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生物质转化教育部工程研究中心
发布时间:2015/04/23 17:08 责任编辑:admin
生物质转化教育部工程研究中心简介
(一)中心概况
生物质转化教育部工程研究中心以南昌大学为依托单位,按照教育部工程研究中心的严格要求高标准地进行建设。本工程中心是我国高校首个生物质转化领域的教育部工程研究中心。2006年6月教育部发文批准建设,2010年12月圆满完成了建设期任务,通过验收。
生物质转化教育部工程研究中心研发工作涵盖生物质能源、生物质材料、生物质资源高效综合利用、生物质原料食品加工等方面,形成了具有自主创新的工程化技术、产品和产业化能力。本中心十分重视发展产学研结合之路,结合我国目前发展状况及企业需求开展研究,在生物质能源、生物质材料、生物质资源高效综合利用、生物质原料食品加工等方面形成特色,为我国生物质转化工程研究的发展提供源头技术。工程中心在集中南昌大学食品学院与中德食品工程中心优势人才资源的基础上,进一步向海内外招聘优秀人才,形成了以国家“千人计划”、教育部“长江学者”、国家“新世纪百千万人才工程”、国家重点学科带头人以及教育部创新团队负责人为学术方向带头人、一批年富力强的中青年学术骨干、年轻的海外留学归国博士为中坚力量的研究队伍。

 
生物质转化教育部工程研究中心大楼
(二)生物质中心的主要研究方向
生物质转化教育部工程研究中心以生物技术、绿色化学工程技术、生态系统工程学、食品科学与工程技术为学科基础,秉承“应用创造价值,梦想成就未来”理念,面向世界、立足江西,努力服务国家战略安排。通过加强基础设施建设,培养和凝聚生物质转化利用领域高层次的工程技术人才队伍;针对木质纤维素类农林废弃物高效循环利用、三废物质资源化循环利用以及功能性食品生物加工技术研发中的共性科学问题以及工程化关键技术,强化自主创新,大力开展本领域国内外先进工程化技术系统集成再创新,其中:
1、木质纤维素类农林生物质高效循环利用方向
解决生物质能源化高效综合利用中能量密度低,分散性大的难题,拟开发微波快速裂解气化等关键技术;研发低温常压生物质液化技术,制备生物质转化环保新材料(可降解聚氨酯材料、无甲醛木材胶黏剂、纳米金材料等)
2、三废物质资源化利用方向,重点解决:
(1)有机废水(规模化养殖废水、发酵工业废水)净化与能源微藻规模化养殖耦联增效技术
(2)有机废渣(城市垃圾、餐橱废弃物等)资源化利用(生物柴油、脱羧成烃)
(3)有机废气(汽车尾气、发电厂烟气、其他工农业气体排放物)处理及资源化利用
(4)微藻类生物质水热预处理技术(脱水、脱氮、提油等)
(5)生物质能源与绿色食品联产工程示范
3功能性食品生物加工技术创新,重点解决:
(1)纤维素类膳食纤维素开发(精制纳米纤维素、低聚纤维多糖)
(2)水溶性膳食纤维素开发(低聚戊糖、菊芋多糖)
(3)多酚类保健食品开发(精油、花青素、黄酮、异黄酮等)
(4)农副产品增值加工利用(柑橘皮、果蔬种皮、谷物麸皮等)
(5)藻类保健食品开发(高不饱和油脂、色素、蛋白、多糖、核苷酸等)
(三)中心在研课题概况
1、千人计划专项:丰城低碳生态科技示范园--生物质能源与绿色富硒食品联产
中组部“千人计划”海外高层次创新人才,南昌大学特聘教授,南昌大学生物质转化教育部工程研究中心主任、食品科学与技术国家重点实验室长江学者创新团队首席科学家阮榕生博士,主持江西省“千人计划”创新创业项目《生物质能源与绿色食品生产关键技术创新与装备开发》示范工程,创新性地把生物质能源和绿色食品联产的国际先进技术引入现代循环农业。
