28 张三
摘 要：主要介绍了生物能源包括燃料乙醇、生物柴油、生物制氢和沼气的原料、
生产技术及发展现状。
关键词：生物能源；燃料乙醇；生物柴油；生物制氢；沼气
生物能源与太阳能、风能并称为绿色能源，是一种以农作物秸秆、畜禽粪便、有机垃圾等农林废弃物和环境污染物等生物质为原料，通过现代技术转化成固态、液态或气态燃料的能源，它具有可再生性及清洁无污染等优势， 是煤炭、石油和天然气等常规石化能源的有益补充。据专家预测， 如果按照当前的利用水平，煤炭可开采100年，石油将在100年后被耗尽，天然气则可最多开采50-60年。而生物能源却是可循环利用的，此外它不含硫，且碳循环是动态的。因而各国日益关注生物能源的开发和研究，并制定了相应的发展战略，如美国的“能源农场计划”，预计到2016和2017年度生产酒精的玉米使用量将超过玉米总产量的30％。生物柴油中大豆油使用量将占到大豆油产量的2／3，从纤维中提炼油料也将逐步进入能源更新计划。巴西的“酒精能源计划”，南部地区一些原本种植谷物和油料作物的土地将被改种甘蔗，中西部地区原本生产大豆的土地也将被改种甘蔗。这样生物燃料总生产量将从目前的大约5200万加仑增长到2016年的9200万加仑。此外还有日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”等 。 我国政府也十分重视生物能源的开发，早在上世纪50年代就在农村推广沼气，并收到良好的效果。本世纪初国家又决定发展燃料乙醇，先后在东北、华中和华东建立了大规模的燃料乙醇生产企业，并制定了相关标准，目前已有部分省市的汽车在使用乙醇汽油。近年来我国还投入了相当的力量组织生物能源的研究与攻关，在产能微生物研究、生物转化研究、过程与设备研究等方面都取得了可喜成果。目前生物能源的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、生物制氢和沼气。 一. 燃料乙醇的发展现状及发展前景
燃料乙醇是指按照一定比例加入汽油或柴油中的无水乙醇。它可以提高汽油的辛烷值，使其燃烧完全，同时又减少了汽车废气中焦油、二氧化碳、氧化氮等物质的排放。是目前生产规模最大的生物能源。
燃料乙醇所用的生物质原料主要包括以下四类：
(1)淀粉质原料：主要有木薯、甘薯、玉米、马铃薯、小麦、大米和高梁等。 (2)糖质原料：主要有甘蔗、糖蜜和甜菜。
(3)纤维素原料：纤维素原料是地球上最有潜力的燃料乙醇生产原料，主要有农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾等。
(4)其他原料：如造纸厂的亚硫酸盐纸浆废液、淀粉厂的甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣、奶酪工业的副产品等。
生物质合成燃料乙醇主要有生物法、化学法两大类。其中生物法的工艺流程为：纤维素、半纤维素，经酸解、酶解或发酵转变成单糖(五碳、六碳糖)，产物再经化学、酶催化及微生物发酵最终生成乙醇。生物法具有选择性高、活性好、
反应条件温和等优点， 但其原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适合于不同反应条件，不能很好耦合。
化学法的工艺流程则为：纤维素、半纤维素、木素及其它生物体有机物经热解转换成含H2、CO的合成气，再经化学、酶催化或微生物发酵最终生成乙醇。化学法具有原料利用率高、反应时间短、催化剂构成简单、没有严格反应条件限制等优点,但其操作为高温、高压过程，对设备要求高。
目前世界95％的乙醇生产采用发酵法，其中又以糖类作物发酵乙醇技术最为成熟，但从长远来看，利用纤维植物转化成燃料乙醇才是降低成本、解决原料有限问题，进而与化石燃料形成竞争的有效途径。
随着两次石油危机的爆发， 世界各国对燃料乙醇的研究日益深入。其中巴西是燃料乙醇发展的先驱，主要以甘蔗为原料生产燃料乙醇。美国是世界上最大的以谷物为原料生产燃料乙醇的国家，年产量可达500万t，此外它还在降解纤维素、半纤维素肥料生产燃料乙醇方面形成了完善的研发体系。我国从2000年开始以玉米为原料生产燃料乙醇项目的研发， 目前河南天冠集团公司和黑龙江华润金玉实业有限公司均以陈粮小麦、玉米等淀粉质原料生产燃料乙醇⋯ 。 二. 生物柴油的发展现状及发展前景
生物柴油是指以油料作物、工程微藻等水生植物、动物油脂或餐饮垃圾油等为原料，通过生物或化学手段将其转化成可代替石化柴油的高脂酸甲烷。有研究证明，混入20％生物柴油的车，柴油颗粒物排放降低14％、总碳氧化物排放降低13％、硫化物排放降低70％以上。
目前植物油是生产生物柴油的主要原料，其中巴西以蓖麻油、转基因大豆油为主要原料，美国以转基因大豆油为原料，欧盟和加拿大等国家以双低菜籽油为原料， 而马来西亚、印度尼西亚则以其盛产的棕榈油来发展生物柴油。
