劉德華,李昌珠
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2015生物能源專刊序言
劉德華1,李昌珠2
1清華大學化工系,北京 100084 2湖南省林業(yè)科學院生物能源研究所,湖南 長沙 410082
劉德華, 李昌珠. 2015生物能源??蜓? 生物工程學報, 2015, 31(10): 1411–1414.Liu DH, Li CZ. Preface for special issue on bioenergy (2015). Chin J Biotech, 2015, 31(10): 1411–1414.
生物能源領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)在近年得到了快速發(fā)展,呈現(xiàn)出系統(tǒng)性和多元性的趨勢。2014年10月17–19日,第四屆生物質(zhì)能源技術(shù)國際會議-暨第八屆國際生物能源會議(ICBT/WBS 2014) 在長沙市舉行。本次會議由中國可再生能源學會生物質(zhì)能專業(yè)委員會、生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、歐洲生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)協(xié)會、美國化學工程師學會和聯(lián)合國開發(fā)計劃署主辦,由湖南省林業(yè)科學院和清華大學中國-巴西氣候變化與能源技術(shù)創(chuàng)新研究中心承辦。在會議優(yōu)秀論文基礎(chǔ)上,結(jié)合征稿出版了“生物能源”???。本??跃C述和研究論文的形式介紹了國內(nèi)在生物能源及相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果,包括生物質(zhì)資源分析、預處理、燃料和化學品制備、副產(chǎn)品利用和策略研究等。
生物能源,預處理,平臺化合物,熱解
近年來,通過生物轉(zhuǎn)化制備生物質(zhì)燃料的研究已受到國內(nèi)外科研和產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注。雖然與傳統(tǒng)化石燃料相比,生物質(zhì)燃料仍然存在生產(chǎn)成本較高的不足。但是,由于國內(nèi)外大中城市開始對傳統(tǒng)化學燃料的使用加以限制,作為液體和固體燃料的生物質(zhì)燃料以其較低的溫室氣體和污染物排放特性成為在城市地區(qū)合法使用的重要替代能源。生物質(zhì)燃料科研成果也伴隨其在市場應用方面的發(fā)展加快了產(chǎn)出進度,并更多地得到社會應用和產(chǎn)業(yè)政策的支持。在上述發(fā)展進程中,生物轉(zhuǎn)化過程逐漸發(fā)揮重要的作用,包括液體燃料/固體成型燃料制備、有機化學品轉(zhuǎn)化和生物質(zhì)預處理等,為構(gòu)建生物質(zhì)基產(chǎn)品體系提供了新的途徑,推動了生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外,生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化過程中二次污染問題的解決方案也被世界各地的許多研究人員所關(guān)注。在我國,政府、產(chǎn)業(yè)界和學界已經(jīng)意識到開發(fā)全資源利用以降低生產(chǎn)成本和二次污染的重要性,以減緩全球變暖和減少對進口化石燃料的依賴。
本生物能源專刊征集和篩選了國內(nèi)相關(guān)實驗室在此領(lǐng)域進行的一些工作,以綜述和研究論文的形式介紹了國內(nèi)和國際在生物能源相關(guān)領(lǐng)域進行的一些相關(guān)工作,以使國內(nèi)生物能源、生物質(zhì)基化學品、生物質(zhì)生物法預處理以及其他相關(guān)領(lǐng)域的科研人員了解領(lǐng)域內(nèi)的研究動向,為自己工作的開展和方向選擇提供幫助。
華東理工大學的李元廣課題組采用文獻計量學,對微藻生物技術(shù)領(lǐng)域的研究進展及存在問題進行了梳理和分析,并對我國微藻生物技術(shù)的科技布局、重要成果及發(fā)展瓶頸進行了概述,對微藻生物技術(shù)的發(fā)展趨勢予以展望。該綜述為科研人員開展相關(guān)工作和選題提供了參考信息。
