生物技術(shù)與能源

1、生物技術(shù)與能源生物技術(shù)與能源 姓名姓名：XXX 什么是能源？什么是能源？ -不可再生能源：煤炭、石油、天然氣 -可再生能源：太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋?生物質(zhì)能 生物質(zhì)生物質(zhì)：是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生 的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)通稱為生 物質(zhì)。它包括植物、動(dòng)物和微生物。 生物質(zhì)能生物質(zhì)能：就是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能 量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠 色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)燃料， 取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源，同時(shí)也是唯一一種 可再生的碳源。 目錄目錄 CONTENTS 生物柴油生物柴油

2、 02 微生物燃料電池微生物燃料電池 06 生物乙醇生物乙醇 04 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 01 生物沼氣生物沼氣 05 生物制氫生物制氫03 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.國外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀 生物質(zhì)能是世界上重要的新能源，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛， 在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、能源供需矛盾、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā) 揮著重要作用，是全球繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能 源，成為國際能源轉(zhuǎn)型的重要力量。 利用方式利用方式 利用規(guī)模利用規(guī)模 國家國家 數(shù)量數(shù)量單位單位 1.生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電1億億千瓦千瓦美國美國 1590萬萬 巴西巴西 1100萬萬 2.生物

3、沼氣生物沼氣570億立方米億立方米 德國德國 200瑞典瑞典 3.生物質(zhì)成型燃料生物質(zhì)成型燃料3000萬噸萬噸北歐北歐瑞典瑞典 4.生物燃料乙醇生物燃料乙醇8000萬噸萬噸美國美國巴西巴西 5.生物柴油生物柴油2000萬噸萬噸 全球生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀全球生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀 2.2.國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國生物質(zhì)資源豐富，全國可作為能源利用的農(nóng)作物秸 稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物、生活垃圾 與有機(jī)廢棄物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。截至 2015年，生物質(zhì)能利用量約3500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中商品化的 生物質(zhì)能利用量約1800萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。 中國生物質(zhì)能資源分布圖中國生物質(zhì)能

4、資源分布圖 中國生物質(zhì)能資源分布圖中國生物質(zhì)能資源分布圖 利用方式利用方式 利用規(guī)模利用規(guī)模年產(chǎn)量年產(chǎn)量折標(biāo)煤折標(biāo)煤 數(shù)量數(shù)量單位單位數(shù)量數(shù)量單位單位萬噸萬噸/年年 1.生物質(zhì)發(fā)電生物質(zhì)發(fā)電1030萬千瓦萬千瓦520億千瓦時(shí)億千瓦時(shí)1520 2.戶用沼氣戶用沼氣4380萬戶萬戶140 億立方米億立方米1320 3.大型沼氣工程大型沼氣工程10萬處萬處50 4.生物質(zhì)成型燃料生物質(zhì)成型燃料800萬噸萬噸400 5.生物燃料乙醇生物燃料乙醇210萬噸萬噸180 6.生物柴油生物柴油80萬噸萬噸120 總計(jì)總計(jì)3540 我國生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀我國生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀 我國存在的問題：我國存在的問題： 1.

5、尚未形成共識(shí)。 2.商業(yè)化開發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)不足。 3.專業(yè)化市場(chǎng)化程度低，技術(shù)水平有待提高。 4.標(biāo)準(zhǔn)體系不健全。 5.政策不完善 生物柴油生物柴油 生物柴油生物柴油 生物柴油生物柴油：是以油料作物如大豆、油菜、棉、棕櫚等， 野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動(dòng)物油脂、餐 飲垃圾油等為原料油，通過酯化或酯交換工藝制得的主要成 分為長鏈脂肪酸甲酯長鏈脂肪酸甲酯的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1）優(yōu)良的環(huán)保特性 （2）較好的潤滑性能 （3）燃燒性能好 （4）較好的安全性能 制備方法：制備方法： 酯交換法、催化加氫、氣體合成酯交換法、催化加氫、氣體合成 1.1.第一代生物柴油第

