劉德華，李昌珠

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2015生物能源?？蜓?/p>

劉德華1，李昌珠2

1清華大學(xué)化工系，北京 100084 2湖南省林業(yè)科學(xué)院生物能源研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410082

劉德華, 李昌珠. 2015生物能源?？蜓? 生物工程學(xué)報(bào), 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(shì)。2014年10月17–19日，第四屆生物質(zhì)能源技術(shù)國(guó)際會(huì)議-暨第八屆國(guó)際生物能源會(huì)議(ICBT/WBS 2014) 在長(zhǎng)沙市舉行。本次會(huì)議由中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)生物質(zhì)能專業(yè)委員會(huì)、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(huì)、美國(guó)化學(xué)工程師學(xué)會(huì)和聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署主辦，由湖南省林業(yè)科學(xué)院和清華大學(xué)中國(guó)-巴西氣候變化與能源技術(shù)創(chuàng)新研究中心承辦。在會(huì)議優(yōu)秀論文基礎(chǔ)上，結(jié)合征稿出版了“生物能源”?？１緦？跃C述和研究論文的形式介紹了國(guó)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(yù)處理、燃料和化學(xué)品制備、副產(chǎn)品利用和策略研究等。

生物能源，預(yù)處理，平臺(tái)化合物，熱解

近年來(lái)，通過(guò)生物轉(zhuǎn)化制備生物質(zhì)燃料的研究已受到國(guó)內(nèi)外科研和產(chǎn)業(yè)界越來(lái)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(guó)內(nèi)外大中城市開始對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)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(chǎng)應(yīng)用方面的發(fā)展加快了產(chǎn)出進(jìn)度，并更多地得到社會(huì)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)政策的支持。在上述發(fā)展進(jìn)程中，生物轉(zhuǎn)化過(guò)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(jī)化學(xué)品轉(zhuǎn)化和生物質(zhì)預(yù)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(dòng)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(guò)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(guó)，政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界已經(jīng)意識(shí)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(duì)進(jìn)口化石燃料的依賴。

本生物能源?？骷秃Y選了國(guó)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室在此領(lǐng)域進(jìn)行的一些工作，以綜述和研究論文的形式介紹了國(guó)內(nèi)和國(guó)際在生物能源相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的一些相關(guān)工作，以使國(guó)內(nèi)生物能源、生物質(zhì)基化學(xué)品、生物質(zhì)生物法預(yù)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(dòng)向，為自己工作的開展和方向選擇提供幫助。

華東理工大學(xué)的李元廣課題組采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)，對(duì)微藻生物技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及存在問題進(jìn)行了梳理和分析，并對(duì)我國(guó)微藻生物技術(shù)的科技布局、重要成果及發(fā)展瓶頸進(jìn)行了概述，對(duì)微藻生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(jìn)行生物質(zhì)基模塊化加工工藝的第一個(gè)環(huán)節(jié)。準(zhǔn)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(xué)院的張賢課題組采用Illumina HiSeq? 2000高通量測(cè)序技術(shù)，對(duì)能源植物芒的花芽和葉芽進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，獲得了24個(gè)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(guó)南方地區(qū)普遍溫濕，生物質(zhì)原料形狀波動(dòng)對(duì)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(xué)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(qiáng)度低、抗吸水能力弱和不耐存儲(chǔ)等問題，采用黃孢原毛平革菌對(duì)黧蒴栲木屑進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵預(yù)處理，并制備成型燃料。通過(guò)固態(tài)發(fā)酵預(yù)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(guò)程中降低推動(dòng)能好，并改善原料的塑性，使得成型燃料的密度和Meyer強(qiáng)度提高。同時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)運(yùn)中保持品質(zhì)。

