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自成一家中孕育创新,的海洋生物燃料转化系统

日期:2019-10-06编辑作者:科技科学

微藻生物柴油:标新立异中孕育创新

中科院生物燃料重点实验室 吕雪峰:构建“变废为宝”的生物燃料转化体系

当前,建立生物燃料原料可持续供给体系、绿色高效转化技术体系、系统集成和科学评估体系,已经成为世界各国的研发重点。

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■本报记者 沈春蕾

中科院生物燃料重点实验室依托于中科院青岛生物能源与过程研究所,成立6年来,致力于微藻生物燃料、生物催化转化、热化学与化学转化等可再生资源与转化技术领域的研究。

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当前,建立生物燃料原料可持续供给体系、绿色高效转化技术体系、系统集成和科学评估体系,已经成为世界各国的研发重点。

近日,中科院生物燃料重点实验室主任吕雪峰在接受《中国科学报》记者采访时表示:“我们希望通过综合不同的技术手段,构建高效、低成本、可持续发展的生物燃料转化体系。”

▲微藻 图片来源:百度图片

中科院生物燃料重点实验室依托于中科院青岛生物能源与过程研究所,成立6年来,致力于微藻生物燃料、生物催化转化、热化学与化学转化等可再生资源与转化技术领域的研究。

固碳微藻种类多

微藻生物柴油作为一项涉及生物能源、碳碱排和农业生产三位一体的战略性技术,吸引了全世界众多研究机构、大学和企业参与研发。不过,现有的微藻生物柴油技术还很不经济,投资大、成本高、占地多,这些是待解问题。

澳门威斯尼人平台登录,近日,中科院生物燃料重点实验室主任吕雪峰在接受《中国科学报》记者采访时表示:“我们希望通过综合不同的技术手段,构建高效、低成本、可持续发展的生物燃料转化体系。”

微藻通过光合作用将二氧化碳、光和水转化为油脂,作为一种潜在的清洁能源生产和二氧化碳高值化方案,工业产油微藻受到了广泛关注。

■本报记者 陆琦

微藻通过光合作用将二氧化碳、光和水转化为油脂,作为一种潜在的清洁能源生产和二氧化碳高值化方案,工业产油微藻受到了广泛关注。

吕雪峰介绍,从理论上来说,微藻亩产生物质20~28吨/年,每吨微藻可固定1.83吨二氧化碳。此外,微藻油脂也是理想的液体生物燃料(生物柴油或航空煤油)原料。

从微藻中提油,听起来匪夷所思,但目前很多科学家正在打它的主意。

吕雪峰介绍,从理论上来说,微藻亩产生物质20~28吨/年,每吨微藻可固定1.83吨二氧化碳。此外,微藻油脂也是理想的液体生物燃料(生物柴油或航空煤油)原料。

实验室微藻生物燃料方向主要从获得稳定高产的工程藻类、实现高效可控的微藻规模培养、进行经济节能的微藻转化加工着手,试图建立一条寻找藻种—培养固碳—工业炼油的选育和转化体系。

微藻生物柴油作为一项涉及生物能源、碳碱排和农业生产三位一体的战略性技术,吸引了全世界众多研究机构、大学和企业参与研发。国际上已将其作为先进生物燃料的主要发展技术路线之一。

实验室微藻生物燃料方向主要从获得稳定高产的工程藻类、实现高效可控的微藻规模培养、进行经济节能的微藻转化加工着手,试图建立一条寻找藻种—培养固碳—工业炼油的选育和转化体系。

首先,实验室科研团队将“耐原生动物污染”“易采收”等工程性状纳入选育评价产油微藻的重要指标,提出了从丝状微藻中筛选工业藻株的新思路。2013年,实验室研究人员首次发现了高产油黄丝藻,证明大尺寸丝状体结构是赋予其“耐虫”和“易收获”的独特性质,为解决制约微藻大规模培养的虫害污染和采收高能耗问题的藻种筛选提供了方向指引。

