酶工程原理及应用-09 纤维素酶与木质纤维素.ppt

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1、纤维素酶与木质纤维素资源的利用,可持续发展可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品,生物质资源开发 木质纤维素 海洋生物资源微生物技术,生物加工工艺生物制浆造纸技术酶法有机转化,绿色生物产品生物酒精、氢能生物农药、可降解塑料,目前的工业生产模式不可持续,化石资源不可再生资源资源危机化石燃料不可再生能源能源危机 三废排放生态环境污染环境危机,不可再生的石油资源的困境,廉价石油时代终结了-人类必须戒除“油瘾”,化石资源是现代工业和现代文明的物质基础,石油、煤炭、天然气不仅提供了基本的能源，而且提供了99%的有机工业原料。,30,1990,2000,2020,2030,2010,2050,2075,2

2、100年,0,5,10,15,20,25,我国在世界CO2排放中的比例,(%),普京总统签署正式批准京都议定书之联邦法令,即使京都议定书不生效，欧盟都会坚守承诺,我们愿意做到超越京都议定书的要求,全球暖化的威胁超过恐怖主义,环境问题经济观点全球影响,化石经济，付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）,生物质资源开发是人类继续生存的必然选择,生物质资源为可再生的原料模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂，（逐步地）以生物可再生资源为原料，来大规模生产人类所急需的能源、材料、大宗化学品、医药等,物质转化体系的第三次革命,煤炭经济化石原料（石油）经济碳水化合物经济,依赖化石资源的工业文明只是人类文明

3、历史的一幕人类走向生物质经济时代是一种历史的回归，是人类走向可持续发展的进步和必然,生物质循环经济推动下的 可持续发展社会,生物技术的第三次浪潮,资源生物技术（新能源、新材料等）环境生物技术（环境治理、清洁生产、环境友好产品等）生物催化加工（新型酶制剂、手性合 成等）海洋生物技术（海洋资源开发、转化）,第一代燃料乙醇大量消耗粮食,二氧化碳排放与气候变暖,液体燃料的CO2和能量平衡,纤维素资源来源广、产量大,美国政府的三大目标,2012年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力 2017年：20 in 10-10年后，对石油的依赖要 降低20 2030年：30 by 30-到2030年，美国对石油

4、的 依赖降低30%,实现政府的目标，需600个年产1亿加仑（30 多万吨）的乙醇厂,美国能源部半年宣布多笔巨额投资,2月宣布：今后四年，投资3.85亿美元，用于6个生物精炼厂项目。总投资将超过12亿美元。全面投产后，预计每年的纤维质乙醇产量将超过1.3亿加仑。5月宣布：20072011年将投入2亿美元资助小规模纤维素生物炼制的技术开发，选择510个项目予以资助，要求申请者自筹50的经费。另外，投资2300万美元资助5个乙醇发酵菌研究，投3800万招标纤维素酶生产研究。6月宣布：将投入3.75亿美元建立三个新的生物能源研究中心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。,Abengoa Bi

5、oenergy Biomass及Chesterfield公司,投资：7600万美元拟建厂址：堪萨斯州原料：700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷以及其他原料/天计划年产：1140万加仑乙醇（约3.5万吨），产生足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给周边,ALICO有限公司,投资：3300万美元拟建厂址：佛罗里达州LaBelle郡原料：770吨木材、植物废弃物等/天计划年产：1390万加仑乙醇（约4.2万吨），6255千瓦电力，以及每天生产8.8吨氢和50吨氨,BlueFire Ethanol有限公司,投资：4000万美元拟建厂址：加利福尼亚州Irvine市 原料：700吨分类的绿色废料

6、和来自填埋厂的木材废料/天计划年产：1900万加仑乙醇（约5.7万吨）,Broin公司,投资：8000万美元拟建厂址：爱荷华州的Emmetsburg 原料：842吨玉米纤维、芯、秸秆等/天计划年产：1.25亿加仑的乙醇，其中大约25%是纤维质乙醇（约10万吨）参与者：du Pont、Novozymes 以及能源部国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）,Iogen Biorefinery Partners公司,投资：8000万美元拟建厂址：爱达荷州的Shelley 原料：700吨的农业残留物(麦秸、大麦秆、玉米秸、柳枝稷以及稻草等)/天计

