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低值生物质的增值开发利用 项目的可行性研究报告

成果登记号:515154848822
转移范围:国内转移
所属行业:金属材料
成果所处阶段:已成型
价格:面议
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成果描述

一、科研团队
费强,西安交大化学工程学院教授,博士
个人教育及科研经历:
?2006-2011: 韩国科学技术院(KAIST), 生物化工, 工学博士. 导师: Ho Nam Chang教授 (韩国院士)

?2011-2013:美国麻省理工学院, 生物系,Postdoc 研究方向: 生物燃料, 燃料添加剂,构建基因工程菌, 调控工程菌代谢途径, 生物转化过程强化, 高密度发酵

?2013-2016:美国国家可再生能源实验室(NREL), 国家生物能源中心(NBC), Staff Engineer III
?研究方向: 生物固碳, 气体生物转化平台和工艺的过程强化, 经济技术可行性分析(TEA), 工程模拟仿真模型(Aspen Plus)

?2016-至今:西安交通大学, 化工学院,教授,博导
?研究方向: 低值生物质的开发与利用、细胞工厂,生物转化过程强化, TEA, 全生命周期评价(LCA)

二、研究背景
目前,甲烷排放来源广泛,包括:农业和畜牧业(25%)、天然气和石油开采(29%)、城市污水和有机废水(21%)、煤矿开采(10%)、畜禽粪污管理(9%)、其他(9%)。备注:数据来源1990-2012美国甲烷排放源分类,美国环境保护署(EPA)2015年统计结果。
通过干式厌氧发酵,厌氧微生物可将秸秆类生物质直接分解消耗产生沼气(主要成分为甲烷和二氧化碳等气体)。目前我国大量的沼气利用还是以低品位的热利用为主,主要通过热电联产(CHP)燃烧沼气中40-60%的甲烷产生热能和电能。然而这种低效利用沼气的方法,不但大大降低的沼气的价值,而且燃烧甲烷产生的二氧化碳造成了二次污染。
沼气发电工程除了成本过大,所需的产业链条严重不足,严重影响生产运行。通常燃烧1m3 沼气最高可产10kwh热能,而目前的电能转化效率为40%,即燃烧1 m3沼气约产4度电,计民用电¥0.6/度,相当于产值为¥2.5/ m3沼气。实际上由于气发电运营成本高,造成一度电的生产成本到1元,明显高于社会用电的0.6元/度。因此随着沼气产量的不断增加,沼气的高端利用途径急需不断扩展和补充。
三、市场环境
甲烷的应用现状
锅炉: 85%热能 +15% 损耗
热电联供 (CHP):
50% 热+35% 电+15% 损耗
1m3 沼气产电成本约¥1/度
远高于社会用电 (¥0.6/度)
生物固碳:新工艺+新产物
生物催化剂:好氧性甲烷菌及其工程菌
生物基产品:饲料(蛋白和氨基酸类)、
绿色化工品(烯和醇类)、医药前体类(萜类)和航空燃油(酯类)等高附加值生物基产品 。
对比目前甲烷常用的使用方式(燃烧产生能源),采用生物固碳法可以产生多种附加值的产品,大大提高了甲烷的附加值。相关产品见下表:
四、基本原理

生物法转化甲烷生产生物基产品技术路线:
工农业废气(CH4、CO、CO2等)、固体废弃物(秸秆、餐厨等) → 预处理 → 固体气化过程 → 气体生物转化 → 产品分离提纯 → 生物基产品。
五、项目成果
1、负责搭建和设计了美国国家可再生能源实验室(NREL)的第一套生物固甲烷的生物转化平台系统。
2、负责优化和改良生物转化条件和工艺。
通过本实验室开发的气体生物转化平台,利用基因工程菌可以高效地将沼气中的甲烷和二氧化碳转化为理想产物,如医药中间体(萜类),生物燃料(酯类)和化工品(醇类)。保守估计可将沼气的价值提升10倍以上。此高效地利用沼气的技术和方法,不能能够帮助我国实现2030年的节能减排目标,也符合我国的循环经济综合利用和低碳经济发展思路。此研究方向的重点包括合理设计生物气体反应器、构建基因工程菌、气体生物转化过程强化等。
产品 分子式 应用
Lipid?(脂肪酸)?? C12-C20 能源
Lactic?acid(乳酸) C3H6O3? 化学品
Isoprene(异戊二烯) C5H8 能源/化学品
PHB?(可降解塑料) C4H8O2? 能源/化学品
单细胞蛋白 饲料
Astaxanthin(青虾素)?? C40H52O4 保健品
目前实验室已经有一套完整的小型实验设备及平台,包含安全系统。
六、成本分析
甲烷价格
天然气(up to 90% CH4): $4/MM BTU ($3/1000 ft3)
沼气 (up to 60% CH4): $2-10/MM BTU
单位碳摩尔的成本
葡萄糖: $500/ton ?$0.015/C mole
CH4: $4/MMBTU ?$0.0027/C mole
CH4: 葡萄糖价格的20%
生物法利用甲烷优势
碳转化率:高
固定资本投入:少
CO2排放量:低
七、市场预测
该项目可广泛用于生物质秸秆再利用、餐厨垃圾利用,工业尾气回收,企业节能减排,啤酒厂碳排放,垃圾处理,污水处理等领域。

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