The Future of Fuel 再生燃油前景无量

Global Oil Consumption 全球每天石油消费量 百万桶 Almost tripled in 40 years 40年增长近两倍 近年来中国石油消费陡增 资料来源: Source: http://www.bp.com/statisticalreview June 2006

世界常规和非常规石油储备 估计世界石油将在50年后走向枯竭 非常规石油 常规石油 年份

China Oil Consumption and Production 中国石油消费和生产总量 Chin oil consumption doubles in 2025. China oil consumption will be 3 times of production. China depends on oil import. 中国石油消费至2025年翻倍 2025年中国石油消费是生产的3倍 中国经济发展靠进口石油

Alternative Energy Sources 替代能源及其特点

中国可再生能源法实施及规划目标 生物质液体燃料 燃料乙醇： 生物柴油 2020年，年产1000万吨 (30.8亿加仑) 国家发展改革委能源局 2005年11月18日 http://www.efchina.org/documents/4._Wu_Guihui_CNEN.ppt 生物质液体燃料 2020年：替代1000万吨成品油 燃料乙醇： 以甜高粱茎杆、甘蔗和木薯等为原料 2020年，年产1000万吨 (30.8亿加仑) 生物柴油 以麻疯树、油桐、黄连木、油菜籽等为原料 餐饮等行业废油回收 2020年，年产100万吨

世界乙醇燃料产量及中国发展前景 中国乙醇燃料前景 亿加仑 中国2020年燃油消费量 四川10%土地种大禾草 中国目前燃料乙醇产量 资料来源: http://www.ethanolrfa.org/industry/statistics/ 亿加仑 中国乙醇燃料前景 中国2020年燃油消费量 中国目前燃料乙醇产量 四川10%土地种大禾草 全国现有生物质

生产乙醇燃料的原料 原料: 效益: 陈粮 农、林业废弃物，各种含纤维素垃圾 能源植物 Miscanthus（大禾草） Switchgrass（柳枝稷） 甜高梁 木薯 效益: 中国能源战略发展的需要 解决环境污染，变废为宝 增加农民收入，解决“三农”问题

生物质的主要成分 木质素 纤维素 (glucose polymer) (xylose/arabinose polymer) 半纤维素

生物质的主要成分(%) Feedstock 原料 Cellulose 纤维素 Hemi-cellulose 半纤维素 Lignin 木质素 Other 其他 Agricultural Waste 农业废弃物 38 32 17 13 Forestry Waste 林业废弃物 50 23 22 5 Municipal Waste 含纤维素垃圾 45 9 10 36 Energy Crop 能源作物 30 15

生物质原料的结构 纤维素呈结晶状拧合成纤维束 半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束 木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质 水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面 Cellulose Fiber 纤维束 半纤维素 木质素 果胶质 其他多聚糖 Hemicellulose Lignin Pectin Other polysaccharides

The Path from Cellulose to Ethanol 从秸杆到乙醇燃料 酶制剂 秸杆或其他原料 Costly 高消耗过程 乙醇分离 组分分离预处理 生物降解

预处理的作用 Cellulose Lignin Amorphous Region Pretreatment 纤维素 木质素 Cellulose Lignin Pretreatment 无定形区 Amorphous Region 预处理 Crystalline Region 结晶区 Hemicellulose 半纤维素

预处理的效果和费用 处理效果依方法而异 耗能(热水、气爆)，环境污染(稀酸)，周期长(石灰) 成本高 稀酸 热水 气爆 气渗 石灰 $/gal EtOH 稀酸 热水 气爆 气渗 石灰

纤维素水解 纤维素水解由纤维素酶系完成 纤维素酶系含至少三种酶，内切葡聚糖酶，纤维二糖水解酶和纤维二糖酶 此法成本很高，纤维素酶占总成本的36-45% 效率常低 产物反馈抑制 受预处理影响 β -glucoside 内切葡聚糖酶 外切葡聚糖酶 纤维二糖水解酶 纤维二糖酶 纤维素 葡聚糖 纤维二糖 葡萄糖

燃料乙醇生产新构想 基因工程酵母 植物原料 燃料乙醇 半纤维素 纤维素 有机酸 纤维素 单糖 有机酸 单糖 有机酸 原料粉 乙醇混合物 木质素水解酶酵母 纤维素酶酵母 酒精发酵酵母 半纤维素酶酵母 半纤维素 纤维素 有机酸 纤维素 单糖 有机酸 单糖 有机酸 原料粉 乙醇混合物

基因工程酵母技术的可行性 酵母适用于生产重组酶并分泌于细胞外 酵母已经用于乙醇生产，转化淀粉和葡萄糖为乙醇 能转化五碳糖的基因工程酵母已获成功(Nancy Ho at Purdue)，并用于生产(Iogen, Canada) 纤维素酶在酵母里表达已有先例(Kondo et al.)

基因工程酵母技术的优势 低成本 无须高消耗的预处理 无须价格昂贵的纤维素酶 高效率 水解彻底 五、六炭糖全部利用 无环境污染 建厂投资和技术要求低，适合离秸杆源近的农村建厂，解决‘三农’问题

木质素水解酶酵母 Cellulose Lignin Cellulose 纤维素 木质素 纤维素 半纤维素 Hemi- cellulose 木质素过氧化物酶 Lignin perioxidase 锰过氧化物酶 Manganese peroxidase 乙二醛氧化酶 Glyoxal oxidase 半纤维素 漆酶 Laccase Hemi- cellulose CHO OCH3 OH H 半纤维素 CHO OCH3 OH H CHO OCH3 OH H Hemicellulose

半纤维素酶酵母 Cellulose Cellulose 纤维素 纤维素 半纤维素 Hemi- cellulose 内切木聚糖酶 CHO OCH3 OH H 内切木聚糖酶 endoxylanase 乙酰木聚糖酯酶 Acetylxylan esterase 木糖苷酶 Xylosidase 阿拉伯呋喃糖苷酶 Arabinofuranosidase 半纤维素 Hemi- cellulose CHO OCH3 OH H CHO OCH3 OH H

纤维素酶酵母 Cellulose 纤维素 外切葡聚糖酶 Exoglucosidase 内切葡聚糖酶 Endoglucsidase CHO OCH3 OH H CHO OCH3 OH H 外切葡聚糖酶 Exoglucosidase 内切葡聚糖酶 Endoglucsidase 纤维二糖水解酶 Cellobiohydrolase 纤维二糖酶 Cellobiase CHO OCH3 OH H CHO OCH3 OH H CHO OCH3 OH H

五碳糖代谢酵母 H | H-C-C-OH 木糖醇脱氢酶 Xylitol Dehydrogenase 木糖还原 酶 CHO OCH3 OH H 木糖醇脱氢酶 Xylitol Dehydrogenase 木糖还原 酶 Xylose Reductase H-C-C-OH H | 木酮糖激酶 Xylulokinase CHO OCH3 OH H

基因工程酵母成功的要素 基因源 从腐生微生物，白蚁、消化道微生物 基因或菌株组合 酶的组成 酶的比例 重组基因 优化起动子达到最佳表达调控 产物到位 酶性能优化

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