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木质纤维素整合生物加工糖化技术

发布时间:2023-07-14 17:51 发布人:汇佳自营 点击数:338

目前常规的木质纤维素糖化方法是添加游离纤维素酶及半纤维素酶系,但纤维素酶生产成本较高,且核心技术掌握在少数国外公司手中,严重限制了木质纤维素的工业化利用。整合生物加工(CBP)在一个反应器中完成从纤维素降解到能源产品合成的全过程,从而降低成本、简化过程,是最有希望实现木质纤维素工业化应用的技术之一。 

通过菌株工程改造及工艺优化,获得热纤梭菌的CBP高效糖化全菌催化剂,糖化效率比野生菌种高5倍以上,并最终建立木质纤维素产糖的一体化CBP工艺吨级示范,可发酵糖含量>80g/L。 

我国每年的农林废弃物总量约15亿吨,若30%用来生产燃料乙醇,以6吨产1吨乙醇估算,则可形成7500万吨燃料乙醇生产能力,与目前国内成品汽油消耗总量相当。因此,大量可再生木质纤维素类生物质资源的清洁、高效、低成本降解利用是加快发展循环经济,保障国家能源安全和碳减排的一项重要战略任务,具有不与人争粮、不与粮争地的突出优势。该项目开发基于CBP技术的木质纤维素的高效利用工艺能极大降低下游产品的生产成本,简化生产流程,具有广泛的市场前景和可观的经济效益。

1、农业秸秆等固态废弃物沼气/生物天然气工程

农业秸秆是纤维素生物质,质轻而难水解,纤维素生物质在厌氧发酵过程中,一方面,随着物料逐渐被微生物降解,纤维素结构被破坏,附着微生物和物料木质素含量上升,物料密度逐渐增大,会随着降解的进行,逐渐下沉;另一方面,由于沼气的产生,沼气的微小气泡附着在纤维素物料上,会造成纤维素物料的上升,尤其是新进入罐内的纤维素物料,上浮现象更加明显。基于上述多种因素,农业秸秆厌氧发酵,尤其在高浓度条件下,运行过程中经常出现物料分层现象,严重时造成纤维素物料上浮后脱水,附着的微生物死亡后造成浮渣层结壳,从而造成工程运行中断。因此,消除纤维素物料发酵过程中的分层现象,是保证高

浓度厌氧发酵工程稳定、高效运行的必要条件。

该项目依据发酵物料特性,针对秸秆类纤维素生物质发酵过程的气液固三相复杂体系流体力学模型模拟,结合流体力学特征,精准表征和计算发酵体系的流体力学特征,对搅拌机安装位置和角度以及组合方式与物料进出罐体方式进行系统优化,从发酵反应器整体空间结构方面进行传质过程优化设计,综合影响发酵运行的各种因素,集成生物质固态进料系统、高浓度搅拌系统、新型拼装式反应器、沼渣沼液在线分离和保温回流系统,整体设计和制造厌氧反应器,实现从进料到发酵到出料的全方位最优化设计和高度匹配,将技术固化于设备,开发出了高浓度厌氧发酵技术及与其配套的整体反应器,提高了厌氧发酵效率、降低了投资和运行能耗,完成了农业秸秆、禽畜粪污等为单一或混合原料的产业化示范工程。

该项目通过核心设备的标准化、模块化、系列化,已经实现标准化生产,具备成熟的商业化推广条件,开展规模化生物质天然气产业化项目推广,建设国内领先乃至国际领先的生物天然气工程,为农业秸秆等生物质废弃物处理和分布式清洁能源供给提供产业化解决方案。

2、沼气高效提纯精制生物天然气

沼气是一种优质的清洁能源,可通过多29种生物质发酵获得。我国有着储量巨大的生物质资源,包括农业、工业和城市固体废弃物,及其他相关产业的副产品等。沼气利用的途径有多种,比如直接利用燃烧供热、热电联产或者提纯净化后作为车载燃气、家庭供热、化工原料等天然气使用。沼气经过提纯净化制备的生物天然气,可以完全替代石化天然气,根据现有技术水平和经济可行性,我国能转化当量生物天然气1200亿立方米,可以大幅降低我国对石化天然气依赖程度。

