及成本问题。近年来，南京工业大学创新性地将先进的化学工程反应与分离耦合技术应用于生化产品L-苹果酸的生产，使其转化率从80％提高至99.9％，成本下降为原工艺的60％，使酶法生产手性化合物的工程技术与方法取得了重大突破，获得国家科技进步一等奖，这是化学工程与生物技术交叉融合的又一范例。

4. 生物甲烷高效转化过程对化学工程提出新的挑战

目前，生物炼制，即利用低劣生物质通过强化生化过程、高效生产各种化学品、燃料和生物基材料，已成为各国的战略研究方向。我国对于生物炼制也加大了投资和研究力度。目前973中已支持了众多项目，分别从微生物学角度培养极端微生物，解析其基因结构和群落关系，将化学工程方法与生物过程相结合等方面进行探索。本项目申请团队在联合国工发组织示范工程项目、国家863计划和科技支撑计划支持下，对混合原料高产生物燃气技术、木质纤维素原料生物高效转化技术、以及沼气规模化干法厌氧发酵技术与装备进行了深入研究。

然而，与沼气发酵相比，生物甲烷对物质转化和能量利用要求更高，既要速率高又要能量效率高（见表1），但若要满足此要求，必须提高温度，付出更高的能量代价，当产出的生物甲烷效益不足以弥补各种代价时，入不敷出不可避免地发生了。现有化工技术难以解决此难题。

研究表明[4，5]，传统化工通过提高温度和压力等强化过程的方法，在提高过程速率的同时，也使得过程的效率大为降低。这是本项目推荐首席科学家通过973预研项目“过程工业减排的节能机制”的研究得出的结论，该研究针对过程工业减排中的节能问题，采用同时考虑物质和能量转换的化工热力学方法，将过程工业与新材料和新能源工业进行耦合，建立了科学、客观、定量地评价各高耗能过程工业的节能减排和新能源产业的系统化模型。

此研究还指出，纳米材料的出现，使得多相界面的传递行为与传统材料大为不同，可以通过新材料的介入，在非平衡热力学原理基础上，在不提高温度压力的温和条件下，通过调控纳微尺度的传递行为，强化生物甲烷过程，实现速率和效率的统一。

众所周知，表面积的增大有利于提高反应速率。因此，人们已通过加入若干填料固定菌群的方法来增大厌氧菌与底物的接触面积，但各种菌群尺寸均在微米级，因此此法难以显著强化过程速率。然而，界面科学最新研究表明，纳微尺度

界面的化学性质对于相界面传递过程影响显著，疏水表面往往存在稳定性极高的纳米气泡，这层气泡很难用温度、压力、浓度等宏观调控手段脱除。刊登在《Science》的研究结果证实[6]，产甲烷菌产生的甲烷气体会在细胞膜表面富集大量的“纳米气泡”，抑制细胞自身养料的供给，不利于其生存，导致“底物难进，产物难出”，造成速率低下。

上述基础研究启发我们：这些问题可能就是生物甲烷产气速率低的瓶颈所在。可以预测，如果能构建合适的纳微孔道结构材料，加速纳米气泡的成核长大，将导致反应历程大大加快，这对于在温和条件下强化生物甲烷过程意义重大。

同时，化工研究前沿——纳微尺度下的物质传输强化，为生物甲烷的发展带来了新的契机。研究表明，虽然生产过程在米级以上的反应器中进行，但其转化本质往往在纳微尺度上体现，介观尺度下的“三传一反”影响远大于温度、压力，这为甲烷化过程“强化”提供了新的思路。

另一方面，甲烷化过程存在着明显的“分散-集中”问题，若采用传统化工的集中处理模式，则其能耗及运费甚至大于产品的价值。同时，长期以来难处理低附加值的沼液沼渣也一直被视为生物甲烷系统的沉重包袱。所以，高效甲烷化过程存在资源、能源、环境、经济和社会协调的多目标全局最优问题，需要梳理出其中的拓扑关系，设计优化生物甲烷过程及系统的拓扑结构，在保持高效转化的同时提高系统的稳定性。

由此可见，生物甲烷高效转化过程和系统对化学工程提出了新的挑战，生物、化工等领域的最新研究成果交叉融合，将为生物甲烷技术进步和发展提供了有力保障。生物甲烷产业能否解决“两低一高”问题，实现“自负盈亏”，主要取决于如下几个关键问题的解决：

