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  • 项目名称:低成本节能环保的秸秆生物活性物质提取工艺及其应用阅读数:
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    一、技术背景

    生物质广义上指通过光合作用而产生的各种有机体,狭义上指植物、微生物以及其加工生产后的产品及废弃物。地球上最广泛存在的生物质为木质纤维素,具有代表性的木质纤维素为树木、秸秆和木材废弃物。有效地转化木质纤维素为能源、材料和化学品,不仅可以减少人类对石油的依赖,还可以减少二氧化碳排放。如果能把丰富的农林废渣等生物质资源应用于生物燃料、生物材料的生产中,不仅不会造成粮食的紧缺,还可以达到振兴农业经济,消减贫困的目的。我国年产农作物秸秆约7亿吨 。以现有技术计算(纤维素含量30%,糖化率60%,回收率90%),我国有年产1亿吨以上单糖(主要指葡萄糖)的潜力。

    把农业废弃物秸秆转化为有用物质,不仅可以减少人类对石油基能源的依赖,还可以改善大气环境。近年我国雾霾天气明显增加,污染程度加剧,已经严重影响了人民的日常生活,也给我国带来了国际、国内的负面社会影响。雾霾的形成有多种原因,秸秆的焚烧就是其中之一。焚烧秸秆时,大气中二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等3项污染指数达到高峰值,其中二氧化硫的浓度比平时要高出1倍,二氧化氮、可吸入颗粒物的浓度比平时高出3倍。另外,燃烧秸秆还会导致大气能见度低,严重影响交通。目前,严禁农作物秸秆露天焚烧被列为重污染应急措施之一。

    目前关于秸秆等农业废弃物的研究技术包括:化学法和生物法,即通过化学手段和生物手段将生物质废弃物转化为化学品。其中,生物炼制主要是将经过物化预处理的生物质废弃物通过微生物发酵生成有用物质,如有机酸和有机醇等,既可以变废为宝,又可减少空气污染,是一种非常有潜力的处理方法。

    二、团队介绍

    高教授1999年留日攻读硕、博。历任日本学术振兴会外国人特别研究员、丰田汽车中央研究所研究员、日本产业技术综合研究所特别研究员,于2013年归国,现任上海大学生命科学学院教授、上海市东方学者。在各任职期间,技术方在生物化工领域进行了多方面的研究,主持、参加了多项国内、日本和企业大型项目,在木质纤维素生物质的预处理、糖化水解、发酵、分离、微生物耐受性等的机理与应用研究方面积累了丰富的知识和经验。目前在上海大学生命科学学院上海市能源作物育种及应用重点实验室从事水稻秸秆预处理及生物转化方向的研究,掌握了生物炼制过程中包括生物质的预处理,糖化、纤维素酶的生产、发酵、分离、工程菌的开发等技术;研究涉及了生物质物性的分析、评价方法、预处理、微生物的抑制效果评价等,为该项研究打下了坚实基础。目前本团队有教授一名、讲师一名、研究生8-10名。

    (1)预处理方面的研究

    技术方在日本产业技术综合研究所期间,参加了JST(The Japan Science and Technology Agency)/JICA (Japan International Cooperation Agency)日本文部省,外务省联合项目。此项目是日本政府和巴西政府的合作项目,目的是综合利用巴西蔗糖生产工业中的纤维素废弃物(甘蔗渣)生产乙醇并实现乙醇生产的工业化。技术方从事于甘蔗渣预处理工艺改良的研究,探讨了球磨,湿磨,双氧水处理对甘蔗渣结构、组分的影响,及其结构、组分的变化对糖化、纤维素酶生产菌(Acremonium cellulolyticus)生长、纤维素酶活性的影响。

    目前,技术方在上海大学建立了木质纤维素生物质生物转化平台,在预处理方向上主要研究生物质的球磨与辐照法预处理。

    (2)纤维素废弃物糖化水解方面的研究

    技术方在日本产业技术综合研究所期间,参加了NEDO ( New Energy and Industrial Technology Development Organization)日本经济产业省国家项目。此项目是日本政府与中国的合作项目,目的是综合利用我国黑龙江省马铃薯残渣。技术方从事于马铃薯残渣的糖化研究。对今后探讨糖化对多酚释放的影响机理提供了很好的研究基础与经验。

    (3)有机物及重金属对微生物生长的影响及其分离工艺的开发

    技术方在日本丰田汽车中央研究所期间,主持了多项企业内创新项目,开发了多项发酵/产物分离耦合工艺,如离子液体膜分离和萃取分离。这些研究经验可以应用于今后多酚的分离、单糖/多酚联产工艺开发的研究。

    在上海大学期间,技术方研究了重金属对酵母生长及乙醇发酵的影响机理,探讨了钙离子和锰离子对酵母吸收镉离子的抑制机理,通过调节钙离子和锰离子的浓度比例,有效地抑制了酵母对镉离子的吸收,从而极大地提高了酵母的耐受性。技术方已经在上海大学建立了微生物培养平台及产物分析平台,为今后秸秆多酚的抑菌性研究提供了物质保障。

    (4)秸秆综合利用

    技术方归国后,积极从事于农林业废弃物的综合利用研究,已经探讨了秸秆多酚对里氏木霉生产纤维素酶的抑制机理,发现纤维素酶生产过程中多酚的释放与纤维素酶生产效率的下降有一定的相关性。