沼气高效提纯精制生物天然气是沼气提纯净化制备高品质生物天然气、大幅提升甲烷利用品质的技术。目前沼气脱碳的主要工艺包括有机胺吸收法、压力水洗法、膜分离方法、变压吸附法、物理吸收法、深冷分离法等。而本项目开发的沼气加压水洗技术集成了水洗脱碳过程中闪蒸技术的合理有效利用技术、吸收塔解吸塔内部核心部件的开发、同步回收二氧化碳技术、沼气工程的能量集成系统设计和自动化控制系统设计等多个方面进行优化设计和开发。本项目开发的沼气加压水洗技术结合撬装设备的设计理念,可在各种处理规模的沼气工程中加以应用推广。

    该项目通过核心设备的标准化、模块化,已经实现标准化生产,具备成熟的商业化推广条件,可开展沼气高效精致生物天然气产业化示范项目推广,依托科研装备研制和关键技术,开发和研制了日处理能力2400m³的秸秆生物天然气纯化产业化中试科研装备系统。

3、高性能聚合物固态锂电池技术

我国《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》,提出加快固态动力电池技术研发及产业化是“新能源汽车核心技术攻关工程”。针对传统液态锂离子电池主要存在的续航和安全方面的缺陷,面向国家深海装备重大战略需求,研究所固态能源系统技术中心深耕固态锂电池关键技术,历经十几年攻关,国际首创“刚柔并济”聚合物复合固态电解质,秉承“功(率)能(量)兼备”的系统设计理念,开发出具有完全自主知识产权的高比能、高安全、高耐深海压、长使役寿命固态锂电池及深海特种电源系统,率先在马里亚纳海沟实现全海深应用,为国家深海环境探测、科学研究提供了强有力的能源技术支撑,在国际上开创了高比能固态锂电池特种电源系统深海智能装备应用新局面,设了国际一流的固态锂电池研发和生产装备平台,建立了完整的固态锂电池技术体系,形成了具有自主知识产权的关键技术和核心产品。性能指标达到能量密度300-500wh/kg,循环寿命1000+次。

建成了百兆瓦工程化平台,成功研制出“刚柔并济”的高安全、高比能固态锂离子电池,于国内首次实现全深海电源动力应用,已累计为各类深海科考装备用户提供了近百批次固态锂电池电源系统。

4、氢能与燃料电池项目

双碳目标下,国内氢能源具有巨大的发展空间,氢能将主要应用于交通运输、工业、电力、建筑等领域。在“碳达峰碳中和”(3060)的目标导向下,氢能作为一种最清洁无碳的二次能源,凭借着来源丰富、灵活高效、应用场景广泛等优点,在全球都迎来了巨大的发展机遇。

聚焦绿色规模化制氢和氢气纯化, 开发出系列离子传导膜材料及相应中空纤维膜、管状膜、平板膜、催化剂等,用于电解水制氢、工业副产氢提纯等领域,完成10kW级再生燃料电池开发及与太阳能电池联用。在电解海水制氢方面开发了一系列高价阴离子插层、原位刻蚀生长的催化剂,展现出杰出的抗氯离子腐蚀性能。面向氢燃料电池核心键部件双极板国产化的重大产业需求,突破高性能超薄(1.4-1.8mm)柔性石墨双极板关键技术,完成批量化生产工艺开发(年产能20万片),技术指标处于同类产品领先水平。推进燃料电池系统产业化,开发燃料电池电堆(产能10MW),功率不小于50kW、功率密度大于3kW/L。燃料电池系统集成技术,完成特殊领域用大功率发电系统开发和地面联试,开发无人机氢燃料电池可以有效提高无人机的巡航时间3-5倍。在甲醇燃料电池方面,成功研发出千瓦级甲醇燃料电池、便携式甲醇燃料电池(50-100W)并且通过了现场实证。

