生物柴油的研究进展

书书书中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２６（１１）：８７～９０生物柴油的研究进展沈臖臖１，２　迟晓元１，２　杨庆利１，２　赵宗保３　张　卫３　秦　松１（１中国科学院海洋研究所　青岛　２６６０７１　２中国科学院研究生院　北京　１０００４９）（３中国科学院大连化学物理研究所　大连　１１６０２３）摘要　生物柴油是重要的新型可再生能源。阐述了生物柴油的主要特性及其对环境保护、能源安全、农业生产的意义。由于我国耕地有限，所以完全效仿国外的模式不符合我国的国情。并且原料油成本过高一直是制约生物柴油产业化发展的瓶颈，所以我国应该对生物柴油原料进行多方面研究。因此就生物柴油原料展开了详细地分析，并展望了我国生物柴油的发展前景。关键词　生物柴油　可再生能源　原料　前景中图分类号　Ｑ８１９收稿日期：２００６０８１７　　修回日期：２００６０９２２通讯作者，电子信箱：[e-mail]　　随着经济的迅速发展，全球性的能源短缺及环境污染问题日趋严重［１］。我国人均化石资源贮量十分有限，但能源需求量却与日俱增。开发和利用立足于本国的可再生能源，是保障我国社会经济可持续发展的重大战略措施之一。　　生物柴油是一种清洁的可再生能源，其化学成分主要为长链脂肪酸的甲酯或乙酯。生物柴油一般是采用可再生的油脂资源（如动物、植物或微生物油脂，以及餐饮废油等）经过酯化或转酯化工艺制得的、是性质与普通柴油非常相似的液体燃油［２，３］。作为一种极具潜力的化石能源替代品，生物柴油的开发和应用正受到世界各国的普遍重视［４］。１　生物柴油的特性及开发意义１．１　生物柴油的特性和对环境保护的意义　　与传统柴油相比，生物柴油具有环境友好、润滑性能好、储运安全、抗爆性好和燃烧充分等优良性能，还具有能量密度高、可再生、易生物降解以及含硫量低等特点［５］。生物柴油中硫含量极少，可大大减少含硫物质的污染问题，又因其含氧量高，一氧化碳的排放量约为普通柴油的１０％，二氧化碳的排放量远低于植物生长过程中所吸收的二氧化碳，可以很大程度缓解与改善目前全球面临的温室效应。使用生物柴油所产生的尾气中有毒有机物的排放量仅为普通柴油的１０％，颗粒物为２０％，且生物柴油本身的生物降解率高达９５％以上，加之其燃点为１５０℃左右，比普通柴油在使用、运输、处理和储藏方面都更加安全［６～８］。目前各国大多使用２０％生物柴油与８０％石油柴油混配，这种混配的燃油适用于任何柴油发动机，并能直接利用现有的油品储存、运输和分销设施。１．２　生物柴油对我国能源安全的意义　　能源安全就是实现一个国家或地区国民经济持续发展和社会进步所必需的能源保障。我国现有的能源远远不能满足国民经济的快速发展和可持续发展，为了改善能源危机现状，必须尽快寻找新的能源来源，生物质是可再生资源，利用生物质生产生物柴油，可以保证能源的稳定供应。我国人均占有可开采石油资源十分贫乏，大约只有世界平均水平的１２％［９］，但能源的需求总量却增势强劲，是石油净进口国。生物柴油属于可再生能源的一种，更重要的是其来源具有稳定性，因而可长期缓解对化石资源的依赖，并保障社会和经济的可持续发展。１．３　生物柴油对我国农业生产的意义　　生物柴油的原料来源极其广泛。在我国与农业生产直接相关的主要包括各种植物油脂和微生物油脂的获得。广大农民可以通过种植木本油料植物或油料作物为生产生物柴油提供丰富的可再生原料，或者通过微生物发酵法利用和转化各种农林废弃木质纤维素原材料获取微生物油脂等［１０］。这不仅能改善油料作物中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．２６Ｎｏ．１１２００６的综合利用水平，增加农民收入，也为农村提供了许多新的就业机会，使农业与工业结合起来实现产业化生产，对于农业结构调整也具有重要意义。２　国外生物柴油的发展概况　　随着石油价格的攀升，许多国家都制订了生物柴油研究发展计划。上个世纪全球能源的消耗增长了１７倍，而诸如ＣＯ２，ＳＯ２和ＮＯｘ的排放物正是大气污染的主要来源，所以各国开始渐渐重视环境友好的生物能源的研究与生产［１１］。生物能源是在地理上比石油和核能源分布更均衡并且更广泛的可再生能源，而生物柴油是绿色可再生的生物能源。