生物技術在生物能源領域的研究報告現(xiàn)狀及展望

-.z業(yè)生物技術在生物能源領域的研究現(xiàn)狀及展望來源:.qinghualunwen.摘要：工業(yè)生物技術是中國國民經濟**可持續(xù)開展最有希望的高新技術之一，是以微生物細胞或酶為催化荊進展生物質轉化，進展新醫(yī)藥、新能源和新材料等人類所需的精細化學品的大規(guī)模生產，是懈決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段。本文概述了工業(yè)生物技術在生物能源，尤其是生物柴油方面的研究現(xiàn)狀與開展趨勢，展望了我國工業(yè)生物技術在生物能源領域的開展前景。

關鍵詞：工業(yè)生物技術；生物能源：燃料酒精：生物柴油；生物制氫：廢食用油

1工業(yè)生物技術的研究現(xiàn)狀與開展趨勢

以石油、煤炭和天然氣等化石資源為經濟根底的近現(xiàn)代工業(yè)文明取得了輝煌的成就，進入世紀，面對化石資源的不斷枯竭和環(huán)境污染的日益加重，化學工業(yè)的生產模式即將轉向以工業(yè)生物技術為核心技術、以生物可再生資源為原料、以生物可再生能源為能源的環(huán)境友好、過程高效的新一代清潔化工生產模式。

所謂的工業(yè)生物技術就是以微生物細胞或酶為催化劑進展生物物質轉化，大規(guī)模生產人類所需的新醫(yī)藥、新能源和新材料等精細化學品的環(huán)境友好型、清潔化工生產型高新技術，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段，可為醫(yī)藥生物技術提供下游支撐，為農業(yè)生物技術提供后加工手段。

由于分子生物學的突破性成就，生物技術為現(xiàn)代醫(yī)藥、現(xiàn)代農業(yè)和現(xiàn)代工業(yè)領域帶來了革命性的飛躍。以生物催化與生物轉化為核心的工業(yè)生物技術已被人們普遍視為生物技術革命的第三個浪潮，其地位不亞于發(fā)生在20世紀的前兩次生物技術革命浪潮一醫(yī)藥生物技術和農業(yè)生物技術。

近年來，隨著基因組學、蛋白質組學等現(xiàn)代生物技術的快速開展，極大地推動了工業(yè)生物技術的根底和應用研究。人類基因組學及相關研究有力推動了醫(yī)藥生物技術的開展，動植物基因組學及相關研究有力推動了農業(yè)生物技術的開展，微生物基因組學及相關研究有力地推動了工業(yè)生物技術的開展。將微生物物種的多樣性及其基因改造的巨大潛力與現(xiàn)代工程技術相結合，將為人類提供了新的歷史機遇，將為工業(yè)生物技術的開展提供更加誘人的前景?？梢灶A見，21世紀將是工業(yè)生物技術崛起的新紀元。

中國十分重視工業(yè)生物技術的開展，國家中長期科學與技術規(guī)劃中將工業(yè)生物技術列為重點研究的領域，國家863方案中增列工業(yè)生物技術專題，國家973方案將生物催化工程立項。與歐美興旺國家一樣，中國工業(yè)生物技術產業(yè)開展也較快。但總體來說，我國是工業(yè)生物技術產業(yè)大國，但還不是強國。大力開展工業(yè)生物技術，為最終解決醫(yī)藥、能源和材料的生物制造提供技術支持，這對我國的經濟**可持續(xù)開展，對解決我國資源和能源短缺問題，對加強我國的國際競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義。

2生物能源的研究現(xiàn)狀與開展趨勢

生物能源是指利用生物可再生原料及太陽能生產的能源，包括生物質能、生物液體燃料及利用生物質生產的能源等，在中國是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四位能源。大力開展我國的生物能源不僅有利于能源的多樣性保護和提高國家經濟的平安性，而且有利于減少環(huán)境污染和緩解能源危機。既符合現(xiàn)階段我國的國情，又符合經濟可持續(xù)**開展的戰(zhàn)略。

目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、沼氣、生物制氫和生物柴油等。其中，燃料酒精和生物柴油將是我國當前的開展重點。目前，采用纖維素為原料大規(guī)模生產燃料酒精的關鍵問題是纖維素原料的預處理和高效的發(fā)酵工藝。生物柴油大規(guī)模生產的挑戰(zhàn)性在于脂肪和油的來源有限，且原料本錢占到生物柴油本錢的60％～75％。但從技術上講，生物柴油的生產比燃料酒精和生物制氫簡單。

