“十五”863计划后续能源技术主题课题成果

    稻麦草高效制乙醇联产高密度板材的研究与开发

    课题目的为研究开发出利用稻、麦草等生物质制液体燃料(乙醇等)、高密度板材、有机肥（整个工艺中的剩余物制有机肥），实现无污染废液排放的新技术与新工艺;本课题以研究稻麦草的超微结构、化学结构与物化性质和利用为主要内容，课题研究成果为：  

        形成了稻、麦草制乙醇、高密度板材、有机肥的新工艺；  

        秸杆中提取木糖和葡萄糖的提取率>  40%；  

        研究出利用秸杆纤维制备高密度纤维板的工艺（实现国家二级标准）；  

        成功地利用秸杆木糖高效制备出乙醇：

        秸杆木糖发酵制乙醇产率  0.41  (g/g木糖)，乙醇产生速率，0.4（g  /L.h  

        成功地利用秸杆木糖与秸杆葡萄糖制备出乙醇；  

        利用秸杆直接制备汽柴油馏份有突破性进展；  

        直接利用秸杆制备出含汽柴油馏份产物。实现了试验室内秸杆向汽柴油馏份的转化。

 

利用藻类热解制备生物质液体燃料

　　课题目标是以藻类细胞为原料，通过细胞工程和生物化工等技术，生产生物柴油、生物质热解燃油等可再生生物能源，为开发新能源并治理环境污染提供了新的生物技术途径。

　　课题取得了如下研究成果：

        通过异养转化细胞工程技术获得了高脂肪含量的异养藻细胞，非异养转化的细胞内的脂类化合物含量为细胞干重的14%，而通过异养转化的细胞其脂类化合物含量增加到4倍左右，达细胞干重的55%，保证了生物质燃料产率的成倍提高。  

        利用高脂肪含量的异养藻快速热解获得高产量的生物质燃油，利用通过异养转化获得的高脂肪含量的藻细胞进行快速热解，获得了57.2%（%藻干重）的产油率，是自养藻细胞产油率（16.6%）的3.4倍。  

        获得与化石燃油相当的优质生物质燃油，通过对高脂肪含量的藻细胞进行快速热解，获得高产量高品质的生物质燃油，热值高达41MJ/kg，分别是木材热解油和自养藻热解油的2倍和1.4倍。异养藻细胞的热解油具高热值（41MJ/kg）、低密度(0.92  kg/l)、低粘度(0.02  Pa  s)的特点。这些特征与化石燃油相当。

　　藻类具有生长繁殖快（一般高等植物需要生长好几个月甚至几年才能完成一代，藻类繁殖一代的时间仅为2-5天），生长周期短、光合作用效率高、不占用耕地、可大规模自动化控制培养（生产）等优势；另外藻类细胞内的脂肪和蛋白质含量高于高等植物，其裂解油的产率和质量将大大高于一般的高等植物如木材和农作物秸杆等生物质资源，利用藻类热解制备液体燃料具良好的应用转化的前景和市场需求。

 

沼气废水复合微生物处理技术

　　课题目标是筛选特殊微生物经扩大培养，对畜禽业厌氧出水进行深一步处理，最终达到排放水准。课题经人工选育，以假单胞菌、巨大芽孢杆菌、脱氮杆菌等为主体的复合微生物，采用单一与复合培养后应用与沼气工程废水及难降解生物质领域的废水处理，获得了理想效果。

　　畜禽场沼气工程废水CODcr5483mg/l，BOD2250mg/l，N3H-N547mg/l，经复合菌SBR工艺处理，CODcr可降至267mg/l，BOD146.7mg/l，N3H-N9.8mg/l，达到了课题合同技术指标的要求。研究中选用了有效的微生物载体，可防止微生物流失、保障了复合微生物菌较长期有效。