２．１　美　国　　美国最近提出的使生物能源产量在十年内增长三倍的新政策大大推动了各种生物能源的研究。按照国际能源组织的规划，在有足够的作物耕地供给的情况下，美国的近期目标是以生物能源替代掉６％的石化石油［１１］。美国在利用生物技术开发油料植物方面投入了很大科研力量，开始通过基因工程方法研究高油含量的植物。美国主要利用高产转基因大豆，发展以大豆为原料的生物柴油产业。２．２　欧　盟　　欧盟推出了一系列政策，鼓励在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物来生产生物柴油，一方面增加了种植作物的附加值，另一方面也利用了闲置土地［１２］。欧盟对生物质所转化的能源的利用近几十年迅猛增长，并计划在２０１０对生物质能源的利用达到６０００ＰＪ（为１９９９年的三倍）［１１］。并且欧盟对生物质的按照欧盟２００３年５月通过的《在交通领域促进使用生物燃料油或其他可再生燃料油的条例》要求，２０１０年生物质燃料应占欧盟燃料比重的５．７５％。欧盟开发的代表性的生物柴油生产技术有ＣＩＭＢＲＩＡＳＫＥＴＧｍｂＨ开发的生物柴油生产技术，采用甲醇钠碱性催化剂进行连续脱甘油酯交换工艺［１３］；ＬｕｒｇｉＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＧｍｂＨ开发的采用液体碱催化剂的二段酯交换、分离工艺；ＨｅｎｋｅｌＧｍｂＨ开发的以液体碱为催化剂，采用管式反应器和沉降槽的二段酯交换工艺。２．３　其它国家　　日本由于资源匮乏加之节能意识较强，所以利用废煎炸用油为原料开展生物柴油的研究，并已取得一些进展。日本还尝试利用一些化工废弃物（主要含有糖和短链脂肪酸）作为培养基产生物油脂。他们认为微生物被视为比现在广泛研究的产油微藻更有优越性。因为首先微生物的生长速率较快，而且能够高密度培养。再加上微生物能有效转化工业垃圾而累积油脂，实现了变废为宝的过程，也营造了一个环保节约的社会能源模式［１４］。在巴西东北部，适合种植蓖麻的土地有２００万公顷，几年之内，巴西蓖麻的年产量就可达到２００万吨，能生产生物柴油１．１２亿公升，并创造１０万个新的就业机会［１２］。为加快生物柴油和乙醇的产业化进程，印度计划委员会（ＰｌａｎｎｉｎｇＣｏｍｍｉｔｔｅｅ）于２００２年７月成立了生物燃料领导小组（ＣｏｍｍｉｔｔｅｅｏｎＢｉｏ?ｆｕｅｌｓ），领导小组经过调研制订了印度生物燃料的发展方针，领导小组筛选麻疯树Ｊａｔｒｏｐｈａｃｕｒｃａｓ作为最有种植潜力的油料作物品种，预期２０１１～２０１２年末使生物柴油的调和比例达到２０％。３　国内生物柴油的研究进展　　我国生物柴油的生产在政府的鼓励和支持下正蓬勃兴起，中国科学院及各大专院校纷纷开始从事相关课题的研究。我国的耕地面积有限，大面积种植产油植物势必与粮食争地，不太符合我国的国情。并且按常规的植物油转酯化的方法生产生物柴油，那么原料成本将高达总成本的７５％。成本过高一直是生物柴油发展的瓶颈问题，所以应该在降低原料成本上作出更大的努力，展开以各种生物质为原料的生产途径的研究，以期最大限度降低原料成本，增加生物柴油大规模产业化的可行性。我国就各种生物质原料作了一些初步的研究，并取得了一定的进展。３．１　以植物油脂为原料制取生物柴油　　利用油菜籽、大豆、花生以及各种油料作物所提取的油脂为原料。其中以油菜籽制取的生物柴油中不饱和脂肪酸甲酯含量较多［１５］。目前，基因工程改造油菜籽已取得了初步的进展，这是因为油菜作为我国最主要的油料作物，它与模式植物拟南芥同属十字花科芸苔属，亲缘关系非常相近，拟南芥功能基因可直接应用于油菜的表达调控。目前利用油菜制造生物柴油技术已有较为成熟的生产工艺，特别是我国运用具有自主知识产权的“底物竞争”基因调控技术育成反义ＰＥＰ“超油”油菜，大幅度提高了油菜含油量。由此可见，利用如油菜等油料作物进行生物柴油的生产将大有可为。　　利用木本油料植物制取生物柴油。我国产油林木种类丰富，常见的产油林木有油棕、麻疯树、光皮树、油８８２００６，２６（１１）沈臖臖等：生物柴油的研究进展茶等，我国有很多科研单位正在相继开展这方面工作，其中建立了良种供应基地的有１０种左右。