6、一代生物柴油酯交換法酯交換法 動(dòng)植物油脂的主要成分是甘油三酯，酯交換法是利用 低碳醇在催化劑作用下與甘油三酯反應(yīng)生成脂肪酸甲酯和 甘油。 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 催化劑：催化劑：酸、堿及其復(fù)合應(yīng)用 酸催化法的催化劑：硫酸、鹽酸和磷酸等。 堿催化法的催化劑：氫氧化鈉、氫氧化鉀和甲醇鈉等。 酸、堿復(fù)合催化法是先在酸催化劑的作用下，將脂肪酸 轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯，再在堿催化劑作用下，將甘油三酯轉(zhuǎn)化 為脂肪酸甲酯。 （1 1）酸堿均相催化法）酸堿均相催化法 （2 2）酸堿非均相催化法）酸堿非均相催化法 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 （1 1）酸堿均相催化法）酸堿均相催化法 反應(yīng)條件相對(duì)溫和，

7、反應(yīng)速率快，但是，由于催化劑具 有強(qiáng)腐蝕性，反應(yīng)結(jié)束后，需對(duì)酸或堿進(jìn)行中和及分離等后 續(xù)處理，工藝流程長，生產(chǎn)成本增加，且存在廢水和廢渣排 放等環(huán)境污染問題。 堿性催化劑是目前使用最為廣泛的催化劑。 液堿催化技術(shù)應(yīng)用液堿催化技術(shù)應(yīng)用魯奇工藝（德國）魯奇工藝（德國） 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 酯交換反應(yīng)器 回流 分 離 甘 油 粗 甲 酯 沉降槽 （2 2）酸堿酸堿非均相催化法非均相催化法 大多采用固體酸和固體堿，可避免液體酸、堿的難分離 問題以及廢水和廢渣的排放問題 與固體酸相比，固體堿具有較高的反應(yīng)活性，可簡(jiǎn)化催 化劑分離回收過程及縮短反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，降低 了生產(chǎn)成本。 固

8、堿催化技術(shù)應(yīng)用固堿催化技術(shù)應(yīng)用Esterfip-H 固體堿工藝固體堿工藝（法國）（法國） 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 固定化床反應(yīng)器 （混合金屬氧化 物固體堿催化劑） 甲醇 甲 醇 粗 甲 酯 粗甲酯減壓蒸餾 分離甘油 分離甘油 生物柴油產(chǎn)品純度99%，廢水排放少 （3 3）超臨界法）超臨界法 是在超臨界流體參與下的化學(xué)反應(yīng)，超臨界流體既可以 作為反應(yīng)介質(zhì)，又可以參與反應(yīng)。 在超臨界狀態(tài)下，低碳醇和油脂成為均相，反應(yīng)速率大， 反應(yīng)時(shí)間短。另外，在反應(yīng)中不使用催化劑不使用催化劑，反應(yīng)后續(xù)分離 工藝簡(jiǎn)單，不排放廢堿或酸液，不污染環(huán)境，生產(chǎn)成本大幅 降低。 但是超臨界法反應(yīng)條件非?？量蹋枰?/p>

9、高溫高壓高溫高壓下進(jìn) 行。 應(yīng)用應(yīng)用超臨界甲醇醇解（超臨界甲醇醇解（SRCA）工藝）工藝（中國）（中國） 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 反應(yīng)壓力： 6.58.5MPa 產(chǎn)率93%，廢渣 廢水少，廢水中 不含酸堿 （4 4）生物酶法）生物酶法 利用脂肪酶催化醇與甘油三酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，制備生物 柴油。 生物酶法的優(yōu)點(diǎn)在于條件溫和、醇用量少、游離脂肪酸和 水的含量對(duì)反應(yīng)無影響、無污染排放。但脂肪酶價(jià)格昂貴，故 此方法成本較高，不利于大型工業(yè)生產(chǎn)。 生物柴油生物柴油酯交換法酯交換法 2.2.第二代生物柴油第二代生物柴油催化加氫催化加氫 （1 1）直接催化加氫：）直接催化加氫：將油脂在高溫高壓下進(jìn)