　　对于涂料、染料、制药等领域的废水，普通生化法较难处理，应用复合微生物技术，证明有耐盐、抗硫、破杂环、降COD、脱色、脱氮等效果。在多个工程中应用，最终排放水可达到国家一级排放指标，保障了生产的可持续发展。成果已应用在上海浦东3万羽鸡场厌氧发酵污水处理工程、上海龙马神座椅有限公司涂料污水处理工程、上海染化八厂废水处理工程和浙江仙琚制药有限公司废水处理工程，2005年在三个污水处理招标项目中中标。

 

能源植物及液体燃料利用新技术研究示范

　　课题目标在于解决燃料油植物育种、栽培和燃料油提取的关键技术，实现燃料油能源植物的规模种植，形成有自主知识产权的中国燃料油植物示范基地。

　　课题主要技术成果：

        建立了能源植物资源信息资源库。筛选出了1－3年可收获的蓖麻、绿玉树、麻疯树，以及5－7年可收获的光皮树、油桐等优良的速生高产能源树种。制定出了5项指标，即含油率、经济产量、适生区大小、繁殖难易和油的成份作为筛选和评价能源植物的依据。  

        绿玉树、光皮树、蓖麻和麻疯树等原料油植物筛选出高种源12个，无性系19个。                                                                                      

        以绿玉树为试材，利用分子标记、抗寒基因导入和倍性育种等手段，进行了生物技术育种，获得了高产烷烃类化学物质的四倍体和转基因植物材料。分别在湖南江华、桂阳、龙山县和广西南宁市结合国家退耕还林工程营建了能源植物原料林基地200公顷。完成与不同种类能源植物配套的速成栽培新技术开发。完成了绿玉树植物形态解剖结构；乳汁的化学组成分析；乳汁设备研制及改进；烷烃和烯醇类生物质液体燃料油制取。研制出绿玉树乳汁榨取装置1套。  

        生物质液体燃料油研究开发(物理方法直接获取和化学方法间接获取)

　　物理方法—绿玉树乳汁制取烷烃和烯醇类生物质液体燃料油,  已有阶段性成果。

　　化学方法—含三酸甘油脂的木本油料植物油脂交换法制取生物柴油。研制出年产600吨的小型连续工艺生产生物柴油装置。与企业合作建有年产10,000吨的连续工艺生产生物柴油厂。

　　对油茶、油桐、光皮树、麻疯树、蓖麻等非食用木本或多年生植物油的制取、油脂脱胶、脱蜡、脱臭工艺进行改进；以油茶、光皮树、麻疯树等五种木本植物油作原料油制取生物柴油，对产品进行了理化性质的测定并研制出小试和中试装置各1套。对高碳脂肪酸改性及生物技术降解进行了初步探讨。

 

高效微生物制氢系统与工艺

　　课题目标是选育一批能高效分解淀粉、纤维素的微生物菌株，通过基因工程方法构建一批能高效产氢的光合细菌和兼性厌氧细菌。建立微生物制氢工艺技术和微生物制氢示范系统，为微生物制氢产业化提供技术基础。

　　课题研究内容是以秸杆等生物质为原料，通过分解微生物将秸杆等生物质分解为简单的糖类物质，利用高效产氢微生物将分解物转化为氢。

　　课题主要技术成果：

        建立了针对农作物秸杆、淀粉类物质和有机废水的高效分解系统。筛选到具有高效分解秸杆和淀粉类物质的微生物分解菌株。分解菌株对稻草秸杆的糖化率可达40%以上,对甘蔗秸杆的糖化率可达38%以上。淀粉分解菌株能在48~72h内将10%的淀粉分解90%以上，在48h后达到最大产糖量。为大规模利用能源植物（甘蔗、甜薯等）和农作物秸杆制备燃料氢奠定了基础；  

构建了高效微生物产氢系统。利用生物技术手段选育到20多株具有高产氢活性的微生物菌株，产氢菌株能利用淀粉和糖类物质为底物催化产氢，产氢的最高速率达15L  H2/d.L反应液，产氢的平均速率达6.1L  H2/d.L反应液；  

