陈洪章：秸秆原料全组分清洁炼制与转化发酵关键技术及产业化应用

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2019年度国家技术发明奖提名公示内容

项目名称：秸秆原料全组分清洁炼制与转化发酵关键技术及产业化应用

提名者：中国科学院
提名意见：
秸秆原料组分利用单一，产品附加值低，造成资源严重浪费和环境重度污染，其清洁高值化利用是世界性难题。该项目组通过23年产学研攻关，完成的“秸秆原料全组分清洁炼制与转化发酵关键技术及产业化应用”项目，突破传统上采用单一技术、关注单一产品加工的木质纤维素原料的利用模式，提出解除天然抗降解屏障是实现秸秆等木质纤维素原料多组分、高值化利用前提的秸秆炼制理念；发明了无污染低压汽爆组分选择性拆分技术，从源头上破解了木质纤维素抑制物的抗降解屏障和抗转化屏障，为秸秆纤维素、半纤维素和木质素等组分分层多级转化奠定了基础；构建了汽爆秸秆清洁炼制产品、汽爆秸秆转化发酵产品关键技术体系，创制了纤维素乙醇、半纤维素丁醇、无胶人造板等系列生物质产品，实现了秸秆全组分高值化利用，提高了秸秆炼制效率，降低了企业运营成本。
该项目具有独立的自主知识产权，获得系列发明专利授权，同时也发表了学术论文和出版专著，系列成果曾获得北京市技术发明奖、中国轻工业协会科技进步奖等多项奖项。
该项目组专利技术自2005年以来已在国内十余家企业应用，推动相关企业在生物燃料、有机化工等能源领域以及清洁造纸、无胶人造板、生物基材料等环保型材料领域的发展，经济、社会和环境效益显著。
提名该项目为国家技术发明奖二等奖。


项目简介：
本项目由中国科学院过程工程研究所在国家重点基础研究发展计划、国家科技支撑计划项目等资助下，通过23年产学研攻关，创建了秸秆原料组分选择性拆分-功能经济性利用的炼制体系，从根本上解决了秸秆原料组分利用单一、附加值低，资源严重浪费、环境重度污染，难以实现秸秆原料全组分高值化利用的技术难题，推动了能源产业、环保产业、生物质炼制及工农产业结构的重大变革与行业科技的跨越式发展。
主要发明点及技术内容：（1）发明了无污染低压汽爆组分选择性拆分技术，从源头上破解了秸秆原料的抗降解屏障和抗转化屏障，实现秸秆三大组分的高效分离，并改善原料中底物的转化性能，解决了本领域的关键难题，达到了本领域的最高水平，为纤维素、半纤维素、木质素等组分初级炼制以及转化发酵奠定基础。（2）发明了汽爆秸秆转化发酵产品关键技术，①创建先固相酶解强化解聚-后同步糖化发酵乙醇新工艺，突破了国际上秸秆纤维燃料乙醇产业化技术瓶颈，形成了完整的秸秆纤维燃料乙醇清洁生产模式及规范的生产体系。②构建以半纤维素丁醇为核心的秸秆多联产发酵体系，突破秸秆酶解液难以直接发酵的难题，实现了以秸秆木糖水解物发酵丙酮丁醇的规模化生产，并组建出与其技术体系相配套的自主加工的工业化装置系统。③采用“水解+酶解”工艺发酵残渣生产分子量较小的高活性木质素，
制备的酚醛树脂具有很好的性能，实现工业木质素高效资源化利用。汽爆秸秆转化发酵产品关键技术真正实现了秸秆原料全组分最大效益化利用，达到本领域最高水平。（3）发明了汽爆秸秆清洁炼制产品关键技术，以汽爆组分拆分的秸秆为主要原料，创制了无胶环保人造板、清洁制浆、生物基材料等系列环保型生物质产品，实现了秸秆类原料资源最大化利用，生产过程简单且无污染产生，产品集高附加值、高资源化等优势于一体，推动了环保产业、生物炼制产业跨越式发展。（4）集成上述三项发明技术，创建了以乙醇、丁醇等平台化合物为核心的木质纤维素原料全组分炼制关键技术体系，解决了木质纤维素炼制经济可行性的世界性难题。首次实现了万吨级经济化持续运营，实现了木质纤维素生物质全资源化利用技术的重大突破与创新，主要技术指标达到同类产品国际领先水平。
项目技术已在应用企业实现了大规模产业化生产，产品畅销多个省市，并出口美国等国家或地区，国际市场竞争力极显著。推动相关企业在生物燃料、有机化工等能源领域以及清洁造纸、无胶人造板、生物基材料等环保型材料领域的发展，创造了重大的经济、社会和环境效益。
项目共授权发明专利65件，美国授权专利1件；主编英文专著5部，中文专著9部，参编英文专著4部，发表核心论文80余篇；系列研究成果曾获中国专利优秀奖、北京市发明专利一等奖、北京市科学技术二等奖、北京市技术发明二等奖、中国轻工业联合会技术发明二等奖、国家能源科技进步三等奖等。