10、行深度加 氫，羧基中的氧和氫生成水，自身還原成烴。 應(yīng)用應(yīng)用芬蘭芬蘭NestNest公司公司NExBTL（新一代環(huán)保生物柴油）工藝（新一代環(huán)保生物柴油）工藝 （2 2）加氫脫氧異構(gòu)）加氫脫氧異構(gòu) 是油脂經(jīng)過加氫脫氧和臨氫異構(gòu)化兩步來制備生物柴油 應(yīng)用應(yīng)用美國環(huán)球油品公美國環(huán)球油品公司司(UOP)的的Ecofining（綠色柴油）工藝（綠色柴油）工藝 生物柴油生物柴油催化加氫催化加氫 生物柴油生物柴油催化加氫催化加氫 生物柴油生物柴油催化加氫催化加氫 異構(gòu)化 3.3.第三代生物柴油第三代生物柴油氣體合成氣體合成 空氣、氧氣、水蒸氣介質(zhì)中空氣、氧氣、水蒸氣介質(zhì)中 發(fā)生高溫裂解、氧化還原發(fā)生高溫裂解

11、、氧化還原 農(nóng)林廢棄物農(nóng)林廢棄物 破碎加工破碎加工 氣化爐氣化爐 (CO、H2合成氣合成氣) 催化加氫催化加氫 費(fèi)托合成費(fèi)托合成 生物柴油生物柴油 生物制氫生物制氫 生物制氫生物制氫 生物制氫生物制氫：是把自然界儲(chǔ)存于有機(jī)化合物（如植物中的 碳水化合物、蛋白質(zhì)等）中的能量通過高效產(chǎn)氫細(xì)菌高效產(chǎn)氫細(xì)菌的作用， 轉(zhuǎn)化為氫氣氫氣，是利用某些微生物代謝過程來生產(chǎn)氫氣的一項(xiàng) 生物工程技術(shù)。 方法：方法：光解水制氫、光發(fā)酵制氫、暗發(fā)酵制氫、光發(fā)酵 和暗發(fā)酵耦合制氫 （1 1）光解水制氫）光解水制氫 微生物光合作用分解水產(chǎn)氫。 以藍(lán)藻為例： H2O（光） 缺點(diǎn)：產(chǎn)氫能力較低，不消耗廢物。 理論研究：理論研究

12、：管英富等采用固定化技術(shù)對(duì)海洋扁藻進(jìn)行固 定，發(fā)現(xiàn)固定化光解水產(chǎn)氫的效率提高5倍。 （2 2）光發(fā)酵制氫）光發(fā)酵制氫 光合異養(yǎng)型細(xì)菌在厭氧條件下，以有機(jī)物厭氧酵解產(chǎn)生 的小分子有機(jī)酸或醇為底物，光提供的能量，將H+還原成H2 的過程。 當(dāng)葡萄糖作為光發(fā)酵的基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)方程如下： 光發(fā)酵具有相對(duì)較高的光轉(zhuǎn)化效率。 理論研究：理論研究： Guillaume Sabourin-Provost學(xué)者首次： 底物：生物柴油中的粗甘油 生物：紫色脫硫光和細(xì)菌 H2產(chǎn)量: 6 mol H2/mol 粗甘油，理論產(chǎn)量的75% 才金玲： 底物：乙酸 生物：產(chǎn)氫海洋光和細(xì)菌（富集獲取） 研究條件：溫度（30）、光照

13、條件（4000lx）、起始 pH（8.0）、乙酸濃度 （3 3）暗發(fā)酵制氫）暗發(fā)酵制氫 異養(yǎng)型厭氧細(xì)菌 當(dāng)葡萄糖作為暗發(fā)酵的基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)方程如下： 在有機(jī)廢物的厭氧處理過程中，酸化階段是在初始水解 之后的第二階段，在這一階段可以產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸、乙酸 和H2、CO2。 理論研究：理論研究： 湯桂蘭等，利用養(yǎng)殖場(chǎng)廢水進(jìn)行了厭氧發(fā)酵生物制氫技 術(shù)的研究。以厭氧消化污泥作為天然產(chǎn)氫菌源，通過養(yǎng)殖場(chǎng) 廢水的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)氫氣，結(jié)果表明，加入營養(yǎng)物質(zhì)接種污 泥的養(yǎng)殖場(chǎng)廢水氫氣含量、累積產(chǎn)氫量和單位COD氫氣產(chǎn)量 最高可達(dá)到50.65%、334.80 mL和287.10 mL/g。 （4 4）光發(fā)酵和暗發(fā)酵