5、“三高”天然多糖改性制备及应用开发技术

2021年是《化妆品监督管理条例》实施的第一年,这对日化行业的方方面面产生颠覆性的改变,尤其是新原料或成工厂竞争焦点。化妆品原料既是安全的核心,也是技术创新的核心。本项目开发的改性天然多糖类化合物是系列天然可再生可降解的绿色资源,研究团队以来源广泛、可再生的瓜尔胶、淀粉、田菁、罗望子、皂荚豆胶等天然植物多糖为基材,经过改性修饰,既保留了天然多糖无毒副作用和可生物降解的优点,又赋予了其优异的增稠、调理、柔顺等性能,主要应用附加值高的日化产品的调理增稠以及香精包埋。近年来,国内天然多糖类产品正以年均20%的速度增长,2020年国内需求量可达到1000万吨,多个多糖品种净利润甚至高于10~20万/吨,市场容量市值将超万亿美元,市场发展潜力巨大,多糖原料产业一直处于高附加发展行业,国内拥有高精端的生产企业数量少之又少。

在上述开发的改性不同天然植物多糖基础上,根据各改性多糖的特性,本项目进一步进行生产效益和社会效益较高的日化领域中的应用开发,致力于解决该领域内发展过程中的一些关键技术问题,打造技术创新型的研发公司。利用改性天然多糖进行适当的配合,开发了所有工业化表活中最具可持续发展的谷氨酸表活洗护系列,解决了氨基酸洗护行业中存在着氨基酸表活增稠难、去污力差、泡沫不丰富、调料性差等等制约行业发展的主要技术瓶颈。我们洗护的成分主要有三类:植物活性多糖、氨基酸表面活性剂体系、功效营养体系。完全没有硫酸酯钠(S系列)、硅油柔润剂系列、聚季铵盐调理剂系列、控油调脂成分、去屑剂等成分,合成类增稠剂系列,无需护发素。实现行业新突破。

6、高镍梯度锂离子电池正极材料技术

正极材料是锂离子电池的瓶颈,占电池总成本30%以上。消费者对电池的续航能力要求越来越高,高镍化是提升三元正极材料比容量的核心方案,但高镍化后的材料存在安全性能差、循环寿命短及表面碱性高等问题,而使高镍三元材料梯度化是除单晶外另一条有望一次性解决上述三种问题的可行技术路线。高镍梯度三元正极材料是指从二次颗粒核心到表面,镍元素含量逐渐减少而钴和锰元素 

含量逐渐增多的一种材料设计,该方案既可以利用表面含量较高的锰元素稳定材料结构、提高其安全性能,又可以充分发挥核心高镍材料的高比容优势和循环性能,还可以降低材料表面的碱性,实现“一石三鸟”的目的。

该项目已完成在20L反应釜中试规模的工艺条件探索,并将其放大应用到2 m3的反应结晶器;研发了高效的旋转烧结炉,可保证烧结产品质量的一致性。实现了从前驱体制备到烧结及商品化材料包覆和掺杂工艺的优化,完成了高镍三元正极梯度材料从工艺到生产装备的研发,满足了梯度材料的规模化生产示范,现可进行对外合作。

7、微藻合成生物技术与绿色生物制造

随着经济持续增长、核心人群扩容,中国化妆品行业逐步发展为一个初具规模、极富生机活力的产业,迎来了行业的黄金时代。成分新星-甘油葡糖苷(以下简称GG)的发现与应用,除了能达到与透明质酸等同的保湿效果以外,GG优异的透皮性,有效活性成分可直达皮肤真皮层,发挥抗衰去皱、抗炎舒敏、护发养发、提质亮肤等多种生理功效,广泛应用于护肤养发等产品中,逐渐为品牌方和消费者所接受和追捧。 

针对市场上GG多构型、多杂质、非天然、不环保、高成本的问题,成功开发国际首创微藻合成高值天然产物甘油葡糖苷先进生物制造技术—SCGP技术(Smart Cyano Glucosylglycerol Polygeneration Technology),实现高品质天然GG产品的量产和销售。采用国际首创SCGP生物制造技术,通过细胞无损伤提取等独家专利技术精制,全生产过程环境友好,不使用有机溶剂,纯度可达世界领先水平的99%以上。产品易溶于水,适用pH范围为3.0-11.0,对皮肤及眼睛均无刺激性,不含激素、农残及重金属,可直接应用在保湿水、膏霜、乳液、精华液、凝胶、面膜及护发养发等多个化妆品类目中,且与其他化妆品无不兼容现象。 