正如中国工程院院士曹湘洪所说:“随着技术进步及环境要求提高,微藻生物柴油技术会体现出竞争力。”

首先,实验室科研团队将“耐原生动物污染”“易采收”等工程性状纳入选育评价产油微藻的重要指标,提出了从丝状微藻中筛选工业藻株的新思路。2013年,实验室研究人员首次发现了高产油黄丝藻,证明大尺寸丝状体结构是赋予其“耐虫”和“易收获”的独特性质,为解决制约微藻大规模培养的虫害污染和采收高能耗问题的藻种筛选提供了方向指引。

澳门威斯尼人平台,随后,实验室开发了全球首个微拟球藻全基因组学模型、从遗传层面揭示微藻产油性状的遗传和进化特征、从调控层面首次揭示植物激素在微藻产油中的作用机制,并提出基于激素调控的微藻选育策略。

上世纪70年代到90年代的三次石油危机,促使高度依赖石油资源的美国等西方发达国家开始重视可持续的石油替代能源技术的研究。

随后,实验室开发了全球首个微拟球藻全基因组学模型、从遗传层面揭示微藻产油性状的遗传和进化特征、从调控层面首次揭示植物激素在微藻产油中的作用机制,并提出基于激素调控的微藻选育策略。

另外,实验室构建了系列利用太阳能直接一步转化二氧化碳合成不同太阳能生物燃料的基因工程蓝藻,工程蓝藻的光生物反应器规模化培养与蓝藻光合固碳合成效率的提高,将是未来研究的重点。

“微藻生物能源技术成为这场技术开发的主角。”中科院青岛生物能源与过程研究所研究员刘天中介绍说,微藻作为一类单细胞低等植物,理论面积产率可达每年每公顷250吨,远高于任何陆上植物;而且藻细胞中积累高达50%~70%的油脂,非常易于催化转化成生物柴油,甚至航空燃料。

另外,实验室构建了系列利用太阳能直接一步转化二氧化碳合成不同太阳能生物燃料的基因工程蓝藻,工程蓝藻的光生物反应器规模化培养与蓝藻光合固碳合成效率的提高,将是未来研究的重点。

目前,实验室建立了完整的微藻航空生物燃料研发体系,并与波音公司联合成立可持续航空生物燃料联合研究实验室;利用微藻能源与资源化利用共性技术与新奥集团、新疆庆华等企业合作实现了技术示范。

美国能源部于1976年开始一项历时20年的“水生生物物种计划”,其重要目标就是要解决产油微藻的大规模生产技术。日本、加拿大、英国等也相继将微藻生物柴油技术列入重大研究计划。2000年后,全球碳减排的一致行动再次点燃了微藻生物柴油技术研究的热潮。

目前,实验室建立了完整的微藻航空生物燃料研发体系,并与波音公司联合成立可持续航空生物燃料联合研究实验室;利用微藻能源与资源化利用共性技术与新奥集团、新疆庆华等企业合作实现了技术示范。

废弃秸秆热量高

“我国自‘十一五’末期,特别是在‘十二五’开始比较集中的研究。”中科院青岛生物能源与过程研究所副所长吕雪峰研究员说,科技部先后部署了多项项目支持,包括中科院、中国海洋大学、华东理工大学等大力开展了相关技术研究。其中,中科院青岛能源所系统建立了藻种选育、规模培养、加工利用等微藻能源全技术链的研发队伍,在微藻生物能源的基础研究、共性关键技术以及中试放大方面开展了系统性研究。

习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上明确提出“以沼气和生物天然气为主要处理方向,以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向,处理农业生物质废弃物”。

习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上明确提出“以沼气和生物天然气为主要处理方向,以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向,处理农业生物质废弃物”。

刘天中表示,这几年,我国在遗传育种、功能基因与代谢物组学、基因工程改造、规模培养与装备技术以及生物柴油与航空生物燃料转化方面取得了长足进步,总体水平与国外相当,部分技术甚至领先。