14、耦合制氫）光發(fā)酵和暗發(fā)酵耦合制氫 先進(jìn)行暗發(fā)酵，再經(jīng)過光發(fā)酵產(chǎn)氫。暗發(fā)酵后的發(fā)酵液 中含有豐富的有機(jī)酸可用于光發(fā)酵，如此可消除有機(jī)酸對(duì)暗 發(fā)酵制氫的抑制作用；而光發(fā)酵中的光合細(xì)菌對(duì)有機(jī)酸的利 用則能降低廢水的COD值。 葡萄糖作為兩步發(fā)酵的基質(zhì)時(shí)，反應(yīng)方程如下： 理論研究：理論研究： Yang 等開展了利用玉米芯作為基質(zhì)時(shí)通過暗發(fā)酵和光 發(fā)酵結(jié)合的方法產(chǎn)氫的研究。 暗發(fā)酵：最佳的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫率分別為（120.35.2） mL H2/g-玉米芯和150 mL H2/(L h). 光發(fā)酵：光合細(xì)菌通過將暗發(fā)酵過程的出水消化產(chǎn)氫， 最大產(chǎn)量為(713.644.1) mL H2/g-COD，此時(shí)COD

15、 的去除率 高達(dá)90%。 暗發(fā)酵階段產(chǎn)氫主要是因?yàn)橛衩仔舅猱a(chǎn)物中還原糖和 低聚糖的生物轉(zhuǎn)化作用，而光發(fā)酵階段主要是通過暗發(fā)酵出 水中乙酸、丁酸和乙醇的生物降解作用來產(chǎn)氫。 生物制氫法生物制氫法產(chǎn)氫效率產(chǎn)氫效率轉(zhuǎn)化底物類型轉(zhuǎn)化底物類型轉(zhuǎn)化底物效率轉(zhuǎn)化底物效率環(huán)境友好程度環(huán)境友好程度 光水解制氫光水解制氫慢慢水水低低需要光，對(duì)環(huán)需要光，對(duì)環(huán) 境無污染境無污染 光發(fā)酵制氫光發(fā)酵制氫較快較快 小分子有機(jī)酸、小分子有機(jī)酸、 醇類物質(zhì)醇類物質(zhì)較高較高 可利用有機(jī)廢可利用有機(jī)廢 水制氫，需要水制氫，需要 光照光照 暗發(fā)酵制氫暗發(fā)酵制氫快快 葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、 纖維素等碳水化纖維素等碳水化 合物合

16、物 高高 可利用工農(nóng)業(yè)可利用工農(nóng)業(yè) 廢棄物制氫，廢棄物制氫， 發(fā)酵廢液在排發(fā)酵廢液在排 放前需處理放前需處理 光發(fā)酵和暗發(fā)光發(fā)酵和暗發(fā) 酵耦合制氫酵耦合制氫最快最快 葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、 纖維素等碳水化纖維素等碳水化 合物合物 最高最高 可利用工農(nóng)業(yè)可利用工農(nóng)業(yè) 廢棄物制氫廢棄物制氫 4種產(chǎn)氫方法比較種產(chǎn)氫方法比較 1李媛,張俊濤,謝紅艷.生物能源技術(shù)發(fā)展和利用的現(xiàn)狀研究J.廣東化 工,2017,44(13):112-143. 2.美國開發(fā)變廢水污泥為可再生天然氣技術(shù)J.計(jì)量與測(cè)試技 術(shù),2017 ,44(04):19. 3潘煉峰,吳辰鐘.我國生物能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的問題及解決對(duì)策J.經(jīng)營

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