生物技术在生物能源领域的研究报告现状及展望

-.z业生物技术在生物能源领域的研究现状及展望来源:.qinghualunwen.摘要：工业生物技术是中国国民经济**可持续开展最有希望的高新技术之一，是以微生物细胞或酶为催化荆进展生物质转化，进展新医药、新能源和新材料等人类所需的精细化学品的大规模生产，是懈决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。本文概述了工业生物技术在生物能源，尤其是生物柴油方面的研究现状与开展趋势，展望了我国工业生物技术在生物能源领域的开展前景。

关键词：工业生物技术；生物能源：燃料酒精：生物柴油；生物制氢：废食用油

1工业生物技术的研究现状与开展趋势

以石油、煤炭和天然气等化石资源为经济根底的近现代工业文明取得了辉煌的成就，进入世纪，面对化石资源的不断枯竭和环境污染的日益加重，化学工业的生产模式即将转向以工业生物技术为核心技术、以生物可再生资源为原料、以生物可再生能源为能源的环境友好、过程高效的新一代清洁化工生产模式。

所谓的工业生物技术就是以微生物细胞或酶为催化剂进展生物物质转化，大规模生产人类所需的新医药、新能源和新材料等精细化学品的环境友好型、清洁化工生产型高新技术，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段，可为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。

由于分子生物学的突破性成就，生物技术为现代医药、现代农业和现代工业领域带来了革命性的飞跃。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术已被人们普遍视为生物技术革命的第三个浪潮，其地位不亚于发生在20世纪的前两次生物技术革命浪潮一医药生物技术和农业生物技术。

近年来，随着基因组学、蛋白质组学等现代生物技术的快速开展，极大地推动了工业生物技术的根底和应用研究。人类基因组学及相关研究有力推动了医药生物技术的开展，动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技术的开展，微生物基因组学及相关研究有力地推动了工业生物技术的开展。将微生物物种的多样性及其基因改造的巨大潜力与现代工程技术相结合，将为人类提供了新的历史机遇，将为工业生物技术的开展提供更加诱人的前景。可以预见，21世纪将是工业生物技术崛起的新纪元。

中国十分重视工业生物技术的开展，国家中长期科学与技术规划中将工业生物技术列为重点研究的领域，国家863方案中增列工业生物技术专题，国家973方案将生物催化工程立项。与欧美兴旺国家一样，中国工业生物技术产业开展也较快。但总体来说，我国是工业生物技术产业大国，但还不是强国。大力开展工业生物技术，为最终解决医药、能源和材料的生物制造提供技术支持，这对我国的经济**可持续开展，对解决我国资源和能源短缺问题，对加强我国的国际竞争力具有重要的战略意义。

2生物能源的研究现状与开展趋势

生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源等，在中国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源。大力开展我国的生物能源不仅有利于能源的多样性保护和提高国家经济的平安性，而且有利于减少环境污染和缓解能源危机。既符合现阶段我国的国情，又符合经济可持续**开展的战略。

目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、沼气、生物制氢和生物柴油等。其中，燃料酒精和生物柴油将是我国当前的开展重点。目前，采用纤维素为原料大规模生产燃料酒精的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。生物柴油大规模生产的挑战性在于脂肪和油的来源有限，且原料本钱占到生物柴油本钱的60％～75％。但从技术上讲，生物柴油的生产比燃料酒精和生物制氢简单。

2．1燃料酒精燃料酒精又称变性燃料乙醇，可分为替代燃料和燃料添加荆两种，是清洁汽油的主要代替物，已在一些国家和地区得到大量使用。目前燃料酒精正处于类似当年石油化工初级开展阶段和石油取代煤炭成为主要能源的商业萌芽阶段。许多农业资源丰富的国家如巴西、美国、英国、荷兰、德国等国的政府均已制定规划，积极开展燃料酒精工业。我国酒精年产总量仅次于巴西和美国，排位世界第3。

目前，发酵法生产燃料酒精占绝对优势，80％左右的酒精是用谷物淀粉原料，10％的酒精用废糖蜜生产，以纤维素原料生产的酒精仅占2％左右。用糖蜜生产酒精是工艺最为简单、本钱最为低廉的方法，在南美洲如巴西、阿根廷等国广泛使用。巴西以甘蔗作为原料，每年生产1100万吨燃料酒精。北美和欧洲等国广泛使用以谷物淀粉作原料生产酒精，美国2002年以淀粉为原料生产的燃料酒精售价≤0．40美元，L，年产能力可到达800万吨，年。以植物秸秆等纤维素为原料生产酒精是最具挑战性的课题，也是美国能源部重点支持的工程，因为美国每年产生的纤维素生物质量到达3．0亿t，全球纤维素年生物量可达150亿t。未来10年内，以植物木质纤维素为原料生产乙醇用于燃料等市场将形成一个大工业。