目前在丰城市还没有一家大型综合的富硒农产品专业推广和实业公司。通过引进先进的生物能源生产、微藻养殖、有机肥料生产、设施栽培、水产养殖、农副产品精深加工技术,把包含大型畜禽养殖业在内的农业生产系统打造成为可以在江西乃至全国大量复制的现代循环农业模式,把具有国际视野的科研成果,特别是来自美国的成熟技术尽快转化为强大的生产力。通过和丰城地方政府的密切协商,避免农业企业开发低水平重复问题。我们有信心在南昌大学丰城低碳生态科技示范园打造江西第一家专业天然富硒农产品产学研推科技示范经济实体-江西南大硒谷农业开发有限公司。并发挥公司在投融资、企业网络化运营的优势,迅速的将我们的富硒农产品推向全国及海外市场。把“中国生态硒谷”建设成为全国一流的现代农业示范区、产业转型先行区和城乡统筹试验区,带动当地农户的经济收入水平的大幅度提高,促进农村经济繁荣、提升城乡食品安全水平,为江西现代农业发展作出应有的贡献。
江西南大硒谷农业科技有限公司通过引进消化吸收和再创新国内外一切先进的现代循环农业理念,特别是通过南昌大学食品科学与技术国家重点实验室《食品质量与安全》长江学者创新团队首席科学家、中组部千人计划特聘教授生物质转化教育部工程研究中心主任、美国明尼苏达大学生物质精炼中心主任阮榕生博士引进美国先进农业、食品加工储藏技术,以求迅速提升我国的农业生产与食品安全水平,造福天下百姓。总体上吸收美国“从农田到餐桌”的食品安全理念,推行优质农业生产管理(GAP)、“危害分析和关键控制点”的预防性的食品安全控制体系(HACCP)。其具体的技术包括了农业生产和食品加工、储藏和销售的各个阶段:
一、农业生产阶段将广泛采用下列先进技术:
有机肥料生产
生物能源生产
高效沼气干发酵技术
秸秆微波气化
生物焦土壤改良剂生产
经济微藻高效养殖与沼液资源化利用结合技术
湿地农业
蚯蚓养殖
青贮饲料
绿色农业和有机农业模式
绿色养殖技术
现代化设施高效栽培
绿色水产养殖
EM农用益生菌
太阳能灭虫灯
太阳能LED光照强化技术
电磁波蚊虫驱离装置
低温等离子体灭菌技术
臭氧杀菌技术
节水滴灌技术
CO2气体肥料智能化补偿调节技术
作物标准化栽培技术等
波尔黄牛圈养技术
稻萍泥鳅生产技术
推行GAP技术
二、    食品加工阶段将广泛采用:
富硒芽谷米生产技术
富硒蒸谷米生产技术
水酶法提油技术
固定化酶转化糖生产技术
低温真空膨化技术
乳酸菌发酵技术
食品非热加工技术
即食大米产品加工技术
低盐咸鸭蛋生产技术
丰城富硒冻米糖现代化加工技术
优质米酒现代化生产技术
富硒纳豆生产技术
动态超高压技术
静态超高压技术
推行GMP规程
三、    食品储藏和销售阶段:
CO2气调保鲜技术
核磁共振及其成像技术
冷链运输技术
低温等离子体技术
推行食品安全控制体系(HACCP)技术规程
 
2、微波高效炼制生物质转化系列绿色化学品
我国生物质能源总量丰富但储备分散。如果能够合理利用,可谓用之不竭。分散式微波裂解生物质转化得到生物质能源与生物基材料的技术装备及产业化正是解决这一难题的突破口。将微波技术应用于生物质原料的热裂解,可大大提高生物质的加热速率,在优化条件下可达到较高的生物油产率。相对于其它生物质原料热解方法,微波裂解技术具有操作简单、易于控制的特点。此外,微波设备还容易做到小型化、分布式、可移动。本系统的搭建平台为移动式车辆,可直接在生物质废弃资源丰富的地点操作,流动性好,大大降低了原料运输和储存的成本。
本项目以自有技术开发单位质量反应物微波输出能量暴露可控的智能化生物质热化学炼制系统,对生物质原料进行系统的划分,开展对木质纤维素类生物质与高含油量类生物质分级综合高效利用,减少生物质微波裂解后期产物中绿色化学品难以分离的技术难题。在程序化升温条件下,对木质纤维素类生物质(稻壳、竹废料、秸秆等)预处理后微波控制高效定向产出醋酸、糠醛、脱水糖、木素酚等绿色化学品,以及低硫高硅的生物焦;在木质纤维素热解利用领域具有突破性的发展。