        研制了三套规格为20L、40L和450L的生物制氢反应器。其中40L连续流生物制氢反应器与生物氢储存、燃料电池和电动设备等整合为生物质分解制氢及氢能－电能转化一体化系统；  

        建立了微生物分解和微生物制氢的工艺技术和条件。根据某些生物能相互作用并形成一种稳定胶团结构的特性，获得了能与产氢微生物形成胶团且不影响其产氢活性的生物截留系统，产氢微生物被固定在胶团内，解决了连续流生物制氢过程中有效截留活性微生物的难题。

 

有机废弃物两步生物产氢新技术的研究

　　课题研究厌氧发酵和光合细菌转化有机废弃物制取氢气的两步生物产氢技术,为利用有机废弃物生产清洁能源提供新的概念和技术。

　　课题建立了通过一步厌氧发酵反应器酸化有机废弃物并部分产生氢气,  再利用光合细菌在二步反应器中将厌氧发酵的产物进一步转化为氢气的新方法和新技术,  克服了厌氧发酵法产氢效率低和光合细菌法无机直接利用有机废弃物连续产氢的缺点，取得如下主要进展：

        成功地利用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器培养出了产氢活性高、沉降性能好的产氢颗粒污泥。  

　　实现了光生物产氢反应器的连续运行。光生物产氢反应器能够有效地将厌氧发酵产氢反应器的上述液相产物转化为氢气，产生的气体中氢气最大比例可达到90%。  

        建立了稳定运行产氢反应器的新方法和新技术，优化了两步生物产氢系统的运行参数。连续运行的两步生物产氢反应器可以有效地将含糖废水、固体秸杆废物和水生植物浆液中的碳水化合物转化为氢气，系统的最大产氢能力为17  m3氢气/m3反应器.天。

　　课题研究开发出了将氢气制取和废物处理相结合的有机废弃物两步生物产氢新技术，有望成为适应面广、成本低的清洁能源生产新技术。可应用于产生高浓度有机废水的食品加工、发酵等行业，可用城市污水处理厂的剩余污泥、生活垃圾等其他有机废弃物为原料生产氢气,  具有比目前厌氧发酵产氢法更广泛的应用领域。该技术的潜在用户包括:  食品加工行业、发酵行业、制药行业、城市污水处理厂、环卫部门和农业部门。

 

木质纤维素水解产物高效酒精发酵技术研究

　　课题主要研究目标是：探索出高效酒精发酵菌种；确定固定化细胞方法并使固定化细胞在反应器中稳定运转；提高糖利用率、酒精得率，缩短发酵周期；获得一株高效转化葡萄糖和木糖成酒精的基因重组菌株。

　　课题成果包括利用木糖产酒精酵母菌的选择；高效利用木糖产酒精酵母菌的驯化、固定化和酒精发酵。该酒精发酵技术，首先从利用木糖和葡萄糖产酒精的9个酵母菌种中，以木糖为唯一底物选择出3株菌种；然后对该3株菌种进行木糖产酒精的驯化，确定1株酵母菌种具有高效代谢木糖和葡萄糖产酒精的能力；该菌种经驯化和固定化后，24h酒精发酵的木糖、葡萄糖、总糖利用率和乙醇产率分别达到了87.9%,99.99%，93.95%和99.99%。

　　课题成果可在木质纤维素稀酸水解液的酒精发酵技术中得到应用，通过对稀酸水解液进行适当的脱毒处理和固定化细胞技术，可使乙醇发酵取得更好的结果。

 

生物柴油合成新技术

　　课题主要研究内容为：脂肪酶固定化载体及固定化酶反应器的研究；脂肪酶酶催化生产生物柴油反应条件的优化、酶法酯化生产生物柴油的工艺优化；建立生物柴油的中试线，优化生物柴油的分离提取工艺。课题取得研究进展如下：