生物質(zhì)資源的定向培育是進行生物質(zhì)基模塊化加工工藝的第一個環(huán)節(jié)。準確掌握生物質(zhì)資源的內(nèi)在基因信息將有利于開展生物質(zhì)資源的定向培育。浙江省農(nóng)業(yè)科學院的張賢課題組采用Illumina HiSeq? 2000高通量測序技術(shù),對能源植物芒的花芽和葉芽進行轉(zhuǎn)錄組分析,獲得了24個芒C4關(guān)鍵酶相關(guān)基因,為芒功能基因及相關(guān)候選基因的發(fā)掘提供了重要依據(jù)。我國南方地區(qū)普遍溫濕,生物質(zhì)原料形狀波動對后續(xù)工藝鏈的影響是生物質(zhì)基產(chǎn)業(yè)的重要問題。湖南省林業(yè)科學院的李輝課題組為了解決生物質(zhì)成型產(chǎn)業(yè)存在的成型燃料密度低、強度低、抗吸水能力弱和不耐存儲等問題,采用黃孢原毛平革菌對黧蒴栲木屑進行固態(tài)發(fā)酵預處理,并制備成型燃料。通過固態(tài)發(fā)酵預處理,發(fā)酵木屑的纖維束狀結(jié)構(gòu)和發(fā)酵產(chǎn)物(腐殖質(zhì)、低分子糖類和其他小分子物質(zhì))的共同作用可以在成型過程中降低推動能好,并改善原料的塑性,使得成型燃料的密度和Meyer強度提高。同時,發(fā)酵木屑中半纖維素的降解和成型燃料更加致密的結(jié)構(gòu)降低了成型燃料的吸水性,有利于成型燃料在長時間儲運中保持品質(zhì)。
我國液體能源短缺是目前我國社會經(jīng)濟發(fā)展中的瓶頸問題之一。因此,生物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化制備液體燃料歷來是學界研究中的熱門領(lǐng)域。四川農(nóng)業(yè)大學的沈飛課題組在對菊芋莖稈的全稈、韌皮以及髓芯的組成分析基礎(chǔ)上,采用不同濃度的NaOH對菊芋莖稈進行預處理,并對預處理后的莖稈進行酶水解。熱堿預處理對菊芋莖稈中半纖維素的去除能力優(yōu)于木質(zhì)素,且隨著堿濃度的提高,去除效果改善明顯。提高熱堿處理濃度,對木質(zhì)素含量較高的全稈和韌皮部分酶水解糖產(chǎn)率的改善較為明顯。江南大學的孫付保課題組以常壓甘油自催化預處理麥草為底物,在優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基和糖化發(fā)酵條件基礎(chǔ)上,通過采用同步糖化發(fā)酵、半同步糖化發(fā)酵和分批補料式半同步糖化發(fā)酵等考察常壓甘油自催化預處理麥草濃醪發(fā)酵制備纖維素乙醇的行為,并對發(fā)酵特征進行了表征。研究發(fā)現(xiàn)常壓甘油自催化預處理木質(zhì)纖維素基質(zhì)適用于纖維素乙醇發(fā)酵;分批補料式半同步糖化發(fā)酵策略可用來進行濃醪纖維素乙醇發(fā)酵。
纖維素水解液中常見的發(fā)酵抑制物糠醛對微生物的正常生長起抑制作用。北京化工大學的譚天偉課題組考察了不同糠醛濃度對粘紅酵母生長與油脂積累的影響。研究發(fā)現(xiàn),糠醛對粘紅酵母的抑制作用主要體現(xiàn)在延遲期的延長和對數(shù)生長期的縮短、生物量積累的減少、油脂積累的減少、糖利用能力下降等多方面。以木糖為碳源時,糠醛對粘紅酵母的抑制程度小于葡萄糖為碳源時的情況;在糠醛存在的逆境中,粘紅酵母傾向于生成更多的18碳脂肪酸或18碳不飽和脂肪酸。同時,針對糠醛對富糖生物油生物轉(zhuǎn)化制備乙醇過程的抑制作用,華中科技大學的陳漢平課題組以稻殼為原料在流化床中制得稻殼焦并通過高溫改性,將其作為吸附劑用以脫除糠醛。他們認為,經(jīng)N2和CO2高溫改性后,稻殼焦表面的含氧酸性官能團大量分解,堿性官能團增加,比表面積和孔結(jié)構(gòu)得到較好的擴充和優(yōu)化,表現(xiàn)出了較好的吸附效果。其內(nèi)在機理是N2和CO2高溫改性,增強了吸附的π-π色散力作用力和表面吸附位點,改善了稻殼焦對糠醛的吸附特性。陳漢平課題組將團隊在熱化學轉(zhuǎn)化中的研究基礎(chǔ)與生物油發(fā)酵制備高品質(zhì)液體燃料相結(jié)合,構(gòu)建模塊化工藝鏈。
在生物質(zhì)能源化利用過程中,生物質(zhì)全資源利用是降低工藝成本和避免二次污染排放的重要手段。山東理工大學的李志合課題組將糠醛廢棄物、木糖廢棄物和海藻等加工剩余物和環(huán)境污染物在研制的新型流化床反應器中以熱煙氣氣氛快速熱解制備液體燃料,考察了原料差異對熱解行為的影響,優(yōu)化得出最佳熱解條件。木質(zhì)素是生物質(zhì)的重要組成成分,在生物質(zhì)或工業(yè)木質(zhì)素的快速熱解過程中,木質(zhì)素會形成大量的酚類產(chǎn)物。-O-4是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間最主要的連接方式。華北電力大學的陸強課題組以4-(3-羥基-1-苯氧基丙基)-苯酚為-O-4型木質(zhì)素二聚體模型化合物,采用密度泛函理論M06-2X/6-31+G(d,p)方法,對該二聚體熱解過程中的反應物、中間產(chǎn)物、過渡態(tài)、產(chǎn)物進行幾何結(jié)構(gòu)的完全優(yōu)化,通過計算各可能路徑的反應能壘,確定了主要的反應類型和主要反應產(chǎn)物,從而揭示了木質(zhì)素-O-4連接部分的熱解機理。陸強課題組的研究為從更深的層面揭示生物質(zhì)熱解機理提供了理論依據(jù)。