这些产油林木可以大面积广泛种植，既营造了良好的生态环境，也带来了经济效益。　　利用滩涂能源植物制取生物柴油。某些滩涂耐盐植物，如海滨锦葵、碱蓬和海蓬子的种子也富含油脂。在海滨滩涂盐碱地开展此类植物的种植栽培，有望为生物柴油的生产提供廉价的原料来源。３．２　微生物发酵法制取生物柴油　　某些微生物如酵母、霉菌和藻类等在适合的条件下能将碳水化合物转化为油脂贮存在体内，称为微生物油脂。　　从含油酵母中提取油脂制取生物柴油。据报道国内已进行了广谱碳源产油酵母菌的筛选［１６］，其中油脂含量最高可达菌体干重的７０％以上。这些产油酵母菌能高效利用和转化各种农林废弃木质纤维素原材料［１０］。本实验室研究表明，产油酵母可利用海洋滩涂耐盐植物大米草的水解液转化产生微生物油脂［１７］。微生物油脂发酵周期短，不受场地、季节、气候变化等的影响，并且所利用的原料价格低廉。可见，利用微生物发酵法获得油脂原料制取生物柴油具有非常大的发展潜力。　　从含油的藻类中提取油脂制取生物柴油。含油藻类同样是潜在的油脂生产者。据报道异养培养小球藻（Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｐｒｏｔｏｔｈｅｃｏｉｄｅｓ）的含油量可达藻体干重的５７２％，经快速热解可获得生物油脂［１８］。但微藻属于低等植物，在基因工程改造以及进行高密度培养等技术上还要克服很大的困难。国内外仍然有许多科学家在探索并研制“工程微藻”，希望能实现规模化养殖，降低成本，为获取油脂资源提供一条可靠的途径。３．３　利用餐饮废油制取生物柴油　　以植物油为原料生产生物柴油成本偏高，而将餐饮业废油脂进行回收生产生物柴油则是一个相对较好的方案［１９］。这样既节省了能源，又使废物资源化，减少了污染。但餐饮废油脂是含有杂质的高酸值油脂，含有游离脂肪酸、聚合物、分解物等杂质，在酯交换反应之前，必须对其进行预处理，包括废油脂物力精炼和甲醇预酯化［２０］。其操作简单，较易进行大规模工业化生产。但值得注意的是餐饮废油的利用存在资源总量有限，供应不稳定，原料组成及性能变化大等影响因素。４　结论与展望　　生物柴油的主要问题是成本高，据统计，生物柴油制备成本的７５％是原料成本。因此，我们应尽量采用廉价原料，提高生物柴油生产过程中的转化效率，从而有效地降低生物柴油的生产成本。目前，为了降低原料成本，美国主要通过基因工程的方法获得高含油量植物；日本利用废煎炸油和工业废弃物进行发酵；欧洲在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。而我国也正着力于寻找合适的油脂原料，并作了许多相关的尝试。同时，为了改进生物柴油生产工艺，人们对传统的化学法进行了研究和改进，设计出了诸如有机碱催化的酯交换、超临界状态的酯交换以及由非均相催化剂催化的酯交换，并且对生物酶法进行了一些尝试和研究。随着国民经济的发展，能源需求与日俱增，生物柴油作为一种环保可再生的绿色能源，有其独特的优势和必行的趋势。现在我国生物柴油产业发展势头良好，涌现出很多新思路、新方法。但与此同时，生产过程能耗过高、放大生产工艺不成熟，以及下游处理技术不完善和由此带来的环境污染等一系列问题都有待进一步研究解决。总之，加大对生物柴油产业的扶持力度，开发和利用生物柴油，对于改善生态环境、缓解能源危机、促进经济可持续发展等方面都具有极其重要的意义。参考文献　［１］李积华，刘成梅，阮荣生，等．“地沟油”碱法催化试制生物柴油的研究．江西食品工业，２００４（２）：３０～３１ＬｉＪＨ，ＬｕＣＨＭ，ＲｕａｎｇＲＳＨ，ｅｔａｌ．ＪｉａｎｘｉＦｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙ，２００４（２）：３０～３１　［２］ＭｏｎｙｅｍＡ，ＶａｎＧｅｒｐｅｎＪＨ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｉｏｄｉｅｓｅｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｎｅｎｇｉｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