2016年,农业部发布《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》,并估算我国每年产生畜禽粪污38亿吨、农作物秸秆10亿吨。

2016年,农业部发布《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》,并估算我国每年产生畜禽粪污38亿吨、农作物秸秆10亿吨。

选育丝状产油藻对抗“吃货”

“处理这些农业废弃物,需要解决的关键科学问题是:如何选育适应高浓度厌氧发酵的优良微生物群落、如何提高秸秆生物质厌氧发酵产气的转化效率、如何实现高浓度发酵下高效的物料混合与传质。”吕雪峰说,“我们正在研发高浓度厌氧发酵产业化技术工艺包,希望形成工业化生物天然气技术标准体系。”

“处理这些农业废弃物,需要解决的关键科学问题是:如何选育适应高浓度厌氧发酵的优良微生物群落、如何提高秸秆生物质厌氧发酵产气的转化效率、如何实现高浓度发酵下高效的物料混合与传质。”吕雪峰说,“我们正在研发高浓度厌氧发酵产业化技术工艺包,希望形成工业化生物天然气技术标准体系。”

不过,两院院士闵恩泽直言,开发微藻生物柴油还有很大难度,要大规模工业化生产,还有漫长、艰难的路要走。

由于秸秆难降解,缺乏高效秸秆降解技术,实验室科研团队通过级联驯化,选育出高耐受性厌氧发酵微生物;研究微氧对秸秆结构和微生物群落的影响,开发出新的生物预处理技术。

由于秸秆难降解,缺乏高效秸秆降解技术,实验室科研团队通过级联驯化,选育出高耐受性厌氧发酵微生物;研究微氧对秸秆结构和微生物群落的影响,开发出新的生物预处理技术。

“由于微生物侵染和爆发性原生动物呑噬导致的微藻培养污染,是在产油微藻培养中经常发生的故事。”刘天中告诉记者,微藻培育是微藻生物柴油发展的基础,但当他们试图进行大规模高密度培养时,各种各样的“吃货”都会蜂拥而至。

虽然从技术手段上解决了部分科学问题,但我国缺乏自主的工业化大规模沼气工程技术与装备也限制了技术的应用,于是科研团队自主开发了固态进料设备、不同混合策略的反应器及配套搅拌设备、沼气压力水洗设备,进而突破了沼气工程从进料、发酵、搅拌、提纯净化全过程的产业化关键技术瓶颈。

虽然从技术手段上解决了部分科学问题,但我国缺乏自主的工业化大规模沼气工程技术与装备也限制了技术的应用,于是科研团队自主开发了固态进料设备、不同混合策略的反应器及配套搅拌设备、沼气压力水洗设备,进而突破了沼气工程从进料、发酵、搅拌、提纯净化全过程的产业化关键技术瓶颈。

事实上,美国“水生生物物种计划”研究最终未能建立起商业化的微藻生物能源体系,最重要的原因之一就是未能解决微藻规模培养中的污染问题。

基于自主开发的技术与设备,科研团队进行集成放大研究,形成了完整的高浓度厌氧发酵技术体系。其中,青岛平度建成年产18万方沼气中试放大系统,首次实现规模化高浓度厌氧发酵沼气工程的长期高效运行;吉林白城建成年产43万方沼气北方寒冷地区中试示范工程,突破了沼气工程冬季不产气难题,实现北方寒冷地区的连续高效运行。

基于自主开发的技术与设备,科研团队进行集成放大研究,形成了完整的高浓度厌氧发酵技术体系。其中,青岛平度建成年产18万方沼气中试放大系统,首次实现规模化高浓度厌氧发酵沼气工程的长期高效运行;吉林白城建成年产43万方沼气北方寒冷地区中试示范工程,突破了沼气工程冬季不产气难题,实现北方寒冷地区的连续高效运行。