由于具体国情所限，中国燃料酒精的生产不能沿用国外采用粮食作物为原料的方法，而应大力研究和推广采用我国丰富的植物纤维素为原料的发酵生产工艺。

目前用植物木质纤维素为原料制造乙醇的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。纤维素原料的预处理技术主要有化学法和酶法。化学法一般采用酸水解法。目前应用抗酸膜将纤维素物质酸解物中的糖和酸别离，一方面获得由纤维素降解产生的糖，另一方面则回收盐酸和硫酸。利用这一技术，从木材酸解生产葡萄糖的费用与淀粉水解生产葡萄糖的费用大体相当。

酶法水解的关键是纤维素酶的本钱。目前美国在纤维素酶的开发上有了较大突破，建立了世界最大的纤维素处理装置，投产后预计其燃料酒精本钱可降到029美元，L，可与以谷物淀粉为原料生·S5·产的酒精相竞争。

利用植物木质纤维素为原料发酵制备酒精的另一个问题是如何利用植物纤维原料中的戊糖约占20％～30％)。迄今已发现100多种微生物可代谢木糖生成酒精，包括细菌、丝状真菌和酵母，特别是生物基因工程的开展，产生了大量可利用木糖的基因工程菌。

2．2生物制氢

氢气是目前最理想的清洁燃料之一。氢气的制备方法有太阳能制氢、水电解法制氢、天然气或工业尾气别离制氢和生物制氢等。从目前世界氢产量来看，96％是由天然的碳氢化合物如天然气、煤和石油产品中提取的，4％是采用水电解法制取的。化学方法制氢要消耗大量的矿物资源，而且再生产过程中产生的污染物对地球环境造成破坏。利用生物方法进展氢气生产，受到世人关注。

生物制氢是利用*些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术，包括生物质气化制氢和微生物发酵制氢。所用原料是阳光和水，也可以是有机废水、秸秆等。生物制氢思路于年提出，在20世纪90年代受到空前重视。迄今为止生物制氢一般采用的微生物有光合菌、蓝绿藻、细菌等，其主要方法有：利用蓝绿藻生物光解水，有机化合物光合细菌光分解法：厌氧细菌、兼性厌氧细菌、好氧细菌发酵法。光合细菌和厌氧细菌的转化效率高，而且底物利用广。因此，现在的研究主要集中在光合细菌(包括绿藻、蓝细菌)和厌氧细菌。

光合细菌可利用光合机构转化太阳能为氢能，即光裂解水产氢。从理论上是理想制氢途径。

目前研究较多的是蓝细菌，但蓝细菌作为产氢来源似乎并不适宜，因为在光合放氢的同时，伴随氧的释放，易使氢酶失活。除了产氢效率较低外，如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。发酵细菌是另一类在代谢中产生氢气的微生物。该类微生物具有可降解大分子有机物产氢的特点，因而可以生物转化可再生能源物质(纤维素及其降解产物和淀粉等)生产氢能。

为降低本钱，微生物制氢一般采用固定化细胞，有关制氢固定化细胞反响器有填充床和流化床等。生物制氢至今没有产业化的主要问题是本钱高，而利用工业和农业废弃物发酵制氢可大大降低本钱。有机废水废弃物生产氢能．既有利于环境治理，又可回收能源、降低本钱。是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型环保产业。是值得提倡的研究与开发方向。

对于生物制氢，氢气的纯化与储存是一个很关键的问题。生物法制得的氢气的体积分数通常为60％～90％，气体中可能混有C02、02和水蒸气等。

3．3沼气

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87％，是其他加工技术所难以到达的。沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。主要有农村家用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化沼气池等。沼气技术将是我国农村开展节约型社会和循环经济的一大开展方向。

2．4生物柴油

生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在下，发生酯化反响，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃烧。生物柴油环境友好，无需对现有柴油发动机进展任何改造即可使用，且对发动机有保护作用。目前世界上生物柴油产业开展迅速，美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极开展这项产业。欧盟国家主要以油菜为原料，2001年生物柴油产量已超过100万吨。