我國(guó)液體能源短缺是目前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(lái)是學(xué)界研究中的熱門領(lǐng)域。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的沈飛課題組在對(duì)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(duì)菊芋莖稈進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)預(yù)處理后的莖稈進(jìn)行酶水解。熱堿預(yù)處理對(duì)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(duì)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(xué)的孫付保課題組以常壓甘油自催化預(yù)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(guò)采用同步糖化發(fā)酵、半同步糖化發(fā)酵和分批補(bǔ)料式半同步糖化發(fā)酵等考察常壓甘油自催化預(yù)處理麥草濃醪發(fā)酵制備纖維素乙醇的行為，并對(duì)發(fā)酵特征進(jìn)行了表征。研究發(fā)現(xiàn)常壓甘油自催化預(yù)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(bǔ)料式半同步糖化發(fā)酵策略可用來(lái)進(jìn)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(duì)微生物的正常生長(zhǎng)起抑制作用。北京化工大學(xué)的譚天偉課題組考察了不同糠醛濃度對(duì)粘紅酵母生長(zhǎng)與油脂積累的影響。研究發(fā)現(xiàn)，糠醛對(duì)粘紅酵母的抑制作用主要體現(xiàn)在延遲期的延長(zhǎng)和對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(shí)，糠醛對(duì)粘紅酵母的抑制程度小于葡萄糖為碳源時(shí)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(shí)，針對(duì)糠醛對(duì)富糖生物油生物轉(zhuǎn)化制備乙醇過(guò)程的抑制作用，華中科技大學(xué)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(guò)高溫改性，將其作為吸附劑用以脫除糠醛。他們認(rèn)為，經(jīng)N2和CO2高溫改性后，稻殼焦表面的含氧酸性官能團(tuán)大量分解，堿性官能團(tuán)增加，比表面積和孔結(jié)構(gòu)得到較好的擴(kuò)充和優(yōu)化，表現(xiàn)出了較好的吸附效果。其內(nèi)在機(jī)理是N2和CO2高溫改性，增強(qiáng)了吸附的π-π色散力作用力和表面吸附位點(diǎn)，改善了稻殼焦對(duì)糠醛的吸附特性。陳漢平課題組將團(tuán)隊(duì)在熱化學(xué)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(guò)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(xué)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(yīng)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(duì)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(guò)程中，木質(zhì)素會(huì)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(xué)的陸強(qiáng)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(duì)該二聚體熱解過(guò)程中的反應(yīng)物、中間產(chǎn)物、過(guò)渡態(tài)、產(chǎn)物進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的完全優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算各可能路徑的反應(yīng)能壘，確定了主要的反應(yīng)類型和主要反應(yīng)產(chǎn)物，從而揭示了木質(zhì)素-O-4連接部分的熱解機(jī)理。陸強(qiáng)課題組的研究為從更深的層面揭示生物質(zhì)熱解機(jī)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(xué)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(tái)化合物1,3-丙二醇，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了基于發(fā)酵動(dòng)力學(xué)的甘油自動(dòng)流加策略。通過(guò)將底物流加速率與易觀察變量pH和發(fā)酵時(shí)間偶聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程中甘油流加的自啟動(dòng)和甘油濃度的動(dòng)態(tài)控制。劉德華課題組的工作有利于甘油合成平臺(tái)化合物1,3-丙二醇技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

(本文責(zé)編 郝麗芳)

劉德華 清華大學(xué)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(yīng)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(qǐng)專利57項(xiàng)，其中已有49項(xiàng)獲得授權(quán)?，F(xiàn)擔(dān)任國(guó)際生物能源會(huì)議主席、、、《生物工程學(xué)報(bào)》、《過(guò)程工程學(xué)報(bào)》、《高校化工學(xué)報(bào)》和《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》等國(guó)內(nèi)外期刊編委。主持并參與了多項(xiàng)國(guó)家攻關(guān)、“863”、“973”、“國(guó)家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)”、“國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”、“對(duì)發(fā)展中國(guó)家科技援助”項(xiàng)目等多個(gè)縱向項(xiàng)目；并與國(guó)內(nèi)外的多個(gè)企業(yè)合作進(jìn)行項(xiàng)目研究。同時(shí)，與歐洲、美國(guó)、巴西、日本的眾多國(guó)際同行專家進(jìn)行了廣泛的交流合作。

李昌珠 湖南省林業(yè)科學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師、湖南省生物柴油工程技術(shù)研究中心主任、中國(guó)能源學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、國(guó)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(jì)林育種研究，2010年起享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。主持或參加國(guó)家863計(jì)劃、科技支撐以及國(guó)際科技合作等一系列重大科研課題20項(xiàng)，獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，另有10項(xiàng)科技成果獲部省科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)；獲授權(quán)國(guó)家專利６項(xiàng)；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