        酶法催化脂肪酸酯化反应生产生物柴油

　　利用发酵提取的粗酶制剂，经固定化后作为生物催化剂催化甲酯化反应，在最佳条件下转化率达到96%左右。固定化酶使用半衰期超过250小时。经分离提取后产品中甲酯含量超过99%。在脂肪酶催化酯化反应研究的基础上，对酶促酯交换反应合成脂肪酸甲酯工艺进行了研究，经过优化工艺条件，在采用3次流加甲醇的条件下，利用15%的固定化酶（相当于油的质量分数，酶活为18000u/g）反应30h，反应体系中甲酯转化率达到96%，并且固定化酶的使用半衰期可以达到200h以上。对地沟油进行催化反应，废油经简单预处理后，转化率可以达到94%左右，固定化酶半衰期超过200小时。  

        生物柴油产物分离提取工艺

　　采用降膜蒸发器连同刮板式薄膜蒸发器串联，利用降膜蒸发器来分离粗产品的石油醚、甲醇、水等低沸点物质。利用刮板式薄膜蒸发器来分离脂肪酸甲酯即生物柴油。该方法分离后产品中甲酯含量大于97%，回收率大于85%。分离后产品各项指标完全符合德国生物柴油生产标准（DIN  51606  97）。  

        200吨/年生物柴油中试装置

　　建立了年产200吨的生物柴油中试生产装置。该装置采用固定床式酶反应器，将膜状固定化酶填充在内，并在固定化酶膜间添加支撑物以减小流体的压力同时又起到了液体再分布器的作用。该反应器具有操作压力小，固定化酶利用率高等优点，对于植物油及废油等原料生产生物柴油转化率均可达到95%以上，最高转化率可以达到96%。粗产品经过分离精制后各项指标完全符合德国生物柴油生产标准。

　　该工艺制造生物柴油的生产成本远远低于化学法。利用废油脂生产生物柴油的成本约为2700元/吨。该技术不但对我国新型柴油能源开发有重要意义，并对减少城市地沟油和煎炸油排量，改善城市环境起到积极作用。

 

能源作物甜高粱培育及能量转换技术研究

　　甜高粱属高光效能源作物，其茎秆富含糖分，是生产生物质燃料乙醇的原材料。为了培育适合燃料乙醇生产的甜高粱专用品种，同时有利于品种更新换代，课题主要研究目标是：选育出茎秆汁液含糖量高、粮秆兼收且产量高，适合燃料乙醇生产的高产甜高粱品种，同时进行了甜高粱能量转换技术研究试验。

　　课题育成乙醇专用的早、中、晚熟配套的醇甜系列杂交品种共5个，其中早熟杂交品种2个；中、晚熟杂交品种3个。在满足生产环境条件的基础上，茎秆汁液锤度达到18%-20%，茎秆产量每亩4000-4500公斤以上，籽粒产量350-450公斤。2002年-2004年，分别在北京、辽宁、黑龙江、内蒙、山东、新疆等地进行区域试验、生产试验和种植示范，示范面积达万亩。

　　经2002-2004年在北京、辽宁、吉林、黑龙江、内蒙、山东、新疆进行能量技术转换研究实验结果，利用甜高粱茎秆生产乙醇初级产品，最高的产出率达到10%,平均产出率7.5%。（注：产出率等于原料质量与产出乙醇质量之比）

　　种植甜高粱可产生较高的经济效益和社会效益。从试验结果可以看出，农民种植甜高粱每季亩产值可达600元-800元，和种植玉米相比亩产值可提高100元以上，有利于农民增收。

　　试验证明在相同的种植面积条件下，甜高粱单位面积乙醇的产量和玉米相比可提高35％左右，且耐旱，耐涝耐盐碱，在能源作物方面发展前途远大于玉米。随着我国生物质液体燃料的发展，能源作物甜高粱种植面积将不断扩大，选育和推广含糖量高的品种已成为当前甜高粱生产的紧迫任务，通过该课题实施，显示出在生物质能源领域生产上应用的广阔前景。