此外,分散式微波裂解生物反应器具有较高的生物质利用率,达到95%以上。生物质转化产物为20%~25%可燃气体(发电后直接供系统使用)、50%~55%生物油和20%~25%灰分。由于系统自身具有供电装置,具有在野外作业的条件。生物油经过精炼后可以得到生物柴油和生物基材料。灰分中主要成分为N、P、K等矿物元素,通过进一步加工后可以得到高价值的有机肥料还田。系统的工作过程污染小、排放量低,具有经济、环保的效果。灰分还田还具有保证土壤质量,保持生物质能源可持续发展的作用。
生物质微波裂解后半焦通过水-超生浸渍的方法,将其中的矿物质和糖类物质溶解,将其与残炭分离开。生物焦经过水浸渍后得到的水浸出物经过浓缩结晶后,可以作为优质全价叶面肥和微生物发酵原料的碳水化合物添加剂。以水提后的竹半焦为原料,研制超声碱法浸提设备制备纳米级白炭黑,提取白炭黑后的优质竹半焦采用微波活化技术生产高品质活性碳;提取白炭黑后的生物焦,采用微波活化技术生产高品质活性碳。再以剩余生物焦粉末为原料,研发新型生物质成型燃料—生物质蜂窝煤,从原料上解决常规生物质气化过程大量产生焦油的棘手问题,形成产品供应市场。应用生物质气化原理,开发竹废料生物质蜂窝煤相配套的生物质高效气化炉,形成产品供应农村家庭炊事用气,改善农村炊事条件,燃烧时无烟无尘,减少焚烧竹废料造成的环境污染。最后以竹废料生物质蜂窝煤气化炉渣为原料,通过科学调配制成高品质的酸性土壤改良剂,促进农作物的生长,减少动物性肥料带来的氮流失问题,实现植物养分全面回归农田的长远目标。可以做成低值生物质高效炼制的典范。
从经济性角度分析,分散式微波裂解生物反应器的成本相对较低,根据当前样机的初步估算,平均每台成本约为60万元,而根据其生物质处理量的分析和计算,每台系统的年收益率约为60万元。因此,该系统的研究和推广不仅可以通过对生物质废料处理的大规模收购来提高农民收入,解决“三农”问题,还可以通过扩大推广的规模,促进经济的发展,从而对中国的可再生能源的发展做出贡献。
本中心主任阮榕生教授汲取国内外相关研究经验,多年来在木质纤维素微波裂解研究方面取得了不少成果,提出了创新性木质纤维素定向微波裂解工艺。其工艺主要为:将生物质原料脱灰分/催化剂预处理后,经程序化升温使特定的裂解产物分阶段冷凝溢出,同时使用还原性气体回流吹扫反应器,缩短裂解产物停留时间,阻止裂解产物发生自由基二次缩合。本中心开发的微波催化裂解技术,可以很好地适应木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素及木质素三大组分的热化学行为特点,使原料完全在人为控制下,依次得到醋酸、糠醛、酚类、糖类以及具有多孔特性的生物焦油残渣等。
分散式微波裂解生物质转化能源与材料的技术装备及产业化(NC2010MB0085)已列入“十二五”国家科技计划农村领域首批预备项目。
 
第四代连续微波裂解装置
本中心已经开发出一套每小时处理50 Kg玉米秸秆、稻草、竹屑等生物质材料的第一代连续微波裂解装置,并在此基础上不断改进,相继开发出第二代直至第四代连续微波裂解装置。南昌大学和江西省政府为本中心投资600多万元建立了利用木质纤维素类原料转化利用工程技术研究平台,中试车间建筑面积超过500平方米,精细化工车间300M2。
3、微波极化油脂皂化物以及废弃轮胎裂解转化航空煤油
