新技术下的生物质能源开发利用
引言
随着日益严重的环境恶化，控制汽车尾气排放和温室效应，保护人类赖以生
存的自然环境成为人类急需解决的问题。同时全球能源需求不断扩大,寻求可以替代石油在能源结构中占主导地位的可再生清洁能源是目前普遍关注的热点。我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式,开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。生物质能源又称为“绿色能源”，这种能源有着其他类型能源无可比拟的优势，它是唯一一种能被存储的、可再生的碳源，含有较低的硫和氮，对环境污染不大;是目前技术较成熟且可制成交通液体燃料的优良替代能源；分布范围广，储量巨大。地球上每年产生的生物质总量（干量）约1400-1800亿吨,相当于每年世界耗能量的10倍，是以生物质为载体的能源，是除煤、石油、天然气外占世界能源资源第四位的可再生能源资源，可提供世界范围内约14％的能源需求。
传统生物质能源利用是古来就有的，它伴随着人类一路走来,在人类文明发展中有着不可替代的重要作用。自从发现化石能源——煤炭和石油后,传统生物质能源才逐渐被化石能源所取代。
然而传统的生物质能源利用，无非就是直接焚烧,这种方法能效低、产生较多的污染物，在发达地区已经不再提倡使用。现在,如何高效利用生物质能源、现代生物质能源利用技术如何与产业紧密结合，实现产业化发展，已经成为当代生物质能研究的热门话题。现代生物质能源开发利用指的是借助热化学、生物化学等手段，通过一系列先进的转换技术，生产出固、液、气等高品位能源来代替化石燃料，进而为人类生产、生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品。
产业化较为成熟的现代生物质能源技术主要包括燃料乙醇技术、生物柴油技术以及沼气技术等【1】。本文将举例分别论述三种生物质能源的发展和趋势，也分别介绍三种技术领域的一些工艺。
1、燃料乙醇技术的发展、趋势及工艺 1．1、燃料乙醇技术的发展及趋势
燃料乙醇是一种可再生能源，主要原料有甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴树等。燃料乙醇可作为新的燃料替代品,可减少对不可再生能源-石油的依赖,保障本国能源的安全另外，若向汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷值，可以有效的提高汽油的抗爆性。燃料乙醇的应用还可以减少对矿物燃料的应用从而减少对大气的污染。燃料乙醇的生产工艺主要是发酵法生产乙醇，然后乙醇脱水制得燃料乙醇。
1998年我国开始推广乙醇汽油，当时由于粮食库存积压，储藏这些陈化粮食使国家财政不堪重负，因此我国开始考虑用小麦和玉米等陈化粮生产燃料乙醇。这样不断可以消化陈化粮，而且又解决了能源紧缺问题。然而随着世界粮食短缺危机的出现，发展燃料乙醇受到一些专家的质疑，生产1吨燃料乙醇需要3.1吨粮食，燃料乙醇原料与粮食的争夺战日趋白热化，导致燃料乙醇“与民争粮，与粮争地”。因此“十一五”期间我国对已备案尚未建的用玉米生产乙醇的项目全面叫停，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。
现在随着技术发展，可用作制取乙醇的非粮原料有木薯，甘薯，甜高粱等，而纤维素和其他原料制乙醇在技术上也有相应的进步。如日本研究从橘渣中提取乙醇燃料【2】，2010年5月中旬，壳牌公司宣布开发出新一代木质纤维素基生物燃料【3】。以后的燃料乙醇技术也主要是纤维素原料为主。
1.2、燃料乙醇技术的工艺介绍
海带发酵生产乙醇及其影响因素的控制研究【4】——以海带为原料，在实验室条件下。通过微生物发酵过程，建立了海带生产乙醇的工艺流程，并对影响因素及其控制进行了研究。实验结果表明，海带通过发酵过程能使部分碳水化合物转 变为乙醇 ，控制温度3O～35℃、pH值为6～7和发酵时间6～7 d，可以获得最大的乙醇产率；酵母培养液磷酸盐和镁离子的最适营养浓度分别为3 g／L和 1．5
g／L。这不仅为利用海带发酵生产乙醇提供了重要的技术参数，而且对开辟新的海藻生物能源具有一定的实践意义。
1.3、燃料乙醇工艺评价：
海藻是一种进行光合作用的海洋生物，它们将阳光、水和二氧化碳转变成为藻类的生物质，这使许多藻类富含碳水化合物，而碳水化合物是生产生物能源的基本原料。海洋占地球面积约70％，海洋藻类资源极为丰富，大型海藻为生物能源产业化提供了取之不尽、用之不竭的物质来源。海带类海藻植物在我国沿海的分布非常广泛，目前我国海带年产量占了全球年产量的95%。