生物质合成生物柴油主要有以下4种方法：(1)直接混合法：将天然油脂与石油柴油、溶剂或醇类按照不同比例直接混合作为燃料。该法操作简单，但产物十六烷值不高，且易变质。(2)微乳液法：将动、植物油与甲醇、乙醇和1一丁醇等溶剂混合制成微乳液直接应用。该法操作简单，但产物十六烷值不高，且易导致润滑油污染。(3)高温裂解法：在惰性气流中将甘油三酯裂解成含有烷烃、烯烃、二烯烃、芳烃和羧酸等的}昆合物。该法工艺简单，但设备昂贵，反应很难控制。(4)酯交换法：利用甘油三酯与低级醇在催化剂作用下得到生物柴油。这是目前油脂改性的主要方法。根据所用催化剂的不同，它又分为化学酯交换法和生物酶酯交换法。前者主要是用动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇，在酸／碱性催化剂和高温(230-250℃)下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥得到生物柴油。后者则是用动物油脂与低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。此外，清华大学等科研院所还开展了工程微藻法制备生物柴油的研究。
目前生物柴油使用最多的是欧洲，其份额已占到成品油市场的5％。2004年欧盟国家生物柴油的产量突破2O万t。此外美国、加拿大、巴西、日本等国家也在积极发展生物柴油。日本1995年开始研究生物柴油，目前年产量可达4O万t。我国虽然生物柴油项目的开发较晚，但发展速度较快，国内很多科研院所及部分高校均开展了生物柴油的研究，并取得了阶段性的成果。 三.生物制氢的发展现状及发展前景
生物制氢是指以碳水化合物为供氢体，利用光合细菌或厌氧细菌来制备氢
气。生物制氢过程不仅提供了生产生活所需的氢气，而且还开辟了废物回收利用的新途径。
生物制氢的原料较为丰富，迄今为止，已有牛粪、精制糖废水、豆制品废水、乳制品废水、淀粉废水、酿酒废水、麦麸、酒糟、玉米秸秆等农业固体废弃物以及厨余垃圾可以生成氢气，其中以葡萄糖、污水、纤维素为原料的研究较多，但均处于实验室水平。
生物制氢主要有以下3种方法：(1)光合生物产氢：即利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢气。目前已发现的能进行光合产氢的微生物有光合细菌和微藻两类。其中光合细菌属于光合异养型微生物，目前研究较多的有深红红螺菌、球形红假单胞菌、深红红假单胞菌、夹膜红假单胞菌、球类红微菌、液泡外硫红螺菌等。微藻属于光合自养型微生物，包括蓝藻、绿藻、红藻和褐藻等，目前研究较多的主要是绿藻。光合生物产氢具有光的转化效率较高等优点，但由于产氢过程会伴随着氧的释放，所以易导致氢酶失活 (2)发酵细菌产氢： 即利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制取氢。目前已发现的能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌等。发酵细菌产氢具有可利用的光谱较宽等优点，但发酵液易导致水污染。(3)光合生物与发酵细菌的混合产氢：即同时利用光合细菌与发酵细菌针对复杂底物产氢。据报道Yokoi H等人采用丁酸梭菌、产气肠杆菌和类红球菌共同培__养，从甜土豆淀粉残留物中制取氢气。该技术具有底物范围广的优点，但培养条件要求也更为严格。
生物制氢作为未来能源制备技术的发展方向之一，已引起世界各国的广泛重视。近年来，美国每年用于生物制氢技术研究的费用平均为几百万美元，日本每年在此研究领域的投资则是美国的5倍左右，而且还制定了生物制氢发展规划。 四. 沼气的发展现状及发展前景
沼气是指以人畜粪便、动植物遗体、工农业有机物废渣和废液等为原料，在一定温度、湿度、酸度和缺氧的条件下，经厌氧性微生物的发酵作用，产生的可燃性气体，它由甲烷、二氧化碳、氮气以及少量氢气、氧气、硫化氢等气体组成，是一种燃烧值高，抗爆性好的清洁能源。
用作沼气发酵的原料种类繁多，如：禽畜粪便，作物秸秆，食品加工废物，废水以及酒精废料等，它们的主要化学成分均为多糖、蛋白质和脂类，其中多糖类物质是发酵的主要成分。
一般说来，沼气发酵大致分为三个阶段：第一阶段，微生物分泌胞外酶将生物质水解为水溶性物质；第二阶段，进入微生物细胞的水溶性物质被各种胞内酶进一步分解代谢为挥发性的脂肪酸、醇类及一定量的氢、二氧化碳；第三阶段，在甲烷菌的作用下，最终生成甲烷。
目前许多发达国家和能源短缺的发展中国家都在积极发展和利用沼气。美国芝加哥市已建成连接市内各个垃圾坑的地下管道，垃圾腐烂后产生的大量沼气通过纵横交错的地下管道送到用户家中。我国的沼气使用主要在农村地区，一家一户式的沼气池可以满足家庭取暖、做饭等日常能源需要。 五. 结论及建议
我国在生物能源的研究及利用方面已取得可喜的成果，但目前达不到规模化生产的程度，主要原因在于：生物质合成燃料乙醇存在着“与人争粮”的问题，生物质合成生物柴油存在着污染较大的不足，生物制氢存在着产氢效率低，氢气收集困难等弊端，沼气发酵则存在着发酵效率低、持续运行能力差的缺点。
建议各地在因地制宜发展生物能源的同时，真正体现其绿色环保的优势，选择适当的非粮原料生产燃料乙醇，寻找更有效的生物酶提高产氢、产沼气的效率，探索更合理的工艺降低生产生物柴油的环境污染。
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