刘天中带领团队,调酸、调碱、杀虫剂……凡是能想到的方法都用上了,也没什么效果。

青岛能源所先后与中节能、青岛华通集团等业内龙头企业合作,完成3处产业化示范工程建设,其中与青岛华通集团合作在青岛平度南村建成了北方最大的生物天然气基地,形成可复制推广的工艺包和商业运营模式,为我国农业生物质废物处理和资源化利用提供解决方案。

青岛能源所先后与中节能、青岛华通集团等业内龙头企业合作,完成3处产业化示范工程建设,其中与青岛华通集团合作在青岛平度南村建成了北方最大的生物天然气基地,形成可复制推广的工艺包和商业运营模式,为我国农业生物质废物处理和资源化利用提供解决方案。

突然有一天,刘天中受到鱼类养殖的启发:小鱼苗必须投喂高营养小颗粒的饵料,所谓“蚂蚁不能吞大象”。同时,他注意到,目前只有螺旋藻形成了真正意义的大规模商业化培养,培养过程很少发生严重污染。最可能的原因之一就是远大于轮虫尺寸的丝状体螺旋藻不利于原生动物的呑噬。

纤维生物质是自然界中丰富的生物质资源,利用纤维生物质生产燃料和化学品是未来发展的必然趋势。吕雪峰介绍:“优质生物资源供给和低成本、高效率纤维素糖获取是急需破解的难题。”

木质纤维价值大

于是,刘天中的团队筛选了5株黄丝藻在实验室进行培养生长和油脂评价。结果发现,其在12天培养后总油脂含量均可达51%~63%,其中可作为生物柴油的中性脂占总脂的80%以上,总脂和中性脂甚至比传统的单细胞产油藻还高,生长也相当快。更重要的是其在开放池中试放大系统中经过一年数十个批次的规模培养,没有发生轮虫等原生动物的污染。

于是,实验室科研团队从提供高产量、易转化、供应足的优质非粮纤维生物质原料;破除生物质天然抗降解屏障,开发高效绿色纤维素预处理工艺;设计构建高效的生物催化转化分子机器,提高纤维素酶解糖化效率着手研究。

纤维生物质是自然界中丰富的生物质资源,利用纤维生物质生产燃料和化学品是未来发展的必然趋势。吕雪峰介绍:“优质生物资源供给和低成本、高效率纤维素糖获取是急需破解的难题。”

目前,他们已从国内多个生境中获得了多株高产油丝状藻,并进行了包括淡水和海水的其他丝状藻的培养评价。这为解决能源微藻大规模培养的污染与收集问题提供了一条全新的途径。

纤维小体是自然界中已知最高效的纤维素降解分子机器之一,对此,科研团队开发新型非模式微生物遗传操作装备与配套技术,揭示了纤维小体多水平协同作用与调控机制,并指导基于工业化要求的纤维小体定向改良及全菌催化剂构建。

于是,实验室科研团队从提供高产量、易转化、供应足的优质非粮纤维生物质原料;破除生物质天然抗降解屏障,开发高效绿色纤维素预处理工艺;设计构建高效的生物催化转化分子机器,提高纤维素酶解糖化效率着手研究。

“现有的微藻生物柴油技术还很不经济,投资大、成本高、占地多。”闵恩泽举了个例子:一座3万吨/年管式光反应器工业示范装置的反应器就长达10.6万米,占地面积17万平方米,氮、钾、钙需求和耗电量惊人。

在如何实现高产、抗逆、可高效转化能源植物新品种创制难题上,科研团队构建了南荻重离子诱变突变体库,筛选10个高耐盐新品系,10余株高产等优良性状的新品系,获得转化效率显著提高新品系1个。

纤维小体是自然界中已知最高效的纤维素降解分子机器之一,对此,科研团队开发新型非模式微生物遗传操作装备与配套技术,揭示了纤维小体多水平协同作用与调控机制,并指导基于工业化要求的纤维小体定向改良及全菌催化剂构建。

这也成为目前微藻能源技术产业化的主要障碍。

科研团队在沿海高盐滩涂的芒草高产栽培技术获潍坊昌邑政府认可,青岛能源所与地方政府共建了百亩盐碱地生态修复与能源植物种植相结合的核心示范区,为我国盐碱地治理提供新思路。