我国政府已将生物柴油研究开发工作列入有关国家方案，近年来相继建成如**正和生物能源**等诸多年产量超万吨的生物柴油生产企业。预计到2010年，我国生物柴油需求量将突破万吨。立足于本国原料大规模生产替代液体燃料一生物柴油，对增强我国石油平安具有重要的战略意义。

3生物柴油的研究现状与开展趋势

1900年，巴黎博览会上第一次展示的发动机是用花生油作燃料的。1912年，RudolfDiesel在美国密苏里工程大会上说：“用菜籽油作发动机燃料在今天看起来并没有太大的意义，但将来会成为和石油一样重要的燃料〞。1983年，Quick首先将亚麻籽油甲酯用于发动机，并将可再生的油脂原料经过酯交换反响所得到的脂肪酸单酯定义为生物柴油(Biodiesel)。

所谓生物柴油是指采用来自动植物的脂肪酸与甲醇(或乙醇)经酯交换反响而得到的长链脂肪酸甲酯，是一种可以替代普通石油柴油的可再生的清洁燃料。植物油脂的平均分子量远大于石油柴油的平均分子量，直接用作燃料时存在着粘度大、易积炭等缺点。但作为直链脂肪酸甘油酯的植物油脂，与甲醇酯交换后，分子量由原来的900左右降至300左右，接近于石油柴油的分子量，并具有与石油柴油相近的性能。

和普通柴油相比，生物柴油具有以下优点：以可再生的动物及植物脂肪酸为原料，可减少对石油的需求量和进口量；采用生物柴油的尾气中有毒有机物、颗粒物和C02和CO的排放量分别为普通柴油的10％、20％和10％，无S02和铅等有毒物的排放，混合生物柴油可将排放物的含硫体积分数从500×10击降低到5×10击。与普通柴油相比，目前使用生物柴油的主要问题是本钱较高。为降低使用本钱，多采用在普通柴油中参加10％～20％的纯生物柴油的方式。

20世纪90年代以来，美国、巴西、法国、意大利、澳大利亚、瑞典、比利时、加拿大、韩国、菲律宾、南联盟等国家也先后对利用食用动植物油生产生物柴油进展过研究，并取得了一定的成果。2001年世界上生物柴油的产量已达200万吨，主要分布在欧美兴旺国家，其生物柴油税率均为零。美国是最早研究生物柴油的国家，20世纪90年代初开场生产生物柴油，生产原料主要以外乡大宗油料大豆油为主，有4家生物柴油生产和销售公司，目前其总生产能力达30万吨／年。日本1995年开场研究生物柴油，主要采用煎炸废油来降低原料本钱。在1999年建立了／d用煎炸油为原料生产生物柴油的工业化实验装置，目前日本生物柴油年产量可达40万吨。

2001年欧洲生物柴油的产量突破100万吨．生产原料主要是其传统栽种的油料作物菜籽油。德国目前已拥有9个生物柴油的工厂，产量达40万吨，拥有300多个生物柴油加油站，并且制定了生物柴油的标准DINV51606。法国目前已拥有7个生产生物柴油的工厂，最大的生产规模为12万吨／年。意大利是目前欧盟生物柴油使用较广的国家，已有6个生物柴油的企业，并准备建立欧盟最大的年产25万吨庳生物柴油的装置。

我国1981年已有用菜籽油、木油、茶油、棉籽油、乌桕油等植物油生产生物柴油的报道。近年来，中国科学技术大学、**石油化工学院、化工大学和**大学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、黄连木籽油和油茶籽油等，工业油脚和废食用油如：米糠油或油茶籽油下脚料、工业猪油、工业牛油等作为原料，经预酯化，再酯交换生产生物柴油的工艺。

生物柴油的生产有脂肪酶法和化学法两种。脂肪酶法是油脂借助脂肪酶与低碳醇进展酯交换反响，采用酶固定化技术，反响物中的游离脂肪酸和水对酶的催化效应无影响，这种方法最适宜采用餐饮业废油脂生产生物柴油。酶法合成生物柴油的关键是高效的脂肪酶。日本利用脂肪酶在分段反响器中通过流加甲醇生产生物柴油，产品中脂肪酸甲酯的体积分数可以到达％以上，并且经过100天的反响，酶不会失活。化工大学采用自己开发的酵母脂肪酶开展酶法合成生物柴油研究，其生物柴油转化率已到达96％，固定化酶半衰期达200h以上。脂肪酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量少、无污染排放等优点，但难点是：(1)不使用有机溶剂就达不到较高的酯交换率，无溶剂时甲醇和乙醇的转化率为40％～60％；(2)反响系统中的甲醇到达一定量时，脂肪酶就失活：(3)副产甘油和水难以回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶寿命缩短，同时酶的价格较高。