2．1燃料酒精燃料酒精又稱變性燃料乙醇，可分為替代燃料和燃料添加荊兩種，是清潔汽油的主要代替物，已在一些國家和地區(qū)得到大量使用。目前燃料酒精正處于類似當年石油化工初級開展階段和石油取代煤炭成為主要能源的商業(yè)萌芽階段。許多農業(yè)資源豐富的國家如巴西、美國、英國、荷蘭、德國等國的政府均已制定規(guī)劃，積極開展燃料酒精工業(yè)。我國酒精年產總量僅次于巴西和美國，排位世界第3。

目前，發(fā)酵法生產燃料酒精占絕對優(yōu)勢，80％左右的酒精是用谷物淀粉原料，10％的酒精用廢糖蜜生產，以纖維素原料生產的酒精僅占2％左右。用糖蜜生產酒精是工藝最為簡單、本錢最為低廉的方法，在南美洲如巴西、阿根廷等國廣泛使用。巴西以甘蔗作為原料，每年生產1100萬噸燃料酒精。北美和歐洲等國廣泛使用以谷物淀粉作原料生產酒精，美國2002年以淀粉為原料生產的燃料酒精售價≤0．40美元，L，年產能力可到達800萬噸，年。以植物秸稈等纖維素為原料生產酒精是最具挑戰(zhàn)性的課題，也是美國能源部重點支持的工程，因為美國每年產生的纖維素生物質量到達3．0億t，全球纖維素年生物量可達150億t。未來10年內，以植物木質纖維素為原料生產乙醇用于燃料等市場將形成一個大工業(yè)。

由于具體國情所限，中國燃料酒精的生產不能沿用國外采用糧食作物為原料的方法，而應大力研究和推廣采用我國豐富的植物纖維素為原料的發(fā)酵生產工藝。

目前用植物木質纖維素為原料制造乙醇的關鍵問題是纖維素原料的預處理和高效的發(fā)酵工藝。纖維素原料的預處理技術主要有化學法和酶法?；瘜W法一般采用酸水解法。目前應用抗酸膜將纖維素物質酸解物中的糖和酸別離，一方面獲得由纖維素降解產生的糖，另一方面則回收鹽酸和硫酸。利用這一技術，從木材酸解生產葡萄糖的費用與淀粉水解生產葡萄糖的費用大體相當。

酶法水解的關鍵是纖維素酶的本錢。目前美國在纖維素酶的開發(fā)上有了較大突破，建立了世界最大的纖維素處理裝置，投產后預計其燃料酒精本錢可降到029美元，L，可與以谷物淀粉為原料生·S5·產的酒精相競爭。

利用植物木質纖維素為原料發(fā)酵制備酒精的另一個問題是如何利用植物纖維原料中的戊糖約占20％～30％)。迄今已發(fā)現(xiàn)100多種微生物可代謝木糖生成酒精，包括細菌、絲狀真菌和酵母，特別是生物基因工程的開展，產生了大量可利用木糖的基因工程菌。

2．2生物制氫

氫氣是目前最理想的清潔燃料之一。氫氣的制備方法有太陽能制氫、水電解法制氫、天然氣或工業(yè)尾氣別離制氫和生物制氫等。從目前世界氫產量來看，96％是由天然的碳氫化合物如天然氣、煤和石油產品中提取的，4％是采用水電解法制取的?；瘜W方法制氫要消耗大量的礦物資源，而且再生產過程中產生的污染物對地球環(huán)境造成破壞。利用生物方法進展氫氣生產，受到世人關注。

生物制氫是利用*些微生物代謝過程來生產氫氣的一項生物工程技術，包括生物質氣化制氫和微生物發(fā)酵制氫。所用原料是陽光和水，也可以是有機廢水、秸稈等。生物制氫思路于年提出，在20世紀90年代受到空前重視。迄今為止生物制氫一般采用的微生物有光合菌、藍綠藻、細菌等，其主要方法有：利用藍綠藻生物光解水，有機化合物光合細菌光分解法：厭氧細菌、兼性厭氧細菌、好氧細菌發(fā)酵法。光合細菌和厭氧細菌的轉化效率高，而且底物利用廣。因此，現(xiàn)在的研究主要集中在光合細菌(包括綠藻、藍細菌)和厭氧細菌。

