受英国贸易部和工业引导技术部投资25万英镑,其他股东和商业人士投资31万英镑,计划开发新一代低成本生物燃料——丁醇。同年，韩国产业资源部计划大力研发生化丁醇(Bio-butanol)、生物合成石油等下一代新能源技术和天然气固化储存和运输技术。 2007年以来，我国生物丁醇装置纷纷上马，我国2008年生物丁醇的产能已经达到23.8万吨，但基本以粮食淀粉及糖蜜为原料。受到2008年下半年经济危机冲击及粮食价格大幅上涨，2008年底我国生物丁醇装置大多数处于停产状态。 在粮食短缺与能源危机的双重威胁下,探索木质纤维素原料生产燃料丁醇成为生物质能源发展战略的重要组成，也是研究的热点。木质纤维素原料是自然界分布最广、含量最多、价格低廉，而又未得到充分利用的可再生资源。相信在不久的将来,利用微生物菌株以低品位可再生木质纤维资源为原料生产丙酮、丁醇必将向传统的化学法提出强有力的挑战,成为运用生物技术生产重要化工原料的重要途径之一。