    技术方通过研究不同纤维素酶糖化秸秆发现纤维素酶种类影响秸秆糖化液中的酚酸含量及形态。

    由于多酚的释放与纤维素酶系有直接关系,因此技术方也探讨了混合菌培养对纤维素酶酶系的影响。

    通过上述研究,技术方基本证实了纤维素酶对酚酸释放的作用,对今后研究多种酶对其他多酚组分释放、多酚功能性及多酚释放效率的影响机理建立了相应的研究基础,明确了探讨其他细胞壁降解酶对多酚释放影响的必要性及本研究项目的可行性。

    三、技术创新点

    秸秆含有大量活性物质。通过改变预处理条件可以得到多种不同生物活性,为我们研究新植物源抑菌剂提供巨大的物质基础。研究预处理和糖化对秸秆多酚释放的机理研究,可以为建立新的广谱抑菌剂生产工艺提供科学依据。同时,利用数量巨大的农作物废弃物秸秆大量生产植物源抑菌剂,可以减少和替代化学农药,防止化学抗药性和残留,提高作物、蔬菜安全品质。同时,秸秆生物活性物质可以抑制生物膜的形成,从而减少抗生素的使用及利用医疗器具的感染率。通过生产高附加值产品降低秸秆资源化成本,将秸秆资源化与医药化相结合可能为秸秆处理提供一个新途径。

    该项目关于秸秆的生物转化研究工作,既绿化了环境,又可以作为植物性农药的原材料,可以因地制宜,就地取材,就地加工,制造方法简单的特点。同时,紧密结合秸秆特性和实际生产工艺开展研究,保证了理论研究与工程实践的紧密结合,研究成果可直接为处理工艺设计与运行提供科学依据和理论指导。

    目前秸秆资源化的主要产品有乙醇、丁醇、乳酸等生物炼制中的生化平台产品、燃气等热化学平台产品。同时,秸秆也可以直接加工成固体燃料或生物炭。但是,目前还没有关于利用秸秆生产生物活性物质的工艺。本工艺的主要产品为生物活性物质和生物炭。收集秸秆的成本问题可以通过生物炭补贴农民的方式解决。农民得到生物炭可以还田,改善土壤质量,而工艺的主要效益将来至于高附加值产品多酚的价值。在本工艺得到应用推广后,还可以开发后续生物活性物质-乙醇-生物炭联产工艺,利用生物活性物质与生物炭的附加值降低秸秆处理成本,建立节能、低成本的生物炼制工艺,推进农林业废弃物在新能源新材料生产中的利用,为低炭循环社会做出贡献。

    四、应用与影响

    由于秸秆结构复杂,其生物转化需要多重预处理工艺及多种酶的协同作用。同时,还要考虑预处理过程中产生的抑制物对发酵的抑制作用。这些问题导致秸秆的生物转化成本居高不下。现有的秸秆预处理工艺及糖化工艺难以有效地降低秸秆的生物转化成本。秸秆中存在生物活性物质,如果能把秸秆糖化和秸秆生物活性物质释放结合起来,通过生产高附加值的生物活性物质,秸秆的生物转化成本必然大幅度下降。综上所述,通过生物炼制,转化秸秆为有用物质有以下好处:

    经济可行:解决秸秆的处理问题,收集秸秆的补助可也改善农民的收入;
    新能源开发:减少社会对石油的依赖;
    环境治理:减少温室气体的排放及雾霾的形成,改善空气的质量。
    技术优势
    已经从秸秆中分离出多种生物活性物质,证明了秸秆生物活性物质的抗氧化性、抑菌性等生物活性,以申请了多项专利。
    可以在生物质生物转化过程中有效提取与分离生物活性物质,简化提取与分离工艺。
    本项目是关于秸秆资源化的研究。通过秸秆多联产工艺的开发,不仅可以生成出多种有用物质,还可以解决秸秆的处理问题,极大地缓解环境负荷。
    本工艺有投资少、见效快,不需要大型设备的特点。由于秸秆的植物性活性物质的提取方法相对简单,技术风险较低。


    效果指标
    (1)效果:

    可以从废弃物秸秆中提取高附加值产品,可以作为抗氧化剂应用于食品加工行业;作为植物源农药应用于农业生产,减少农药的使用;作为抑菌剂应用于生物医疗器具,减少抗生素的使用及反复感染的几率。
    通过上述应用解决秸秆处理问题。


    (2)部分指标:

    葡萄糖生成率为80%-90%、酚酸回收率0.5%-1%(即100公斤秸秆中可提取出0.5公斤到1公斤的酚酸);
    大肠杆菌的抑制率>90%;
    每克秸秆分离出活性物质的抗氧化性:ABTS  29.09-67.85 μmol AAE g-1; FRAP  9.31-67.27 AAE g-1; DPPH  10.78-45.67 μmol AAE g-1
    适用对象
    适用于农业生产及食品加工废弃物处理:

    食品行业:食品添加剂、抗氧化剂;
    化妆品行业 :抗氧化、清除自由基;
    医疗行业:抑菌剂;
    农业:植物源农药。
     

  • 发布时间:2017年12月26日
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