光合細菌可利用光合機構轉化太陽能為氫能，即光裂解水產氫。從理論上是理想制氫途徑。

目前研究較多的是藍細菌，但藍細菌作為產氫來源似乎并不適宜，因為在光合放氫的同時，伴隨氧的釋放，易使氫酶失活。除了產氫效率較低外，如何解決放氫酶遇氧失活是該技術應解決的關鍵問題。發(fā)酵細菌是另一類在代謝中產生氫氣的微生物。該類微生物具有可降解大分子有機物產氫的特點，因而可以生物轉化可再生能源物質(纖維素及其降解產物和淀粉等)生產氫能。

為降低本錢，微生物制氫一般采用固定化細胞，有關制氫固定化細胞反響器有填充床和流化床等。生物制氫至今沒有產業(yè)化的主要問題是本錢高，而利用工業(yè)和農業(yè)廢棄物發(fā)酵制氫可大大降低本錢。有機廢水廢棄物生產氫能．既有利于環(huán)境治理，又可回收能源、降低本錢。是一項集環(huán)境效益、社會效益和經濟效益于一體的新型環(huán)保產業(yè)。是值得提倡的研究與開發(fā)方向。

對于生物制氫，氫氣的純化與儲存是一個很關鍵的問題。生物法制得的氫氣的體積分數(shù)通常為60％～90％，氣體中可能混有C02、02和水蒸氣等。

3．3沼氣

沼氣是有機物質在厭氧條件下，經過微生物發(fā)酵作用而生成的以甲烷為主的可燃氣體。由葡萄糖厭氧消化產甲烷的能量轉換效率可高達87％，是其他加工技術所難以到達的。沼氣發(fā)酵可以綜合利用有機廢物和農作物秸稈，對水資源和土壤等再生和資源化有促進作用。許多國家已把沼氣開發(fā)列入國家能源戰(zhàn)略。我國是世界上沼氣利用開展得最好的國家，沼氣技術相當成熟，目前已進入商業(yè)化應用階段。主要有農村家用沼氣池、大中型沼氣工程和生活污水凈化沼氣池等。沼氣技術將是我國農村開展節(jié)約型社會和循環(huán)經濟的一大開展方向。

2．4生物柴油

生物柴油是脂肪酸與低碳醇在催化劑的存在下，發(fā)生酯化反響，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃燒。生物柴油環(huán)境友好，無需對現(xiàn)有柴油發(fā)動機進展任何改造即可使用，且對發(fā)動機有保護作用。目前世界上生物柴油產業(yè)開展迅速，美國、加拿大、巴西、日本、澳大利亞、印度等國都在積極開展這項產業(yè)。歐盟國家主要以油菜為原料，2001年生物柴油產量已超過100萬噸。

我國政府已將生物柴油研究開發(fā)工作列入有關國家方案，近年來相繼建成如**正和生物能源**等諸多年產量超萬噸的生物柴油生產企業(yè)。預計到2010年，我國生物柴油需求量將突破萬噸。立足于本國原料大規(guī)模生產替代液體燃料一生物柴油，對增強我國石油平安具有重要的戰(zhàn)略意義。

3生物柴油的研究現(xiàn)狀與開展趨勢

1900年，巴黎博覽會上第一次展示的發(fā)動機是用花生油作燃料的。1912年，RudolfDiesel在美國密蘇里工程大會上說：“用菜籽油作發(fā)動機燃料在今天看起來并沒有太大的意義，但將來會成為和石油一樣重要的燃料〞。1983年，Quick首先將亞麻籽油甲酯用于發(fā)動機，并將可再生的油脂原料經過酯交換反響所得到的脂肪酸單酯定義為生物柴油(Biodiesel)。

所謂生物柴油是指采用來自動植物的脂肪酸與甲醇(或乙醇)經酯交換反響而得到的長鏈脂肪酸甲酯，是一種可以替代普通石油柴油的可再生的清潔燃料。植物油脂的平均分子量遠大于石油柴油的平均分子量，直接用作燃料時存在著粘度大、易積炭等缺點。但作為直鏈脂肪酸甘油酯的植物油脂，與甲醇酯交換后，分子量由原來的900左右降至300左右，接近于石油柴油的分子量，并具有與石油柴油相近的性能。