目前GG已经广泛应用于面膜、化妆水、面霜、防晒霜、乳液等化妆品中,并积极在功效性食品、母婴类产品等领域拓展应用场景,已取得突破性进展,实现了国产替代。基于中科蓝智GG优异的产品功效和99%以上的高纯度,加上纯天然来源的加持,未来在医药领域有非常巨大的应用潜力和发展空间。

8、固体废物生产新型生态透水砖技术

该项目以石墨尾矿等固体废物为主要原料,以页岩代替粘土作为塑化剂提高成型工艺性能,在配料中加入炉渣,利用炉渣残余碳燃烧产生的热量,实现砖体的烧结,从而制备生态透水砖。这一方面研制的生态透水砖具有透水、保水、美化、硬化等多项功能,对城市大气调节、地表植被生长、地下水保护,城市生态环境改善,建设海绵城市具有重大意义;另外,可解决固体废物对环境的污染的问题。本项目创新之处在于:1、原料中以闲置资源--页岩代替粘土,不仅节约土地,还提高了透水砖的生产工艺性能和产品性能。2、以炉渣为原料,利用炉渣中残留碳燃烧产生的热量,实现砖体的烧结,无需外加热源,增加了固体废物用量,节约了能源。本产品的优势在于:环保、无污染、生产工艺简单、成本低,具有较好的社会、经济和环境效益。

由于其他厂家的生产成本较高,且由于主原料的有限性,限制了其推广应用。而采用本项目技术生产的产品,由于采用石墨尾矿、炉渣等固体废物为主要原料,原料储量大,因此生产成本低;再加上国家环保政策的优惠,该产品有明显的价格竞争优势,并可扩大环保陶瓷生态砖的应用,扩大市场。因此,本产品具有良好的市场前景。

9、快充型锂电负极材料开发技术

安全性和高成本是动力锂离子电池发展的瓶颈。锂离子电池主要由正极、负极和电解质(包括隔膜)三部分组成,负极材料角度看,随着对于缩短充电时间的迫切需求,能够提供较高快充能力的人造石墨逐渐成为市场的主流,能够提高更高能量密度的硅碳材料也逐渐得到推广应用,但是无论是人造石墨或者硅碳负极材料,随着动力电池能量密度的不断提升在进一步提升快充倍率性能方面均有较大的局限性。在传统负极性能日渐不能满足动力市场需求的背景之下,软/硬碳等快充负极材料由于其特殊的储锂机理、具有优异的安全性、倍率特性、低温电化学性能而备受关注,特别是针对10C以上大电流充放电应用时。考虑到软/硬碳类负极材料其低温性能和倍率性能远优于现有石墨类负极材料,与石墨类材料混合使用可以大幅度改善石墨复合负极材料的倍率性能,但是由于制备工艺以及成本上的原因,目前只有日韩企业有相关软/硬碳等负极的制备以及应用报道,在我国还没有的得到大规模的应用,头部电池材料厂家只有相应的技术储备也没有相应的产业化商品推出。 

/硬碳等负极材料在制备过程中不需要高温石墨化处理,可以通过原料筛选及预处理工艺、造孔及表面修饰技术充分利用缺陷改善锂离子在碳材料中的快速传输性能,有望开发出兼具高容量、高首效、高倍率、低成本等突出特性的动力锂离子电池用碳负极材料。因此,本项目开发出使用焦类作为原料的兼具高功率高容量特性的动力锂离子电池用软硬碳负极材料,通过对制备工艺的优化改善电化学性能并提高材料首次效率,可以开发出比容量300-500mAh/g系列负极材料产品,具有超快充(>10C)、超长寿命及优异的低温特性,可以广泛的用于2V/48V启动电源、混合动力汽车、超快充3C类电池、锂离子混合电容、低温电池以及军事特种电池等领域。 

 

 

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