近年来,发展可再生烃类燃料引起了人们的巨大关注。从原油中提炼的煤油是最主要的航空燃油,在2007年航空燃料的总消费量约为680万桶,预计在2013年会增加到860万桶。可再生烃类燃料或燃料添加剂变的更具有吸引力,主要是由于环境效益和石油短缺等原因。目前,在可再生原料中,植物油脂(脂肪酸甘油酯)生产的可再生烃类燃料最为类似于柴油。
植物油主要是甘油三酯(约90%)和少量的单双甘油酯,以及一些游离脂肪酸组成,最为常见的饱和脂肪酸化合物如棕榈酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)等,连同一起不饱和脂肪酸主要有油酸(C18:1)、亚油酸(C18:2)等,植物油中可能含有其它少量的脂肪酸,例如,月桂酸(C12:0)、肉豆蔻酸(C14:0)和芥酸(C22:1)等。通常橄榄油中不饱和油酸的含量约为55%~85%,菜籽油约为55%~65%,光皮树油中35~45%,江西省以光皮树分布最为广泛,光皮树的果肉和核仁均含有油脂,一般条件下干果的出油率可以达到25%~30%,是制备生物柴油的一种良好原料。
本中心设计能量输出与反应物质量变化关联的新型微波裂解系统;对反应过程中微波输出功率的程序化控制,有效调节单位质量反应物接受微波输出能量,探讨在碳链长度、不饱和度、金属盐、供氢体等关联因素作用下脂肪酸盐选择性脱羧与裂解成烃的基本规律,研究结果表明微波能选择性作用于硬脂酸钠羧基端,导致其在微波场中发生偶极转向极化和界面极化。离子或极性分子的Lorentz力按照电磁波作用的方式运动,有助于碳负离子的形成,有效推动了脱羧反应的进行;添加于反应体系中的甘油具有很高的介电常数,在微波场中形成“高热位点”,降低了脱羧反应活化能并为脂肪酸盐脱羧起到了供氢体的作用。长链中的双键在脱羧反应的过程中与碳负离子中间体形成P-共轭体系,更加稳定,使裂解反应(脱羧、端烯化、异构化和芳构化等)顺利的进行。液体产物中端烯烃和正构烷烃系列从C8~C20有规律的分布,符合烃类裂解的规律。研究结果证实了由脂肪酸盐在微波作用和甘油做为供氢体的条件下,脱羧裂解生产优质替代性烃类燃料和绿色化学品的可行性,其中烃类燃料的得率大约为75%以上。
 
单位质量反应物微波输出能量暴露可控的智能化生物质热化学炼制系统
4、管式反应器高效生产生物柴油
我国生物柴油生产工艺过去一直停留在酸碱两步法落后工艺上,对设备强腐蚀严重,使用时对工作人员还有危险性,反应后产生大量的废水,容易产生环境污染,增加了生产成本。
生物柴油固体酸催化和固体碱催化剂在催化效率上虽然取得了很大的进展,但是在耐酸耐水,耐流体冲刷,耐热性,及最重要的催化性能方面不甚良好。
传统的生物柴油反应器主要是附有机械搅拌的反应釜,原料在反应釜中经过机械搅拌混合均匀进行反应,但由于机械搅拌耗能较大,而且搅拌呈现中轴式效果,达不到理论的均匀混合,而且无法实现连续化生产,因此这种反应釜逐渐被一些新的反应器所代替。目前也出现了一些新型的反应器,例如微通道反应器,膜反应器以及反应蒸馏反应器,虽然这些反应器可以解决反应釜的混合不均,无法连续化生产等缺点,但是由于这些新型反应器设计还不完善,不适合工业化生物柴油的生产。
本中心针对光皮树油酸价偏高而引进消化美国高酸值废油高效工艺(Mcgyan生物柴油管式反应器),研制光皮树油甲酯化专用的生物质基磺化碳催化剂和ZrO2多晶泡沫陶瓷催化剂,耐酸耐水,耐流体冲刷,耐热性好,催化性能稳定,突破美国在该领域的技术封锁,实现生物柴油的连续高效低成本生产,并提高生物柴油生产效率、基本消除生物柴油生产过程的三废排放。
目前已经在南昌大学生物质转化教育部工程研究中心建设了每小时处理能力为50L的试验系统,江西省林科院建立了每小时处理能力200L的中试系统,工艺关键技术问题是固体催化剂研制,目前已经成功,进入产业化批量生产阶段。生物柴油的转化率高达98%,部分成果已经投入企业应用,并取得良好效果;
