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2016年优秀实验室选编—生物质炼制工程北京市重点实验室
来源:    日期:2017-09-26

生物质炼制工程北京市重点实验室依托中国科学院过程工程研究所建设。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。实验室面积达5000余平方米,同时在廊坊基地建有一座独立的生物质工程科研楼。

近三年来,实验室获得国家技术发明二等奖1项、中国专利优秀奖1项、闵恩泽能源化工奖青年进步奖1项;生物质多孔特性、生物质抑制物解析、生物质高固多相酶解过程等基础理论和技术的研究上取得了良好的进展;在吉林、山东等完成了秸秆炼制生产乙醇、丁醇、糠醛、聚醚多元醇、生态板等多联产生物基产品产业化生产线。
    实验室取得的代表性成果主要包括:

1、无污染汽爆技术

针对生物质原料结构的不均一性,以及各组分功能化利用的差异性,建立了高效清洁的组分分离平台,构建了低成本的生物质转化关键技术。该技术使物料在高温高压汽相蒸煮以及突然泄压机械撕裂的双重作用下,破坏生物质的组织结构和化学组分,实现生物质的组分分离及不同组分的功能化利用。蒸汽爆破技术具有能耗低、操作简单等优点,原料适用性广,包括农作物秸秆(如麦秆、稻草、玉米秸秆、豆秆、棉杆等)、稻壳、玉米芯、花生秧、地瓜秧、木材及林业废弃物、木本油料植物(如盐肤木、文冠果、黄连木、小桐子等)、中草药、非粮淀粉作物(如甘薯、木薯、紫薯、葛根、黄姜等)、果蔬(山楂、苹果、枣等)、动物毛发、禽类羽毛、屠宰动物下脚料、动物尸体等。目前,蒸汽爆破技术已经在工程工艺一体化研究中取得突破,其装置已经成功放大到15203050m3,其中50m3蒸汽爆破罐属于国内外最大规模。以生物质资源为原材料,以蒸汽爆破技术为依托,集成不同组分分离技术,各组分分别进行功能转化,形成了生物基能源(生物天然气、生物乙醇、生物丁醇)、生物基材料(纸浆、纸模具、木塑材料、人造板)和生物基化学品(糠醛、木糖、乙酰丙酸)的生物质炼制技术体系和生态产业链集成。该研究荣获20062012北京市科学技术二等奖等奖项。


图1.廊坊基地生物质工程中试科研楼及其装置


     2、气相双动态固态固态纯种发酵技术

针对传统固态发酵设备规模小,放大困难;机械式强化传质传热,能耗高,且菌丝体损伤严重;物料间传质传热不均匀,且物料容易结团等缺点。提出了固态发酵是以气体为连续相的本征特征,固态发酵整个系统的传质传热是以气体为载体,同时以多孔介质为固态发酵的理论基础,通过强化气体的运动,来强化整个系统的传质传热,即气相双动态固态发酵技术。该技术具有如下特点:(1)气体运动强化了发酵体系的传热过程,降低物料层温差,使温差<2℃。(2)气体运动强化了发酵体系的传质过程,消除了不同物料层之间的O2浓度。(3)气体运动松动了物料层,避免了物料的结团及压实。(4)周期性的气体运动对微生物产生周期刺激,有利于微生物的生长代谢。(5)设备无机械搅拌,能耗低,且不损伤菌丝体。(6)设备采用先进的PLC自动化控制系统,控制精确,无人为因素的干扰。(7)设备易放大,现已放大到国内外最大规模100m3。该技术已成功应用于生物农药(白僵菌、绿僵菌、木霉、苏云金芽孢杆菌等)、生物肥料(淡紫拟青霉)、酶制剂(纤维素酶、漆酶等)等的工业化生产。该技术荣获2009年国家科技进步二等奖、2012年中国发明专利金奖等奖项。

2.气相双动态固态发酵罐


     3、纤维素丁醇乙醇技术

针对秸秆等木质纤维素难以转化的难题,中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员提出了面向原料、面向过程、面向产品的生物质炼制工程理念,取得了多项创新性成果并申请了一系列发明专利,拥有了自主知识产权:第一,基于秸秆原料结构特性,发明清洁、高效的组分选择性拆分炼制技术,揭示了破除天然纤维素抗降解屏障作用机制;第二,通过连续动态驯化方法选育出同步发酵木糖、葡萄糖,具有耐受抑制物的工业发酵菌株;第三,创建了秸秆先固相强化酶解解聚-后同步糖化全糖发酵新工艺,在400m3工业规模发酵装置上稳定运行;第四,构建出秸秆乙醇和丁醇,车用压缩生物天然气(CNG)、全木质素热塑材料等多元产品的产业化秸秆炼制技术路线,并组建出与万吨级秸秆酶解发酵乙醇和丁醇技术体系相配套的自主加工的工业化装置系统,实现了秸秆原料组分全利用,突破了秸秆发酵乙醇和丁醇的技术经济世界性难题。该技术获得了北京市科技进步二等奖,基于该技术申请的专利荣获第十七届中国专利优秀奖等奖项。2014年该研究成果在吉林省松原市实现了4万吨/年秸秆丁醇和5万吨/年秸秆乙醇多联产规模生产和经济运行。产品包括纤维素乙醇和丁醇、木塑建筑材料、车用生物压缩天然气。


图3.秸秆丁醇中试基地

 

 

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