（1）如何在深入理解菌群网络间的代谢途径和传递机制，建立过程强化的有效方法与手段，提高生物甲烷的产生速率；

（2）如何认识放大过程的反应与分离耦合机制，设计和调控纳微多孔材料界面亲疏水性质，优化甲烷产出路线，使反应速率加快的同时实现甲烷含量的提高；

（3）如何认识生物甲烷系统多层次网络结构，解决原料分散与规模化生产集中之间的矛盾，找到沼液沼渣无害化处理过程能量的合理使用途径。

综观我国“节能减排”面临的形势与任务，低劣生物质高效转化生物甲烷是全局性、战略性、亟需布局的重要发展方向，对国家实现节能、减排与环境治理的综合统筹和可持续发展具有重要的战略意义。不但可解决困扰我国多年的粪便污染问题，而且变废为宝，替代天然气，实现跨越式发展，兼具节能、减排、减少污染三重意义，是发展低碳经济的最佳切入点。

课题1：复杂生化过程介观尺度热力学效率和过程速率的研究

如何科学、客观、定量评价过程的效率和速率是节能减排的关键科学难题。

生物甲烷系统能耗代价的研究需要相关物质的基础物性数据，但目前近乎空白。本课题将建立相关有机物、重金属、污染物的基础物性数据库，以化学位梯度为通用推动力，建立基于非平衡热力学的过程速率定量分析方法，找到过程速率与效率博弈的关键参数。 主要研究内容：

（1）稀溶液及水溶液热力学数据库和物性估算方法的建立 （2）复杂生化系统多尺度界面结构的分子模拟 （3）过程速率的线性非平衡热力学 研究目标：

（1）建立复杂稀水溶液体系中各有机物、重金属、污染物基础物性数据库和各

组分活度系数计算方法。

（2）解决混合气体在沼化体相中的溶解度及扩散系数的实验测定方法、系统测

定有关实验数据、建立相应的理论预测模型。

（3）提供能描述复杂界面流体分布的DFT理论和能研究纳微尺度下相关分子结

构与性质的模拟方法。

（4）基于非平衡热力学原理，建立一套科学、定量分析复杂系统热力学效率的

理论方法以及基于热力学效率的过程速率定量分析方法。 主要承担单位：南京工业大学，华东理工大学 课题负责人：陆小华

主要学术骨干：胡军，景苏，刘畅

课题2：产甲烷系统微生物群落协同作用机制解析

理解产甲烷系统中微生物群落间协同作用机制及影响因子，以指导优化调控各关键步骤，使系统产气潜力最大化。本课题将利用系统生物学方法研究系统中微生物群落组成、结构、动态变化机制及不同菌群间的协同作用；阐明其中重要菌群的生物化学代谢途径及生态位。考察微生物群落学特征和代谢流变化与发酵条件和发酵状态的关系。据此理解宏观工艺条件对基于微生物群落协同作用的代谢流迁移转化的影响，为生物甲烷过程物质转化和能量利用提供微生物学依据。 研究内容：

（1） 微生物群落学特征解析

（2） 微生物生物化学代谢途经和多重互营代谢网络解析 （3）主要代谢路径的碳流量（Carbon flux）及其调控 研究目标：

（1）通过对产甲烷过程的系统生物学研究，提出菌群间的协同作用机制。 （2）阐明重要微生物类群的代谢途径、潜在功能以及产甲烷系统的多重互营代谢网络，构建产甲烷系统的调控策略。

（3）基于本研究的结果，提出调控微生物过程的群落学和生物化学机理。 主要承担单位：中国科学院成都生物研究所，南京工业大学 课题负责人：李香真

主要学术骨干：刘晓风、闫志英、芮俊鹏、吴昊

课题3：生物甲烷化过程中多相界面微环境的构筑和调控

从菌群界面特性入手，考察主要发酵组分的传递机制及调控手段，探索通过甲烷化菌群固定化担载，改善菌群团聚现象，提高热质跨膜传递。在介观尺度界面密度泛函研究基础上，调控固定化载体结构和表面，实现新材料界面对微环境中传递的定量化控制。 主要研究内容：

（1）复合微生物转化复杂结构材料的过程高效协同机制