另外课题组开发利用竹废料微波辅助裂解生产生物质基生物柴油抗氧化剂(Bio-oil Based Biodiesel Antioxidant, BBBA)获得成功,生物柴油的氧化安定性全部都能够达到欧洲EN14112-2003标准,DPPH自由基清除率可达到91.82%
 
生物柴油管式反应器
5、生物质基材料研究开发:
目前生物质中心建立了生物质转化新材料多功能中试车间500M2,拥有精细化工车间超过300 M2。
建立有利用木质纤维素类生物质转化无甲醛木材胶黏剂生产线,和一条利用植物蛋白转化无甲醛木材胶黏剂的生产线。
木质纤维素类生物质转化无甲醛木材胶黏剂生产线,包含生物质风干、粉碎、常压液化、制胶、施胶、预干、热压、截边、力学性能检测等一系列操作单元。具备把生物质如变质大米、玉米淀粉、稻草、麦秆、木屑、竹屑等在常压中温下快速液化为高反应活性生物多羟基化合物的新技术。在此基础上进一步筛选以相对廉价的发酵工业产品及其衍生物为主的交联剂,研制新一代立体网状聚酯型绿色环保无甲醛的木材胶粘剂,整个制备过程没有添加有毒有害化学试剂,也没有新的有毒有害物质产生,研究成果属于原创技术,经专家鉴定达到国际先进水平。先后承担了科技部重点攻关项目、科技部创新基金、科技部农业成果转化基金、江西省农业重大项目、江西省创新基金项目、省级成果转化基金等。目前课题组把非挥发性酚醛替代型木材胶黏剂的研制作为今后攻关的方向,向新的高峰迈进。从2006年开始,脲醛树脂替代的耐水性无甲醛木材胶粘剂和酚醛树脂替代耐候型的木材胶粘剂的中试产品,在江西、安徽、福建、广东、重庆、湖南等地的各类人造板企业开展了新型木材胶粘剂的生产性应用实验,证实了两类新型无甲醛的木材胶粘剂各项技术性能符合人造板材的工业化生产要求。本技术特色原料来源简单而低廉,具有较好的性价比。
利用植物蛋白转化无甲醛木材胶黏剂的生产线,由粉碎设备、锥形混合器、胶体磨、板框压滤机、常压反应釜、施胶机、热压机、截边机等组成。采用低剂量高强度变性工艺解决了蛋白质变性程度和水解程度之间的矛盾,实现在不添加任何的醛类物质、异氰酸酯、合成树脂等,而是依靠挖掘蛋白质自身的潜力达到了国标II类板要求的胶合强度。研究成果经鉴定达到国际先进水平。目前我们正在把高新生物技术引入植物蛋白基无甲醛木材胶黏剂的制备工艺,相信在不远的将来,可以完全能够取代目前广泛使用的脲醛树脂,并且在木材加工行业内实现无缝对接。
6、大型产业化示范应用项目-畜禽养殖企业沼液的资源化利用深度净化耦联技术研究与装备开发产业化示范工程
课题组学术带头人阮榕生博士是美国明尼苏达大学资深教授,是中组部千人计划人选和长江学者,现为南昌大学食品科学与工程国家重点实验室长江学者创新团队首席科学家,生物质转化教育部工程研究中心主任,美国明尼苏达大学生物产品与生物系统工程系教授、食品科学与营养系教授、明尼苏达大学生物精炼中心主任。也是国内外食品科学与工程、生物能源与生物质催化转化领域的杰出专家。本课题组汇聚一支食品科学与工程、生物化工、分子生物学、材料科学等多学科交叉的高水平研究创新团队。课题组现有教师10名,其中博士生导师2名,硕士研究生导师5名。课题组老师以45岁以下具有在国内外著名高校或研究院所学习经历和博士学位的青年学者为主,是一支朝气蓬勃的研究创新团队。课题组先后承担与项目相关的国家自然科学基金两项,国家863项目3项、科技部国际合作项目两项、省科技重大专项2项,研究经费近2000万元。申请了相关方面专利7项,已授权4项。有4项研究成果已通过江西省科技厅主持的科技成果鉴定,1项达到国际领先水平、1项达到国际先进水平,2项为国内领先水平,已发表论文100余篇,其中SCI/EI收录80余篇,获得各类奖励10余项,培养硕士研究生20余名、博士研究生4名。