尽管利用海带发酵生产乙醇在产率上无法与玉米、甘蔗等为原料的发酵过程相比，但是海带类海藻在总量上具有明显的优势，海藻的养殖不占用土地，我国近岸海域可为海带的养殖提供辽阔的空间，海带发酵生产乙醇的同时，还产出在工业上有广泛用途的丙三醇(甘油)等副产品，海带提取乙醇后的残渣还可以进一步综合利用，如通过厌氧消化产生甲烷，甲烷可以用来发电，为海带发酵生产乙醇过程提供所需要的全部能量 ，实现二氧化碳的零排放。因此，利用海带发酵生产乙醇生物能源，不仅具有减少二氧化碳排放的环境意义，同时在经济上也会产生较大的效益。
海洋生物能源在某种意义上来说给我提供了大量的原材料，而且它们具有很高的生物经济价值，如前不久日本研究人员从海藻中就成功提取出了可供燃烧的油脂【5】。还有美国科学家用可光合作用的海藻细胞产生出了电流【6】。因此我们在开发利用各种新能源过程中，一定要注意对海洋生物能源的充分利用。
2、生物柴油技术的发展、趋势及新工艺 2．1、生物柴油技术的发展及趋势
生物柴油是生物质能的另外一种形式，其主要成份是动植物油脂转化而来的高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物，其物化性能与石化柴油相近，可以直接代替石化柴油或与普通石化柴油以一定比例互溶代替石化柴油使用而得名。生物柴油是典型“绿色能源”，近几年由于全球油价飙升而得到了快速发展。原料上，中石化、中石油、中海油开始争抢国内外的木本油脂：棕榈树和麻疯树。中石化准备在印尼投资数十亿美圆种植棕榈树，并计划在贵州、云南等种植麻疯树。
2007年世界粮食和食用油价格都大幅上涨，其中的一个最主要原因就是生物燃料的发展。2007年以来，我国菜籽油、豆油及棕榈油价格上涨幅度均超过50%。在植物油价格整体上涨的情况下，国内菜籽、大豆、花生等油籽价格也明显上涨。显然，采用粮食作物生产生物柴油，将可能会影响粮食安全，更重要的是影响我国的繁荣和稳定。因此，国家从层面上已经考虑“油菜等可食用油脂转化生物柴油”。针对我国的国情，非粮生物柴油将是大势所趋。“非粮原料”来自“边际性土地种植的能源植物”，比如种植麻疯树、黄连木等用作生物柴油原料【7】。从近期看，我国生物柴油原料主要是废弃油脂或非食用油脂为主，比如地沟油、酸化油、动物脂肪等，从长期发展来看，我国生物柴油原料将以木本植物油，甚至以藻类等为主.
2．2、生物柴油技术的工艺介绍
微藻生物柴油【8】——微藻不是一个分类学的名词,而是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类群体。微藻通常是指含有叶绿素a并能进行光合作用的微生物的总称。微藻生物柴油主要是选育快速生长和高脂质含量的微藻,优化培养条件和工艺,在光生物反应器工程中充分利用生物炼油厂的理念和发展,采用大规模生产来降低生产成本。此外,生产低成本的微藻生物柴油的主要途径是通过遗传和代谢工程改善藻类生物,大幅提高其生长速度和脂质产量。
2.3、生物柴油技术的工艺评价
微藻生物柴油是唯一能满足全球需求的可再生的生物柴油,具有诸多优点,完全有可能取代来自石油液体燃料。但目前生产微藻生物柴油的主要存在的成本问题必需大幅改善,才能与石化汽油抗衡。生产低成本的微藻生物柴油的主要途径是通过遗传和代谢工程改善藻类生物,大幅提高其生长速度和脂质产量。然而,生物体内脂质积累过程和调节机制非常复杂,导致脂质积累过程中某一关键蛋白的过量表达受到其他关键路径的并不能有效提高脂质产量。因此,针对某一特定路径的基因工程改造对脂质积累的作用是非常有限的。完整描述脂肪酸合成和脂质积累,进一步研究脂质代谢各路径的机制具有重大指导意义。 除此之外，在生物柴油技术的利用过程中，我认为还要结合现有的基因工程技术，微生物技术及其他先进技术，改变原料的遗传代谢性状从而提高效率，如近期美国科学家近日发现了从城市污水淤泥中提取生物柴油的新技术【9】，这样
可以使成本更加低廉，变废为宝，达到开发能源和治理环境双赢的目的。因此基于脂质合成和代谢路径与调解机制相结合的基因工程改造将是以后工程微藻研究的主攻方向。
3、沼气技术的发展、趋势及新工艺 3.1沼气技术的发展和趋势
沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度和酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用产生的一种可燃性气体。经过多年的研究开发。目前，我国的农村户用沼气技术逐步成熟。在建池方面，目前广泛采用混凝土现浇施工工艺，组装式沼气池正在发展，而且通过专业化施工，由经过专门培训的技术人员和施工队建池，保证沼气池使用寿命达到20年以上。在池型方面，已经研究出适应不同原料、不同气候、不同使用条件的标准化系列池型。在使用管理方面，开发出了各种方便实用的进出料装置和工具，由大进料大出料发展到随时进料自动或半自动出料，使沼气池的使用管理变得简单易行。在综合利用方面，优化和完善了我国南方“猪沼果”、北方“四位一体”、西北“五配套”等能源生态模式。沼气产业规模发展不断扩大。目前秸秆沼气集中供气技术已在全国100多个村进行示范推广，效果较好。