7、划年产：1800万加仑乙醇（约5.4万吨）参与者：Iogen能源公司、Iogen公司、Goldman Sachs公司以及荷兰皇家壳牌集团（Royal Dutch/Shell Group）,Range Fuels公司,投资：7600万美元拟建厂址：乔治亚州的Soperton 原料：1200吨木材残余物和木基能源作物等/天年产：4000万加仑乙醇（约12万吨）和900万加仑甲醇,能源部生物能源科学研究中心DOE BioEnergy Science Center,位于田纳西州，隶属于能源部橡树岭国家实验室（DOEs Oak Ridge National Laboratory）中心主任为Martin

8、Keller合作单位：乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology），能源部国家可再生能源研究室（DOEs National Renewable Energy Laboratory），乔治亚大学（University of Georgia），达特茅思学院（Dartmouth College），田纳西大学（University of Tennessee）,能源部联合生物能源研究所DOE Joint BioEnergy Institute,位于加利福尼亚州，属于能源部劳伦斯伯克利国家实验室（DOEs Lawrence Berkeley National Labor

9、atory）所长为Jay Keasling合作单位：桑地亚国家实验室（Sandia National Laboratories），能源部劳伦斯利物默国家实验室（DOEs Lawrence Livermore National Laboratory），加州大学伯克利分校（University of California-Berkeley），加州大学戴威斯分校（University of California-Davis），斯坦福大学（Stanford University）,能源部大湖生物能源研究中心DOE Great Lakes Bioenergy Research Center,位于威斯康星

10、州，隶属于威斯康星大学，密切合作单位有密执根州立大学（Michigan State University）中心主任为Timothy Donohue其他合作单位：能源部西北太平洋国家实验室（DOEs Pacific Northwest National Laboratory），卢锡根公司（Lucigen Corporation），佛罗里达大学（University of Florida），伊利诺利州立大学（Illinois State University）和衣阿华州立大学（Iowa State University）,主要试图生产纤维乙醇的公司,Abengoa ABGOF：Babilafuen

11、te(Salamanca),西班牙，2007 建立第一家工业化的纤维素酒精厂 Arkenol:酸水解生产酒精Archer Daniels Midland ADM：利用玉米秸杆Alternative Energy Sources(AENS):玉米淀粉酒精，计划转为纤维素酒精Bioengineering Resources Inc.(BRI)：利用废物生产酒精BlueFire BFRE：计划用酸水解法生产酒精.Broin：美国最大的干磨酒精生产商与Novozymes 和 Dupont 合作Celunol：购买了SunOpta 的生物质酒精生产专利，计划2007在洛杉矶建厂。,主要试图生产纤维乙醇的

12、公司,Ceres：利用基因工程开发能源作物用于酒精生产，例如柳枝秫 switchgrassChevron/NREL:NREL 的合作者，可发NREL专利Colusa Biomass Energy(CLME.PK):利用大米壳生产酒精Diversa DVS：与DuPont合作研究白蚂蚁多种酶降解木材纤维素DuPont：研发纤维素酒精生产技术并产业化(Dupont/Diversa/Broin).Dyadic DIL 研发酶发生产糖 与Abengoa 合作Genahol 计划在 Long Beach,CA,Chandler,AZ,Columbus,OH,and Orville,OH建多家纤维素酒精厂

13、Globex GLXI 研发超临界(SCF)流体和酶水解结合成产纤维素酒精,主要试图生产纤维乙醇的公司,Green Star Products Inc.GSPI：研发无水连续反应器用于纤维素酒精生产Iogen Corp.酶法生产纤维素酒精Kergy 设计立足于原材料当地的纤维素酒精生产Nova Fuels(maker of Novahol)：研发生物质-燃料技术主要是gasificationNovozymes NVZMF 纤维素酶的研发Pacific Ethanol:Bill Gates 在加州，俄勒冈州和爱得华州投资的厂家PureEnergy 研发两极稀酸水解流程SunOpta STKL：于