随着我国国民经济的快速发展,畜禽养殖业沼液、市政废水处理企业剩余活性污泥厌氧消化液、酿造废水、屠宰废水、淀粉废水排放量日渐增多。这些有机废水具有流量大、COD、氨氮、磷酸盐含量高等基本特征。采用传统的好气活性污泥处理技术或各种改良的好气活性污泥处理技术均存在固定设施投入成本高、运行能耗大、基本没有产出效益的特点,不能为企业主动接受。好气活性污泥处理技术及其改良技术的特征是向有机废水中大量补充空气,促进活性污泥中的好气性微生物、原生动物、后生动物将氨氮、有机物转化为N2、CO2挥发到大气中,但是相当大部分磷酸盐等营养元素仍残留水中。
微藻是具有光合作用本领的原生植物,微藻通过光合作用合成大量油脂、色素、蛋白、维生素,是开发生物质能源、饲(饵)料的原料;微藻生存繁殖能力极强,能够从废水中吸收各种无机营养和简单有机物。以有机废水作为廉价的培养基规模化养殖经济微藻、能源微藻是目前国内外研究的热点,在各个单项问题上都有研究报道,但是始终没有成熟适用技术面世,其有待突破的关键技术就是有机污水生物净化与经济微藻低成本规模化养殖耦联增效所需的产业化成套系统开发。
项目针对我国畜禽养殖规模不断扩大,通过实施沼气工程虽然解决了养殖粪尿直接排放污染问题,但是沼液中的污染负荷仍然很高,一般COD介于700-2000 mg /L,全氮320-2238 mg/L,总磷42-481 mg/L,氨氮42-88 mg/L,甚至更高,现有沼液净化技术存在处理能力低下、运行成本高和资源浪费等问题。选择年生猪出栏3-5万头以上的集约化养猪企业,在其现有畜禽粪尿沼气工程的基础上,采用食用真菌与经济(高油)微藻共生体快速分解和吸收畜禽养殖沼液中的有机和无机污染物;采用连续式仿生层式高效光合生物反应器实现规模化畜禽养殖持续性排放沼液的连续处理,大大节省藻类规模化养殖对土地的需求;气浮收获食用真菌与经济(高油)微藻共生体,使沼液深度净化达到国标II类排放水质标准;菌藻共生体通过高密度流加碳水化合物异养大量富集油脂以及其他藻类生物活性物质;异养后的菌藻共生体生物质通过超声空化技术获取油脂并可转化为生物柴油,细胞残体加工为藻基免疫饲料(饵料)。建立集约化畜禽养殖业沼液资源化利用高效深度净化典型示范工程一个;研制集约化畜禽养殖业沼液资源化利用高效深度净化配套装备一套。 
目前南昌大学生物质转化教育部工程研究中心目前在江西省银河杜仲开发有限公司建设了集约化畜禽养殖业沼液资源化利用高效深度净化示范工程,日初级净化沼液200吨、深度净化处理沼液10吨的沼液。现对该示范工程扩大,深度净化该企业日产生的200吨沼液,也即我们的示范工程建设完工后,该企业所长生的全部畜禽养殖业沼液达到国家相关规定的直接排放标准。前期的调试工作初见成效。本项示范工程具有广阔的推广应用前景,以江西省为例,江西是农业大省,规模化畜禽养殖业规模在全国处于第三,全省规模化养殖企业估计近1000家,年出栏生猪约3000万头,畜禽排泄物沼液总量规模为4500万吨/年。如果80%企业采用本项目工艺技术处理沼液,可以节省投资200多亿元;全年沼液后期处理节约处理费2700万元;新增生物柴油、藻基免疫饲(饵)料产值高达14.8亿元,为国家上缴利税7.5亿以上。可以带动约1.5万人就业。同时大大提升我省规模化养殖业的技术水平。
 
沼液深度治理与经济(能源)微藻规模化养殖利用藕联增效示范工程(局部)


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