和普通柴油相比，生物柴油具有以下優(yōu)點：以可再生的動物及植物脂肪酸為原料，可減少對石油的需求量和進口量；采用生物柴油的尾氣中有毒有機物、顆粒物和C02和CO的排放量分別為普通柴油的10％、20％和10％，無S02和鉛等有毒物的排放，混合生物柴油可將排放物的含硫體積分數(shù)從500×10擊降低到5×10擊。與普通柴油相比，目前使用生物柴油的主要問題是本錢較高。為降低使用本錢，多采用在普通柴油中參加10％～20％的純生物柴油的方式。

20世紀90年代以來，美國、巴西、法國、意大利、澳大利亞、瑞典、比利時、加拿大、韓國、菲律賓、南聯(lián)盟等國家也先后對利用食用動植物油生產生物柴油進展過研究，并取得了一定的成果。2001年世界上生物柴油的產量已達200萬噸，主要分布在歐美興旺國家，其生物柴油稅率均為零。美國是最早研究生物柴油的國家，20世紀90年代初開場生產生物柴油，生產原料主要以外鄉(xiāng)大宗油料大豆油為主，有4家生物柴油生產和銷售公司，目前其總生產能力達30萬噸／年。日本1995年開場研究生物柴油，主要采用煎炸廢油來降低原料本錢。在1999年建立了／d用煎炸油為原料生產生物柴油的工業(yè)化實驗裝置，目前日本生物柴油年產量可達40萬噸。

2001年歐洲生物柴油的產量突破100萬噸．生產原料主要是其傳統(tǒng)栽種的油料作物菜籽油。德國目前已擁有9個生物柴油的工廠，產量達40萬噸，擁有300多個生物柴油加油站，并且制定了生物柴油的標準DINV51606。法國目前已擁有7個生產生物柴油的工廠，最大的生產規(guī)模為12萬噸／年。意大利是目前歐盟生物柴油使用較廣的國家，已有6個生物柴油的企業(yè)，并準備建立歐盟最大的年產25萬噸庳生物柴油的裝置。

我國1981年已有用菜籽油、木油、茶油、棉籽油、烏桕油等植物油生產生物柴油的報道。近年來，中國科學技術大學、**石油化工學院、化工大學和**大學等科研院所都先后研制成功利用草本油料如：菜籽油、花生油、大豆油等，木本油料如：小桐籽油、黃連木籽油和油茶籽油等，工業(yè)油腳和廢食用油如：米糠油或油茶籽油下腳料、工業(yè)豬油、工業(yè)牛油等作為原料，經預酯化，再酯交換生產生物柴油的工藝。

生物柴油的生產有脂肪酶法和化學法兩種。脂肪酶法是油脂借助脂肪酶與低碳醇進展酯交換反響，采用酶固定化技術，反響物中的游離脂肪酸和水對酶的催化效應無影響，這種方法最適宜采用餐飲業(yè)廢油脂生產生物柴油。酶法合成生物柴油的關鍵是高效的脂肪酶。日本利用脂肪酶在分段反響器中通過流加甲醇生產生物柴油，產品中脂肪酸甲酯的體積分數(shù)可以到達％以上，并且經過100天的反響，酶不會失活?；ご髮W采用自己開發(fā)的酵母脂肪酶開展酶法合成生物柴油研究，其生物柴油轉化率已到達96％，固定化酶半衰期達200h以上。脂肪酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用量少、無污染排放等優(yōu)點，但難點是：(1)不使用有機溶劑就達不到較高的酯交換率，無溶劑時甲醇和乙醇的轉化率為40％～60％；(2)反響系統(tǒng)中的甲醇到達一定量時，脂肪酶就失活：(3)副產甘油和水難以回收，不但對產物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶壽命縮短，同時酶的價格較高。

化學法主要有直接使用和混合法、微乳法、熱裂解法和酯交換法。目前，國際上商業(yè)化生產生物柴油主要采用酯交換法，即在一定溫度下，甘油三酸酯與醇在酸、堿或酶等催化劑作用下酯交換得到脂肪酸甲酯和甘油。由于酯交換反響是可逆平衡反響，過量的醇有利于提高反響產率。