14、20年前在法国建立了第一家纤维素酒精厂.计划在中国和美国建厂Xethanol XNL 计划于2007年在Augusta,GA 建立5千万加仑的纤维素酒精厂,中国面临的挑战更严峻,我国是世界第二大能源生产国和消费国，2006年能源消费总量达到24.6亿吨标准煤；人均能源资源拥有量较低，煤炭人均探明储量仅占世界平均水平的50%左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的7.7%和7.1%；能源短缺正成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题之一。开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解化石能源供应的紧张局面，保障国家能源安全，建立可持续发展的能源供应体系，促进经济社会可持续发展具有重大意义。,中国的石油

15、生产和需求：-现状和预测,开发生物质资源的重大战略意义,减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安全促进农村经济发展；增加就业机会；保持社会稳定改善城市大气质量；实现封闭的碳循环，减少二氧化碳净排放，减轻温室效应,2003年：生物催化与生物转化2004年：极端微生物 生物冶金 秸杆资源高值化利用2005年：生物基化学品的生化网络2006年：生物炼制细胞工厂2007年：生物过程工程优化,973计划,1,大宗发酵产品的先进发酵工艺2,生物基化学品的生物炼制技术3,工业酶的分子改造与工程化技术,“十一五”863计划重点项目,2006年 农林生物质工程重大专项启动 2007年 生物产业大会和国际生物经济大

16、会 2020年 生物质能源替代运输燃料15%,科技部和发改委,中国燃料酒精工业已经起步,中国粮食存在区域性、阶段性过剩，玉米、小麦等被用于生产燃料酒精。2006年产量达140多万吨。新建生产能力200万吨。,中国政府面临两难境地,中国可再生能源中长期发展规划要求，我国生物燃料乙醇的年生产能力将在2020年达到1000万吨。原计划2010年达500万吨，但因原料供应等问题，可能调减为200万吨。国务院6月7日召开关于可再生能源的会议，中国将停止在建的煤化工项目和粮食乙醇燃料项目，在不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境的原则下，坚持发展非粮燃料乙醇。,中国的燃料乙醇企业,发展液体燃料与人争

17、粮、争地？发展重点-纤维质转化,目前主要原料：谷物、糖类、油脂近期发展目标：木薯、甘薯、甜高粱长期发展目标：植物纤维资源,纤维质原料是自然界最丰富的可再生资源，目前尚未得到充分利用。利用纤维质原料生产乙醇工艺的研究和开发目前是国内外寄予厚望的重点，,纤维质原料,植物纤维类生物质降解转化,纤维素转化技术的经济效益不过关？,纤维素转化的社会效益国家经济安全、能源安全发展农村经济的必由之路环境保护和社会永续发展,秸秆发酵乙醇的主要难题,原料分散-集运增加成本组分复杂-必先预加处理多酶体系-效率急待提高戊糖难用-酵母先要改造,必须继续降低生产成本,最 低销售价（加仑/美元）,酶,加工,原料,纤维素资源

18、来源广、产量大,生物质原料资源,目前以及近期：农作物以及低消耗或负消耗的工业残余物将是生物质的主要来源。中期：农业和森林业的加工残余物 将为扩张的生物精练厂产业提供大宗的生物质原料来源。长期：成熟的生物精练厂产业将会利用能源作物诸如经过转基因改造的快速生长树木和草类植物。,原料先易后难：从工业废渣做起,未经过预处理：蔗渣、林产加工废物、食品加工废物已经过预处理：造纸废渣、木糖渣、糠醛渣,开发原料收集、运输体系,木糖代谢途径工程,Thermus thermophilus,基因供体菌：,XYL1-木糖还原酶(XR)XYL2-木糖醇脱氢酶(XDH),Pichia stipitis,xylA-木糖异构

