生物能源

生物质能源——前沿报告报告人：陈林材专业：发酵工程背景能源问题成为世界各国共同面临的难题。石化燃料不仅不可再生，储量有限，而且燃烧后释放出来大量有害物质。严重污染环境，导致温室效应、全球气候变暖、生物多样性降低、荒漠化等一系列问题。“在2010-2020年，全球的能源使用模式可能快速转变，再生能源定会取代石化燃料。”——未来学家（美）再生能源风能单机容量小，关键技术依赖国外地热能水能太阳能成本约为常规电力的10倍生物质能地域限制生物质是地球上存在最广的物质，是一切直接或间接利用绿色植物作用形成的有机物质。包括所有动物、植物和微生物以及由这些生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。生物质能源是唯一可再生、可替代化石资源转化成气态、液态和固态燃料以及其他化工原料或者产品的碳资源。仅次于煤炭、石油、和天然气的第四大能源资源。目前，生物质能源的研究与开发技术主要包括物理转化、热化学转化和生物转化三大类。生物转化技术主要是以酶法水解和微生物发酵为手段，促进生物质转化的过程。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020年）》，国家发展与改革委员会编制《生物产业发展“十一五”规划》，对生物质能源的发展进行了规划。《生物质能发展“十二五”规划》——国家能源局《生物质能源科技发展“十二五”重点专项规划》——科学技术部生物质能源特点资源量大相对集中能量品位较高可再生低污染生物质能源的主要形式生物质能源燃料乙醇生物柴油生物制氢燃料乙醇♠生物质能产品产业规模方面，发展最快的是燃料乙醇。♠燃料乙醇是最现实的液体燃料替代品之一（便于储存、运输，无污染，可再生，增烷剂，增氧剂，帮助汽油完全燃烧，减少污染）。♠美国生物能源发展目标是到2020年燃料乙醇取代全国燃油消耗量的10%；♠欧盟委员会提出到2020年运输燃料的20%将用燃料乙醇等生物燃料替代；♠巴西制定“乙醇能源计划”；♠日本制定“阳关计划”；♠印度制定“绿色能源工程计划”。原料粮食淀粉、糖蜜、木质纤维素等都可以用来生产燃料乙醇。“如果乙醇工业要生存，就必须利用木质纤维素生产。”——《工业酶学》（美）一般工艺木质纤维素糖液乙醇水解发酵预处理预处理方法物理法物理化学法化学法生物法机械粉碎热分解蒸汽爆破超临界处理（CO2、甲醇、乙醇、水等）酸或碱水解臭氧分解氧化脱木质素有机溶剂微波、超声波处理高能粒子辐射微生物降解木质素、半纤维素生物化学法固定化酶水解水解预处理得到的大部分还是不能供菌体发酵的多糖分子。水解是发酵前的必要步骤。将纤维素、半纤维素转变为可发酵的单糖（主要为戊糖、己糖）。方法物化水解（抑制作用）酶水解（成本高）发酵将由预处理和水解产物中的戊糖和己糖等糖类发酵生成乙醇及其副产物的过程。酿酒酵母（己糖）毕赤酵母（戊糖）构建基因重组菌细胞融合（酿酒酵母+戊糖代谢酵母）基因工程（戊糖代谢基因酿酒酵母）构建混合菌群技术经济问题♠技术单一，无法实现纤维素、半纤维素和木质素三组分的同时利用。经济成本高，造成环境污染和资源浪费；♠缺乏系统的技术集成和配套技术研究；♠缺乏纤维素原料转化过程关键技术的突破，如预处理上，发酵过程等；♠纤维素酶成本高；♠设备沿用传统化工思维（“三传一反”）；♠燃料乙醇作为汽油替代物需更换发动机等。生物柴油♣新概念（广义）：以生物质为原料，经过物理、化学和生物技术方法，制备成具有与化石柴油相似性质，并且可替代化石柴油应用于交通运输等行业的液体燃料油。♣美国标准ASTMD6751（狭义）：由植物油脂或动物油脂制备的含有长链脂肪酸单烷基酯燃料。优点（相比石化柴油）♣持续可再生性。♣良好的环保特性。♣良好的可降解性。♣良好的替代性。♣高度安全性（闪点120℃）。原料大豆、油菜籽等油料作物油桐、黄连木等油料林木果实动物油脂、餐饮废油等工程微藻等水生植物微藻生物柴油优点♣光合作用效率高、含油量高、生长周期短、油脂面积产率高；♣光自养培养过程可固定大量CO2，有利于CO2减排，碳源成本几乎可降为零；♣光自养培养过程可利用废水中的N、P，降低水体富营养化，氮源、磷源成本几乎可降为零；♣不与农作物争地争水，可利用滩涂、盐碱地、荒漠、以及海水、盐碱水、和荒漠地区地下水培养；♣个体小，木质素含量低，易粉碎、干燥，后处理条件相对较低。制备方法物理法化学法生物酶法（多为脂肪酶）直接混合法（黏度高、低温下有凝胶现象）微乳液法（出现积碳和润滑油黏度增加）高温热裂解法（主产品生物汽油，柴油为副产品）均相催化酯交换法多相催化酯交换法多相催化亚临界酯交换法超临界酯交换法酸碱催化酯交换法酶催化酯交换法制备方法比较♣化学法易于工业化，投资少，见效快。但后处理工序复杂，醇需过量，能耗大，设备重复多，易产生较多废水，增加污水处理难度。