客观评价
（1）国家相关部门的技术检测报告评价
本项目技术产品丁醇出口质量经Saybolt(Tianjin)Metrology and Inspection Co.Ltd.严格检测，丁醇含量达到99.85 Wt.%，达到中国国标GB 6027-1998优等品的要求。丁醇出口生物质成分，经Beta Analatic Inc.严格检测，生物碳成分含量为100%，优于国内外同类技术产品。
（2）国家科技情报部门评价
中国科学院文献情报中心对本项目主要技术发明点秸秆丁醇产业化进行国内外文献检索，比较分析后发现，国内外公开文献中未见相同报道。
（3）鉴定结论
1）国家科技部科技成果“秸秆生物量全利用新技术及其秸秆生态工业技术集成”(登记号为122111021002)，秸秆生物量全利用创新技术体系具有集成化、系统化和工程配套化的特点，以秸秆分层多级利用的生态工业群模式，建立了以秸秆为原料的生态工业园区技术集成体系，为国内外首创。
2）国家科技部科技成果（登记号1221112006003），不添加酸碱的汽爆技术是一个新突破，5 m3汽爆罐工业试验表明，与传统技术相比，该技术成本较低并有利于环境保护。项目创建了秸秆固相酶解同步发酵、分离耦合新技术，实现6-7吨秸秆酶解发酵1吨乙醇，产品具有市场竞争力。
3）国家科技部科技成果“秸秆半纤维素发酵丁醇及其综合利用技术与示范”（登记号1221112009002），该项目首次建成了秸秆半纤维素发酵丁醇及多联产中试生产线，研制出以差压蒸馏、离子交换、电渗析等为主导的秸秆半纤维素水解液精制分离新工艺，为秸秆发酵燃料丁醇工业化生产提供了一条新的技术路线，具有自主知识产权，经济性前景好，创新性强，整套技术及其工艺水平达到国际领先水平。
4）国家科技部科技成果(登记号1221112006004)，通过采用对秸秆进行汽爆变性处理的方法，开发出了无胶生产秸秆生态板和秸秆生态肥料新技术，按照生态工程原理，将多学科、多种新技术和多产品相结合，实现了秸秆的组分拆分和多级利用。汽爆变性处理和采用无胶工艺生产秸秆生态板方面，创新性强，填补了国内空白，达到了国际领先水平。
5）中国科学院组织专家对“万吨级秸秆丁醇产业化技术”进行成果鉴定（长院鉴字[2014]第1号），该成果突破了秸秆丁醇的产业化技术，在世界上首次实现了万吨级规模化连续生产，经济运行，具有重要的示范和推广价值，创新性强，具有自主知识产权，技术成果达到了国际领先水平。该项目受邀撰写“中国科学院专报信息”上报到中央办公厅、国务院办公厅。
（4）重要科技奖励
本项目自立项以来，紧紧围绕木质纤维素原料“选择性组分拆分-功能经济性利用”，开展了基础理论研究，发明系列重大新技术，开展了技术产业化应用和推广，创造了重大的经济、社会和环境效益，其系列成果曾获2006年北京市科学技术二等奖“秸秆废弃物组分全利用新技术及其应用”、2010年中国轻工业联合会技术发明二等奖“秸秆发酵原料炼制关键集成技术及工程示范”、2011年国家能源科技进步三等奖“秸秆固态酶解发酵燃料乙醇、丁醇关键技术及产业化示范”、2012年北京市科学技术二等奖“秸秆等木质纤维素原料炼制关键技术与产业化示范”、2013年闵恩泽能源化工奖青年进步奖、2015年中国专利优秀奖“一种秸秆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法”、2016年北京市发明专利一等奖“一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法”。
（5）国内外同行评价
本项目在实施过程中，在生物质炼制、生物燃料领域重要期刊Biotechnology for Biofuels,Bioresource Technology等国内外核心期刊发表论文80余篇。Power Environmental Energy Research Center, California Institute of Technology的主任Yongchun Tang评价“陈洪章课题组在本领域所作的创新性工作给我们留下了深刻的影响。该课题组从秸秆的组成不均一性的角度出发，以汽爆技术为核心，建立了整套的秸秆全利用技术。更强调秸秆不同组分的不同利用，更强调资源利用的生态化组合，研究建立起来的多个秸秆生态工业园区就充分说明该项目最有可能快速实现产业化。”美国农业部Badal和Michael教授引用本项目的研究结果说明汽爆用于处理秸秆的优势，指出汽爆可以有效分离纤维素、半纤维素与木质素组分。
受国际上最大科技出版社之一Springer邀请，项目组出版了国际上第一部秸秆转化为生物材料和生物能源的专著《Biotechnology of lignocellulose：theory and practice》，并受邀出版《Gas Explosion Technology and Biomass Refinery》、《Technologies for biochemical conversion of biomass》等英文专著，受美国Nova科技出版社（Nova Science Publishers. Inc）邀请出版《Process Engineering In Plant-Based Products》，出版中文专著9部，同时还被国外专家邀请参与编写英文专著4部。
应用情况
项目技术在松原来禾化学有限公司、山东泽生生物科技有限公司、北京赛特瑞科技发展有限公司等单位实施应用，建成了万吨级秸秆炼制生产线，生产的生物丁醇、纤维素酶等系列产品，畅销多个省市，并出口美国等国家或地区，国际市场竞争力极显著。创造了重大的经济、社会和环境效益。


主要知识产权目录
1.一种秸秆半纤维素制备生物基产品及其组分全利用的方法 201110030877.1
2.Process for producing bio-based product from straw hemicellulose and fully utilizing the components thereof 美国 US9,309,577B2
3.一种汽爆秸秆木糖发酵丙酮丁醇及提取剩余物的方法 中国  200910088002.X
4.一种农作物秸秆蒸汽爆破预水解硫酸盐法制备溶解浆的方法 中国 201110211009.3
5.一种汽爆秸秆无胶环保人造板的制备方法  中国  201210095982.8
6.利用木质纤维原料制备可降解材料的方法 中国 200510011218.8
7.一种秸秆制备糠醛、聚醚多元醇、酚醛树脂、纳米二氧化硅的方法 中国  201110034318.8
8.一种添加阻聚剂的固体酸催化汽爆秸秆短纤维制备乙酰丙酸的方法   中国  201110362743.X
9.一种添加植物原料以提高丁醇生产菌发酵性能的方法  中国 201210171575.0


主要完成人情况表
陈洪章、王岚、王宁、孔峰、刘阳