化学法主要有直接使用和混合法、微乳法、热裂解法和酯交换法。目前，国际上商业化生产生物柴油主要采用酯交换法，即在一定温度下，甘油三酸酯与醇在酸、碱或酶等催化剂作用下酯交换得到脂肪酸甲酯和甘油。由于酯交换反响是可逆平衡反响，过量的醇有利于提高反响产率。

在同一反响时间和温度条件下，醇类的碳链越短，甘油三酸酯的转化率越高。按化学计量法计算，甘油三酸酯需3mol甲醇进展酯交换。用酯交换法生产生物柴油，国内外都已工业化，还有一些新工艺在研究中，并有大量的专利覆盖。

据报道，用于制备生物柴油的酯交换方法主要有强酸催化酯交换、强碱催化酯交换、酶法催化酯交换、多相催化酯交换、均相体系催化酯交换和超临界酯交换等。酸催化酯交换适用于脂肪酸和水含量高的油脂制备生物柴油，常用的催化剂有浓硫酸、苯磺酸和磷酸。碱催化酯交换反响的速率比酸催化要快得多，常用碱催化剂有甲醇钠、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾等。

传统的酸碱催化制备生物柴油存在工艺复杂，醇消耗量大，产物难回收，环境污染大等缺点。酶催化制备生物柴油具有条件温和，醇用量小，产品易于收集，无污染排放等优点。但反响时间较长，且分子筛和固体碱制备本钱以及酶的价格比较高。均相体系催化酯交换通过在碱催化酯交换的根底上参加共溶剂或者附加超声波，反响时问大大缩短，仍然存在皂化物别离难的问题。而超临界酯交换过程中，酯交换反响速率快，产品的别离提纯简单和产率高，且该方法对油脂中的游离脂肪酸和水的含量无任何要求。由于高温高压，该方法对于设备要求相当高且能耗大。

目前，一个制约生物柴油开展的因素是油料作物本钱太高，生物柴油的生产本钱约为人民币，H屯，其中植物油原料价格约为4000人民币／吨，废食用油原料价格约为1500人民币，吨，油脚原料价格约为2900人民币，吨，付产物甘油的售价为100(30人民币，吨，而石油柴油的售价仅为3500人民币，吨。因此，必须建立起植物油原料的稳定、价廉、足量和保质的供应基地，在目前退耕还林、绿化荒山、改善生态环境的同时，应大规模种植适合不同地域的高产含油木本植物，如在北方石灰岩山地种植黄连木，在西南地区山地种植麻疯树，在南方10省区丘陵地带种植油茶树。除此之外，由于当前采用食用油制备生物柴油不具有商业竞争力，建议采用价格低廉的油脚、餐饮业废食用油等来生产生物柴油，这在当前是十分必要的，应大力开展。据不完全统计，全国年排放废食用油达180--240万吨，造成了严重的环境污染及资源浪费。2004年我国植物油产量约为1000万吨，产生油脚100万吨以上。2004年食用油消费总量约为1400万吨，产生废油脂约万吨。

油脚是油脂加工的副产品，其主要成分是磷脂、中性油、水分及其他类脂物。油脚**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，这无疑为油脚的综合利用提供了一条有利途径。近年来，对油脚综合利用的研究有了进展，而综合利用油脂厂的各种植物油脚，如棉籽油油脚、菜籽油油脚、山茶油油脚等，进展深加工提取制备生物柴油与甘油是植物油脚综合利用的一条途径，具有很好经济效益和社会效益。

食用油经高温煎或炸，加工制作*些油炸食品时，加热温度高，油脂反复使用，则发生高温氧化，这种氧化比常温时油脂腐败的自动氧化要剧烈得多；同时，食品中的水分会发生水解反响，致使颜色变深、粘度增加、持续起泡，发生煎炸油劣变。这种劣变油的必需脂肪酸和维生素根本全部破坏，而且经聚合作用会产生丙烯醛等大量有毒物质。这些煎炸油含有大量对人体有害的苯类成分，已经根本不能再食用，转化成了废食用油。

废食用油又被称为地沟油、泔水油。目前，我国对废食用油再利用的研究正在起步阶段，每天产生的大量的