♣生物酶法专一性强，反应条件温和，醇用量少，产物易分离与富集，环境友好，无污染物排放，广泛原料适应性，安全性好。但目前还处于研究阶段。存在的问题♣成本高；♣低碳醇转化率低；♣酶用量较大，酶促反应时间长，使用寿命短，甲醇达到一定量，酯酶就失活；♣难以达到大规模生产；♣低温下，易形成凝胶等；♣微藻生物反应装置投资大，设备要求高。生物制氢氢是一种理想的清洁能源，以水的形式大量存在与地球上，储量十分丰富。可作为化石燃料的替代品；作为重要的工业原料；用于制造燃料电池等。原料生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。所以，其原料可以是有机废水、城市垃圾、或者生物质等。制氢方法水电解法消耗大量电能热裂解法利用大量天然气、煤、石油等化工燃料生物制氢生物质气化微生物发酵光合生物产氢生物质气化制氢生物质H2、CO、CO2（少）、水、烃等热化学转化（低品位）（高品位）技术比较完善，但制取成本高、气体净化困难、副产物（煤焦油等）污染环境等。光合生物产氢♥光合细菌（固氮酶）：深红红螺菌、类球红细菌、红假单胞菌、夹膜红假单胞菌等。♥一般，条件为充足的光照和严格的厌氧。但部分细菌也可在暗环境下放H2,如紫色非硫细菌明（提高固氮酶活性）暗（产大量ATP）交替二段式生物反应器。♥藻类（氢酶）：绿藻、红藻、褐藻等，研究较多的是绿藻。放氢途径葡萄糖等底物分解代谢生物光解水（CO2伴随放出）（O2伴随产生，O2抑制氢酶活性，并促进吸氢反应）光合细菌+藻类，相互协作发酵产氢可以简化对生物质的热处理，降低成本，增加产氢量。♥蓝藻（氢酶+固氮酶）：念珠藻等。♥放氢途径主要为生物光解水（氢酶遇氧失活）。微生物发酵♥能够发酵有机物产氢的微生物，目前多为细菌，包括兼性厌氧菌和专性厌氧菌。如丁酸梭状芽孢杆菌、产气肠杆菌、根瘤菌、产甲烷菌等。♥在固氮酶、氢酶作用下，对多种底物（甲酸、丙酮酸、乳酸、短链脂肪酸、葡萄糖、淀粉、纤维二塘、硫化物等）分解制氢。光合生物与发酵细菌混合培养产氢♥不同菌体利用底物的特异性不同，所能分解的底物成分不同。♥实现底物彻底分解制氢，可考虑不同菌种的共同培养。♥生态系统更稳定，产氢量大大增加。淀粉葡萄糖H2丁酸梭菌产气肠杆菌类红球菌♥菌体培养方面，目前常用的是固定化细胞技术。♥生物细胞固定化后，产氢酶系统稳定性提高，连续产氢能力增加。面临的问题♥成本高（主要），产量有限，近期难以实现工业化生产；♥产氢微生物资源少；♥氢气的纯化与储存等。相关产业动态♦2013年10月9日，全球首个纤维素乙醇生产工厂在意大利北部城市克莱森蒂诺市竣工投产。标志着，使用农业废弃物生产乙醇的第二代技术已经进入商业化生产阶段。丹麦诺维信公司（全球最大的工业酶制剂供应商）。中粮集团♦2012年12月，美国杜邦公司爱荷华州内华达纤维素乙醇工厂破土动工。♦2013年10月，美国来宝（NobleGroupLtd）集团俄亥俄州闲置5年的生物乙醇工厂重新投产，旗下在印第安纳州的工厂（停产1年）也将尽快重启。♦嘉吉公司也将重启位于爱荷华州道奇堡的生物乙醇工厂。♦2013年11月4日，关闭长达5年的美国芝加哥乙醇工厂重新恢复运转。♦2013年10月，国际节能环保协会（IEEPA）+国务院参事室+中共中央办公厅+中共中央政策研究室+国家能源局+工信部+农业部+环保部内蒙古鄂尔多斯乌审旗的毛乌素沙地（中国四大沙地之一），参观国际生物质绿色低碳循环能源重点示范基地（“绿色煤田”）。♦内蒙古毛乌素生物质热电有限公司♦内蒙古毛乌素生物质热电厂是中国第一座灌木生物质（沙柳）发电厂，也是全球首家半干旱地区利用沙生灌木平茬等生物质进行直燃发电的示范项目（又“沙漠来电”项目）。♦最近因为原料不足，发电受限。生物质扩大生态建设和生物质能源产业规模造林治沙生物质能发电生产螺旋藻利润反哺沙区群众造林抚育“绿色煤田”低碳经济♦甘肃首条生物质固体成型燃料生产线一期有望12月（2013）在榆中投运。♦11月，浙江松阳赛丽生物质发电项目正式开工。♦11月，黑龙江牡丹江宁安生物质发电项目进入机组调试阶段。♦10月15日，广西上思县领导、相关企业负责人深入商谈生物质发电项目事宜，广西省昌菱生物质发电站建设项目即将全面施工。♦10月，山东青岛中森生物质能有限公司在胶南胜水河西村建万亩文冠果（我国特有木质油料作物）基地。♦10月，安徽固镇与安徽丰原集团有限公司举行丰原生物质化工产业园项目签约仪式。•2013年11月6日，云南师范大学在云南省科研机构联合会举办的“2013年下半年成果推介会”上，展示“地沟油转变为生物柴油新工艺”。•在国家“863”计划资助下，开发出的新型脂肪酶催化剂和酶法催化制备生物柴油新工艺。•目前，已完成中试验证，生产的生物柴油达国家标准。生物质木屑颗粒生物质固型燃料