生物質(zhì)基化工原料是生物質(zhì)資源利用研究中的重要環(huán)節(jié)。清華大學的劉德華課題組以經(jīng)基因工程改造的克雷伯氏肺炎桿菌LDH526將甘油合成平臺化合物1,3-丙二醇,設計并優(yōu)化了基于發(fā)酵動力學的甘油自動流加策略。通過將底物流加速率與易觀察變量pH和發(fā)酵時間偶聯(lián),實現(xiàn)了發(fā)酵過程中甘油流加的自啟動和甘油濃度的動態(tài)控制。劉德華課題組的工作有利于甘油合成平臺化合物1,3-丙二醇技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用。
(本文責編 郝麗芳)
劉德華 清華大學教授。主要研究領(lǐng)域包括可再生資源利用、生物能源工程、發(fā)酵工程與技術(shù)、生物反應器等。在這些領(lǐng)域,迄今已發(fā)表論文190余篇,其中SCI收錄100多篇;申請專利57項,其中已有49項獲得授權(quán)?,F(xiàn)擔任國際生物能源會議主席、、、《生物工程學報》、《過程工程學報》、《高?;W報》和《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》等國內(nèi)外期刊編委。主持并參與了多項國家攻關(guān)、“863”、“973”、“國家重點工業(yè)性試驗”、“國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”、“對發(fā)展中國家科技援助”項目等多個縱向項目;并與國內(nèi)外的多個企業(yè)合作進行項目研究。同時,與歐洲、美國、巴西、日本的眾多國際同行專家進行了廣泛的交流合作。
李昌珠 湖南省林業(yè)科學院研究員、博士生導師、湖南省生物柴油工程技術(shù)研究中心主任、中國能源學會副理事長、國家林業(yè)局能源辦核心專家。主要研究領(lǐng)域包括能源植物、生物柴油和經(jīng)濟林育種研究,2010年起享受國務院政府特殊津貼。主持或參加國家863計劃、科技支撐以及國際科技合作等一系列重大科研課題20項,獲國家科技進步獎二等獎1項、湖南省科技進步一等獎1項,另有10項科技成果獲部省科技進步二、三等獎;獲授權(quán)國家專利6項;發(fā)表論文150余篇;主、參編8部專著。
Preface for special issue on bioenergy (2015)
Dehua Liu1, and Changzhu Li2
1 Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2 Institute of Bio-energy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410082, Hunan, China
Research and industrial application of bioenergy have developed quickly with the systematic and multifocal trends in recent years. The 4thInternational Conference on Biomass Energy Technologies-8thWorld Bioenergy Symposium (ICBT-WBS 2014) and Joint Biomass Energy Symposium of Chinese Renewable Energy Society (CRES) were held in Changsha, China, 17–19 October, 2014, with American Institute of Chemical Engineers (AIChE), Biomass Energy Innovation Alliance, European Biomass Industry Association, AIChE and United Nations Development Programme (UNDP). This special issue on bioenergy is based on selected excellent papers from the submissions, together with free submissions. The special issue consists of reviews and original papers, mainly involving the aspects closely related to the bioenergy and related fields, including resource analyses, pretreatment, fuel/chemicals production, byproduct disposal and strategy investigation.
bioenergy, pretreatment, platform chemicals, pyrolysis
10.13345/j.cjb.150426
October 12, 2015
Dehua Liu. Tel: +86-10-62792128; E-mail: dhliu@tsinghua.edu.cn Changzhu Li. Tel: +86-731-85578702; E-mail: lichangzhu2013@aliyun.com