19、酶(XI),S.cerevisiaePichia stipitis,TAL1-转醛醇酶(TAL)TKL1-转酮酶(TKL),XYL3-木酮糖激酶(XK),S.cerevisiae,对照菌,工程菌,必须继续降低生产成本,最 低销售价（加仑/美元）,酶,加工,原料,木质纤维素的复杂网络结构,木质纤维素原料组分的分离方法,可分离纤维素资源组分的物理、化学方法：辐射处理、粉碎、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓酸、酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱水解及使用非离子表面活性剂等。稀酸预处理蒸汽爆碎处理低温氨爆处理湿氧化预处理,预处理技术的比较,*:Mosier et al.,2005.Bioreso

20、urce Technology 96:673-686,必须继续降低生产成本,最 低销售价（加仑/美元）,酶,加工,原料,纤维资源生物精练的核心技术-糖平台纤维素酶的生产和纤维素水解,妨碍木质纤维素资源酶法生物转化技术实用化的主要障碍，是纤维素酶的生产效率低，成本较高。在目前产酶技术条件下，生产一加仑乙醇需用纤维素酶的生产费用约为30-50美分。这就影响了纤维素资源的工业使用。目前的研究目标是将纤维素酶成本减少到低于每加仑乙醇5美分。这需要酶的比活性或生产效率增高约10倍。,Cost comparison after recent achievements:Grain vs.biomass in

21、 USD/gallon ethanol,April,2005,Enzyme cost no longer dominates the bioethanol picture,Modified from“Determining the Cost of Producing Ethanol from Corn Starch and Lignocellulosic Feedstocks”,NREL/TP-580-28893 joint USDA,NREL study released in October 2000.,Fungal Cellulase:a complex,interacting enzy

22、me mix,Identification of proteins secreted by T.reesei,Improvement of PCS-hydrolyzing cellulases by BG addition,Other fungal proteins as Celluclast-booster,2X reduction in enzyme loading,Effect of Recombinant Expression,1.3X,Celluclast+A,1.00,0.76,Celluclast+A+B,PCS hydrolsysis,50 g-scale,120 hr,50

23、C,6X,Significant biochemical improvementsin cellulase efficiency has been made over the past years,独特的生产菌：青霉抗阻遏突变株首创的培养基：工业废液、废渣96年在国内率先实现液体深层发酵工业化,国家发明专利 ZL 96 1 16049.7国家教委科学技术进步一等奖国家发明四等奖国家科技进步二等奖,纤维素酶生产和应用技术,问题：成本高、效率低、易失活，不能连续催化。解决思路深入研究纤维素酶的催化机理，提高效率寻找新的高效纤维素酶及协同降解因子,纤维素酶用于能源生产的问题与解决思路,承担国家级较大

24、研究项目,03年：“973”计划 生物催化和生物转化中关键问题的基础研究04年：“973”计划 秸杆资源高值化利用的基础 研究,引入新研究技术,功能基因组-发现新酶/调控因子蛋白质组-差异基因表达生物芯片-表达调控途径解析Family shuffling-酶分子改造 Genome shuffling-酶系和调控改进途径和辅因子工程-超级发酵菌构建,纤维降解代谢酶系组成、酶分子及代谢途径的改造酶分子改造 结构域重组 定点诱变 定向进化酶组分改造 人工酶组合 基因破坏 基因置换 代谢途径改造 引入新基因表达新性状 基因抑制 基因破坏,纤维素酶最适pH定向进化流程图,美国国家可再生能源实验室的中试装

25、置,加拿大Iogen 1000吨/年装置，成本 加仑(玉米乙醇成本$1.1/加仑）,玉米秸生产乙醇中试(南京林业大学华润),黑龙江华润酒精公司纤维素乙醇试验基地,中科院过程所在东平建设的3000吨秸杆乙醇/年生产线,建设示范基地、中试线、生产线及其规模,纤维素乙醇生产的突破口生物精练 Biorefinery,学习石化工业发展经验，打破用生物质单纯生产单一产品的传统观念，充分利用原料中每一种组分，将其分别转化为不同产品，实现原料充分利用、产物多样化、产品价值最大化。多原料组分多技术集成多产品选择,中国生物精练工业有良好基础河南天冠集团的小麦精炼,作物秸杆生产纸/酒精/饲料的综合加工工艺,97年国

