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化秸秆为能源
记生物质炼制工程北京市重点实验室
作者:唐凤 发表时间:2018年06月30日

  “木头”也能酿酒?现在,人们利用植物木质纤维素就能加工生产出纤维素乙醇。因此,玉米秸秆、木屑等均可作为生产纤维素乙醇的原料来源。而我国是农业大国,农作物秸秆产量丰富,利用秸秆发展第二代生物燃料,对缓解能源短缺、减少环境污染等意义重大。

  在中科院,有一支生物质炼制“尖兵”:中国科学院过程工程研究所生物质炼制工程北京市重点实验室。

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  假如用“秸秆、汽爆及固态发酵”3个关键词分类检索,结果清晰地显示,中科院过程工程研发能力遥遥领先于其他科研单位。

  例如,在《生物资源技术》(本领域高水平期刊,影响因子6.102)中以steamexplosion为主题进行检索,该实验室以73篇SCI论文通讯作者列国内外第一位。

  一直以来,生物质资源化利用及相关学科是中科院过程工程研究所重要研究方向之一,生物炼制相关研究工作在国内外均有较大影响力,对于我国社会、环境和经济效益产生了重要的推动作用。

  生物质炼制工程北京市重点实验室主要针对生物质资源转化生物基能源、生物基材料和生物基化工产品的关键工程性共性问题,运用现代生物过程工程技术、绿色过程工程理论和方法,研究开发生物质资源高效、清洁、循环转化利用的新理论、新过程和原创性替代技术,并进行工程化技术集成。承担国家重大项目,组织集成社会优势资源,建立示范工程,输出生物基产品清洁生产新技术,引领我国生物基产品转化技术发展。

  “我们的总体定位是,瞄准国家能源战略需求,以生物质燃料制备为核心,推动生物质产业发展。”中科院过程所研究员、生物质炼制工程北京市重点实验室主任陈洪章说。

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  陈洪章提到,纤维素是陆生植物细胞壁最主要的成分,占植物干重的35%~50%,是地球上分布最广、含量最丰富的碳水化合物。据测算,地球上纤维素的年总产量高达2000亿吨,蕴储着巨大的生物质能。

  基于实验室定位和生物质能炼制过程所涉及的相关问题,陈洪章带领团队围绕生物质资源组分结构特性及其组分分离新过程新方法;生物基液体燃料的炼制过程关键技术(燃料乙醇、丁醇、生物柴油);生物基气体燃料的炼制过程关键技术(沼气、氢气);生物基材料与化学品的炼制过程关键技术(丁二酸、1,3-丙二醇、PHB、高纯度木质素、糠醛、木糖、木糖醇);生物质炼制产业链过程系统集成与生态工业技术等领域展开研究。

  陈洪章团队与企业合作,建立了全球首个“30万吨/年秸秆炼制工业产业化”生产线,并稳定运行,联产5万吨溶剂(丁醇、丙酮、乙醇),3万吨木质素(用于生产酚醛树脂胶)和12万吨纤维素(用于生产生物聚醚多元醇)。实现了生物质炼制集成技术系统的成功转化,并产生经济效益。

  “30万吨/年秸秆炼制工业产业化生产线”是利用玉米秸秆半纤维素发酵生产丁醇、丙酮、乙醇,而长纤维素造纸,短纤维素及木质素生产聚醚、酚醛树脂等产品的秸秆全生物量分层多级循环高值利用路线。该路线所生产的多种生物基产品可应用于能源、塑料、材料、化工等行业,为秸秆资源高值化提供了新的途径。

  2007年,中科院过程所开始与松原来禾化学有限公司开展技术合作,建立了“秸秆半纤维素发酵丁醇及其综合利用技术”示范工程。

  2009年9月该公司开工建设的“30万吨∕年秸秆炼制工业产业化生产线”。进一步利用该生产线所生产的木质素为原料,建立年产5万吨生物聚醚多元醇和2万吨酚醛树脂胶的生产线,实现了秸秆综合利用多联产的目标。

  项目成功投产标志着突破了秸秆发酵丁醇及其综合利用多项技术难题,实现工业性技术验证,所使用的技术拥有完全的自主知识产权,是国内乃至国际上第一条低成本、高值化、规模化秸秆原料生物炼制组分全利用生产线。

  此外,陈洪章团队还建立了国内首个有自主产权的3000吨/年秸秆酶解发酵乙醇示范工程,引起了社会各界的广泛关注。先后与宝洁公司、江西天人集团、山东丰源集团股份有限公司、山东泽生生物科技有限公司、安徽星星轻纺集团、吉安生化集团公司、康迪恩生物集团公司、吉林石岘白麓纸业股份有限公司等30多家企业进行了有效的合作,涉及新能源、纺织、生防、医药、酶制剂等行业,技术成果转化已产生了数亿元的经济效益。

  2014年,该实验室“万吨级秸秆丁醇产业化技术”和“万吨级秸秆乙醇产业化技术”两项技术成果通过了中科院组织的专家鉴定。专家组意见:万吨级秸秆丁醇和乙醇产业化技术创新强,经济运行良好,具有自主知识产权,达到国际领先水平。

  陈洪章还提到,气相双动态固态发酵产业化技术应用,实现了25、50、100立方工业规模成功放大,并应用于纤维素酶、白僵菌、绿僵菌、苏云金杆菌发酵生产的大规模生产。该技术能够实现水耗降低85%,能耗降低87.5%,且无废水污染。

  该团队在国内外学术期刊上共发表论文339篇,其中SCI收录论文共计232篇,国内期刊共计107篇,总引用2650次、单篇最高引用189次。申请中国发明专利222项,拥有权限的中国发明专利52项;申请国际专利20项,拥有权限的国际专利授权6项。

  卓越的成绩离不开团队成员的通力合作,提到自己的团队,陈洪章无比自豪。这里有一支15人左右的研究队伍,培养出硕博士51人(1位杰青、1位长江、2位百人、6位教授),其中博士26人、硕士25人,平均3.6篇SCI论文、所长特等奖与国家奖学金每年均有)。

  陈洪章表示,“我们重视培养学生的自信与独立思考能力。采用量化管理的方式激发团队成员的创新活力,将团队成员的创新成果、有利于创新理念产生的工作、维持创新环境发展的日常工作等根据对创新能力提升的贡献度定量统计,作为成员创新业绩的主要参考。进而将创新工作落实到日常的点滴活动和思考中,最终营造良好、可持续的创新环境,促进创新成果的产生。”

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  2018年实验室联合各相关企业建成“生物质炼制工程产业联盟”,形成产学研一体化的研究团队,加大对生物质资源的高效利用研究,并积极开展“京津冀协同创新”,为促进区域经济发展贡献自己的力量。

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