3.2、沼气技术的工艺介绍
沼气使用有以下几种模式：
1、“粮→猪→沼→粮”模式【10】。即用粮食作物秸秆配合饲料喂猪，猪粪尿下池产沼气，沼气煮饭点灯，沼肥用于肥田，沼液喂猪。
2、“鸡→猪→沼→菜”模式。即猪圈上建鸡舍养鸡，鸡粪落下来喂猪，猪圈下建沼气池，沼气煮食，沼肥返地种菜。此模式适合城镇附近的农户，以向城镇提供商品肉食，蛋品和蔬菜为主。最大的特点是能够充分利用时间、空间和劳力，实现“以沼促菜，以菜促猪，以猪促沼”的良性循环。
3、“鸡→猪→沼→孵鸡”模式。即鸡粪喂猪，猪粪下池，沼气用于孵鸡，沼渣饲养蚯蚓，沼液种青饲料，蚯蚓和青饲料再用来喂鸡和猪。该模式利用沼气孵鸡，可降低成本，不受煤、油、电不足的制约。
4、“猪→沼→果”模式。适合田少山地多，以栽种经济作物和果木为主的农户，即以沼气为纽带，连动畜牧业、果业、种植业等相关产业共同发展。其基本内容是“户建1个池，人均年出栏2头猪，种好1亩果”。猪粪下池产气，沼气用于炊具照明，沼液喂猪，沼肥施果树。沼液作添加剂喂猪，增重快，可节约饲料1/5；施用沼肥的果树，能多长5到10个枝梢，抗旱、抗寒和抗病能力增强，水果品质提高1到2个等级。
5、“猪→沼→鱼”模式。适合畜牧、水产养殖专业户。利用沼液和部分畜粪养鱼，塘泥返田作肥料，沼气点灯诱蛾灭虫喂鱼。
6、“猪→沼→菇”模式。即猪粪下池产气，沼渣培育食用菌，菌糠肥料下田，沼液喂猪。这种模式适合经济不发达地区，沼渣经过沼气池厌氧灭菌处理，没有粪虫，用沼渣作培养料，杂菌污染的可能性小。
3.3、沼气技术的工艺评价
以上沼气的几种模式设计是遵循了因地制宜的原则，在使用过程中具有可实施性，但是仍要注意一些问题，如原料不足，原料过剩，工程建设的技术和质量问题，以及建成后的使用过程中要注意日常维护。沼气技术使用时要注重沼气综合利用，实现农业资源多层次、多方位利用并形成良性循环，最终才能达到能源效益、经济效益、生态效益和社会效益的统一。
4、结论与讨论
生物质能源开发与利用是当下的热点问题，目前发展比较成熟的三种产业技术是燃料乙醇，生物柴油和沼气技术。这三种技术的生产工艺和模式基本成熟。但是原料方面，生物质能的的原料要向各种非粮作物及各种能源植物发展，这也是生物质能源发展需要进一步研究的问题。在应用方面，新能源汽车，新能源飞机也应运而生。作为一种趋势和潮流，新能源汽车赢得了主流国家的认同【11】。 由于我的专业背景知识，我对新能源的利用特别是生物质能源的开发和利用比较感兴趣。对于发展可再生能源，我今天所涉及的生物质能只是其中非常重要的一方面，而为了今后更好的发展，我们则需要把各种可再生能源结合起来，如：太阳能、风能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量等。走多样化道路，发展适合具体情况的能源模式。另外，前不久美国研究人员通过对大肠杆菌进行基因改造，可以使它逐渐转化为生物燃料，
【12】
这一技术就有望为生物能源提供更多原料。 这就提示我们要结合生物学的各
项工程技术如基因工程技术，发酵工程技术等开发生物质能源。
参考文献：
【1】 三种生物燃料技术及其发展，中国生物能源化工网，2010-5-13. 【2】 日本研究从橘渣中提取乙醇燃料，生物谷网站，2010-5-13. 【3】 壳牌开发出新一代木质纤维素基生物燃料，生物谷网站，2010-5-20.
【4】 张志奇，翁焕新，海带发酵生产乙醇及其影响因素的控制研究，能源工程，2009，
6.
【5】 日本从海藻中成功提取可供燃烧油脂，中国能源报，2010-4-15. 【6】 利用可光合作用的海藻细胞产生电流，中国能源信息网，2010-4-19.
【7】 李剑泉，侯建筠，李智勇，中国林业生物能源开发优势与发展机遇，林业科技，2010,35
（1）.
【8】 夏金兰等，微藻生物柴油的现状与进展，中国生物工程杂志 2009, 29(7):118～
126.
【9】 新技术从城市污水淤泥中提取生物柴油，人民网，2010-5-26.
【10】 毛传云张建中, 浅谈农村沼气技术与发展前景,安徽农学通报，2009,15（21）. 【11】 生物质能的发展展望,生物谷，2009-10-24.
【12】 研究指出用特定基因改进微生物可降低生物燃料成本，国际新能源网，2010-6-1.