26、家环保局推荐推广环保科技成果转化项目（从全国申请的390项成果中选出的26项之一）,中国轻工业联合会命名的“中国功能糖城”,山东禹城建立了以玉米芯为原料的产业集群，形成了玉米芯 低聚木糖、木糖醇、糠醛 纤维残渣发电完整的产业链条，并初具规模，年产木糖相关产品能力达5万吨。,玉米芯废渣,酶解木糖渣纤维素含量56%，酸解木糖渣纤维素含量60%纤维素转化率可达90%，木糖渣酒精得率可达30%,玉米芯生物精练,燃料乙醇,发电、蒸汽（木素产品）,木糖渣,炭灰还田,低聚木糖,木糖醇,功能糖衍生产品,玉米芯,纤维素,木素,半纤维素,技术成熟性,以木糖渣为主要原料，发酵生产纤维素酶，并以粗纤维素酶发酵液为糖化

27、剂，同步糖化发酵，生产出了纤维素乙醇。发酵醪液乙醇浓度达8%以上；原料出酒率达24%以上，纤维素转化率90%以上，发酵时间64小时。,纤维素酒精生产技术的工艺流程,近期目标（2007-2010年）,通过中试，建立和完善木糖醇或糠醛-酒精联产工艺建立起万吨级纤维素酒精示范工厂。,每吨无水乙醇生产成本估算表,中期目标,在完善万吨级木糖相关产品-纤维素乙醇联产示范工厂的基础上：扩大原料品种（如玉米秸和麦秸等）扩大联产产品（如乳酸、PHA等化学品、蛋白饲料、纸浆、木素产品、沼气、二氧化碳等）建立植物全株综合精练技术示范企业,时装表演展示了由玉米等生物原料生产出来的服装,生物精练流程图,在农村地区建立生

28、物精练中心,农业从生产3F(food,feed,fiber)5F(food,feed,fiber,fuel,feedstock)全株收获 分级分离 精细加工 全部利用同时解决资源短缺、农村发展、环境保护问题,涉及的技术途径,新型木质纤维素降解酶筛选和高效降解酶系设计与构建,设计生物质高效降解转化微生物的新型高通量筛选策略，扩展筛选样品和酶种的范围，选育产不同酶组分的高产菌株；深入了解不同来源的酶组分之间的协同作用；利用基因工程、蛋白质工程及基因组学、蛋白质组学等现代分子生物技术对酶、酶系或微生物进行遗传改造；构建高效专用的生物质降解复合酶系或多功能集成的工程菌，提高生物质降解转化的效率,木质纤

29、维素资源生物转化液体燃料和化学品的基础研究,纤维质原料预处理技术的基础研究纤维质降解机理研究和新酶源的发现高效纤维质降解复合酶系的构建研究纤维质原料水解液乙醇发酵菌株的改造纤维质中非纤维素组分生产高值产品途径纤维素酶生产和酶解发酵过程工程基础研究,农 林 生 物 质 高 效 利 用 工 程,1、生物质资源高效培育技术2、生物质高效降解专用微生物筛选与构建技术6、木质纤维素生物精练关键技术8、非粮油农林生物质油脂及生物柴油生产技术10、可生物降解地膜开发12、木质纤维素生产功能糖产品及其综合利用13、秸秆综合利用制备乙醇及化学品技术开发15、轻质环保生物质高分子新材料开发22、粮食主产区秸秆综合开发利用示范23、边际土地能源作物和非粮作物综合开发示范24、能源林培育和林业废弃物综合开发示范,纤维素资源生物精练国家工程研究中心,植物纤维材料收集运输和预处理技术平台高效生物质降解专用酶制剂生产技术平台代谢途径工程改造发酵微生物技术平台新型高效分离技术平台生物炼制技术整合和清洁生产技术平台,远期目标（2050年）,实现生物质原料（淀粉、糖类、纤维素、木素等）全部利用，产品（燃料、大宗化学品和精细化学品、药品、饲料、塑料等）多元化，形成生物质精练巨型行业，部分替代不可再生的一次性矿产资源，初步实现以碳水化合物为基础的经济社会可持续发展。,