在同一反響時間和溫度條件下，醇類的碳鏈越短，甘油三酸酯的轉化率越高。按化學計量法計算，甘油三酸酯需3mol甲醇進展酯交換。用酯交換法生產生物柴油，國內外都已工業(yè)化，還有一些新工藝在研究中，并有大量的專利覆蓋。

據(jù)報道，用于制備生物柴油的酯交換方法主要有強酸催化酯交換、強堿催化酯交換、酶法催化酯交換、多相催化酯交換、均相體系催化酯交換和超臨界酯交換等。酸催化酯交換適用于脂肪酸和水含量高的油脂制備生物柴油，常用的催化劑有濃硫酸、苯磺酸和磷酸。堿催化酯交換反響的速率比酸催化要快得多，常用堿催化劑有甲醇鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉和碳酸鉀等。

傳統(tǒng)的酸堿催化制備生物柴油存在工藝復雜，醇消耗量大，產物難回收，環(huán)境污染大等缺點。酶催化制備生物柴油具有條件溫和，醇用量小，產品易于收集，無污染排放等優(yōu)點。但反響時間較長，且分子篩和固體堿制備本錢以及酶的價格比較高。均相體系催化酯交換通過在堿催化酯交換的根底上參加共溶劑或者附加超聲波，反響時問大大縮短，仍然存在皂化物別離難的問題。而超臨界酯交換過程中，酯交換反響速率快，產品的別離提純簡單和產率高，且該方法對油脂中的游離脂肪酸和水的含量無任何要求。由于高溫高壓，該方法對于設備要求相當高且能耗大。

目前，一個制約生物柴油開展的因素是油料作物本錢太高，生物柴油的生產本錢約為人民幣，H屯，其中植物油原料價格約為4000人民幣／噸，廢食用油原料價格約為1500人民幣，噸，油腳原料價格約為2900人民幣，噸，付產物甘油的售價為100(30人民幣，噸，而石油柴油的售價僅為3500人民幣，噸。因此，必須建立起植物油原料的穩(wěn)定、價廉、足量和保質的供應基地，在目前退耕還林、綠化荒山、改善生態(tài)環(huán)境的同時，應大規(guī)模種植適合不同地域的高產含油木本植物，如在北方石灰?guī)r山地種植黃連木，在西南地區(qū)山地種植麻瘋樹，在南方10省區(qū)丘陵地帶種植油茶樹。除此之外，由于當前采用食用油制備生物柴油不具有商業(yè)競爭力，建議采用價格低廉的油腳、餐飲業(yè)廢食用油等來生產生物柴油，這在當前是十分必要的，應大力開展。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國年排放廢食用油達180--240萬噸，造成了嚴重的環(huán)境污染及資源浪費。2004年我國植物油產量約為1000萬噸，產生油腳100萬噸以上。2004年食用油消費總量約為1400萬噸，產生廢油脂約萬噸。

油腳是油脂加工的副產品，其主要成分是磷脂、中性油、水分及其他類脂物。油腳**有20％左右的中性油脂可制取脂肪酸甲酯即生物柴油及甘油，這無疑為油腳的綜合利用提供了一條有利途徑。近年來，對油腳綜合利用的研究有了進展，而綜合利用油脂廠的各種植物油腳，如棉籽油油腳、菜籽油油腳、山茶油油腳等，進展深加工提取制備生物柴油與甘油是植物油腳綜合利用的一條途徑，具有很好經濟效益和社會效益。

食用油經高溫煎或炸，加工制作*些油炸食品時，加熱溫度高，油脂反復使用，則發(fā)生高溫氧化，這種氧化比常溫時油脂腐敗的自動氧化要劇烈得多；同時，食品中的水分會發(fā)生水解反響，致使顏色變深、粘度增加、持續(xù)起泡，發(fā)生煎炸油劣變。這種劣變油的必需脂肪酸和維生素根本全部破壞，而且經聚合作用會產生丙烯醛等大量有毒物質。這些煎炸油含有大量對人體有害的苯類成分，已經根本不能再食用，轉化成了廢食用油。

廢食用油又被稱為地溝油、泔水油。目前，我國對廢食用油再利用的研究正在起步階段，每天產生的大量的