在如何实现高产、抗逆、可高效转化能源植物新品种创制难题上,科研团队构建了南荻重离子诱变突变体库,筛选10个高耐盐新品系,10余株高产等优良性状的新品系,获得转化效率显著提高新品系1个。

“多年来研究者试图从培养工艺、装备结构上进行改进,但提升效果都非常有限。”对此,刘天中提出了微藻“生物膜贴壁培养”概念,即将藻细胞接种在人工介质表面形成生长膜,提供少量培养基保持膜表面润湿,在光照和二氧化碳环境中培养。这样,光可以直接照到细胞表面而不像传统的悬浮培养时发生在水体中的衰减,而且可以直接刮取藻泥,收集成本大大降低。

在开展高效绿色木质纤维素原料预处理研究中,针对传统单一物理法或化学法预处理能耗高、污染重的问题,实验室科研团队提出了基于物理、化学共同作用的预处理思路,结合装备开发,建立了低成本、绿色、高效的动态挤压预处理技术。

科研团队在沿海高盐滩涂的芒草高产栽培技术获潍坊昌邑政府认可,青岛能源所与地方政府共建了百亩盐碱地生态修复与能源植物种植相结合的核心示范区,为我国盐碱地治理提供新思路。

同时,刘天中又从大棚蔬菜的立体种植中得到启示:把这些微藻生物膜以一定的方式立体排列,将过强的太阳光稀释到更大培养面积上,一方面可以解决强光对藻的光抑制,另一方面可以提高太阳光能的利用率,从而提高培养面积产量。

吕雪峰向记者透露:“该技术引起国际著名公司和产业界广泛关注,获得了壳牌、宝洁、波音等国际公司和500强企业的持续资助。”他表示,生物燃料核心转化技术不仅可以促进生物能源本身发展,同样可以应用于环境治理和健康产品开发。中科院生物燃料重点实验室将坚持领域共性技术研发,形成基于生物质资源“能源—环境—健康”融合发展的思路,带动生物燃料核心技术的发展。

在开展高效绿色木质纤维素原料预处理研究中,针对传统单一物理法或化学法预处理能耗高、污染重的问题,实验室科研团队提出了基于物理、化学共同作用的预处理思路,结合装备开发,建立了低成本、绿色、高效的动态挤压预处理技术。

“这较传统的微藻液体培养模式产量提高了3~5倍,是目前文献报道的最高水平。”刘天中说,他们目前已完成了200平方米的中试放大,这一全新的培养模式也已成为微藻培养技术的研究热点。

《中国科学报》 (2017-11-13 第6版 院所)

吕雪峰向记者透露:“该技术引起国际著名公司和产业界广泛关注,获得了壳牌、宝洁、波音等国际公司和500强企业的持续资助。”他表示,生物燃料核心转化技术不仅可以促进生物能源本身发展,同样可以应用于环境治理和健康产品开发。中科院生物燃料重点实验室将坚持领域共性技术研发,形成基于生物质资源“能源—环境—健康”融合发展的思路,带动生物燃料核心技术的发展。

“从全球看,微藻能源仍然处于研发示范阶段。”吕雪峰认为,要实现微藻生物柴油的产业化,规模与成本仍然是需要大力解决的瓶颈问题。

(原载于《中国科学报》2017-11-13第6版院所)

刘天中表示,未来的研发目标一方面是要加强微藻生物学基础理论的研究,加强具工业应用性状的特色藻种的选育与改造,另一方面是要加强微藻规模培养创新方法和装备技术的研发,解决效率、成本和规模放大问题。

“在继续致力于微藻能源关键技术与装备研究的同时,我们将采取‘基础研究与应用开发相结合、高值化学品与能源产品相并行’的研发思路,推动微藻产业的形成与发展。”吕雪峰说。

《中国科学报》 (2014-12-30 第6版 能源)

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