現(xiàn)代化工生物能源技術(shù)

1、現(xiàn)代化工生物能源技術(shù)潔凈新能源有綠色能源之稱，它的最大特點是燃燒或使用后不造成環(huán)境污染，有利于維持生態(tài)平衡。發(fā)展?jié)崈粜履茉词俏磥砟茉礃I(yè)建設(shè)的發(fā)展方向。21世紀(jì)所面臨的最大難題及困境可能不是戰(zhàn)爭及食品，而是能源。因為目前整個人類發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，幾乎都是依賴于這些很有限的化石能源。隨著地球上化石能源的不斷耗盡，尋找、改善及提高可再生能源利用率和發(fā)明創(chuàng)造新技術(shù)以最大限度地開采不可再生能源的做法很可能是今后幾十年內(nèi)人類從地球上獲取能源的有效舉措。雖然以水力、潮汐、風(fēng)力為動力的發(fā)電設(shè)備及太陽能捕獲器、地?zé)嵋褳槿祟愄峁┮欢ǖ哪茉?，但離人類對能源的需求還相差甚遠。設(shè)法利用新技術(shù)創(chuàng)造更多的能源并代替不可再生

2、的化石燃料，用于滿足人類生存的需求，也將是人類尋找新能源惟一明智的做法。然而，這種新技術(shù)實際上已被和正在被人類所利用，即生物技術(shù)創(chuàng)造能源。 微生物技術(shù)與石油開采一 微生物培養(yǎng)技術(shù)在勘探石油上的運用 1937年，地質(zhì)科學(xué)工作者在進行直接分析底土(原生風(fēng)化土)中的烴含量(氣測法)，并用于判斷地下油氣的儲存量時，發(fā)現(xiàn)油區(qū)底土中的重?zé)N含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系。這種依季節(jié)而變的起因是由于微生物活動引起的。因而提出了油氣田中的氣態(tài)烴可借擴散方式抵達地面，及地表底土中存在能利用氣態(tài)烴為碳源的微生物等看法。此外，這些菌在土壤中的含量與底土中的烴濃度存在對應(yīng)的關(guān)系，所以可作為勘探地下油氣田的指示菌。隨著微生物

3、培養(yǎng)技術(shù)及菌數(shù)測定方法的不斷改進，利用微生物勘探石油這項技術(shù)得到迅速發(fā)展。美國、前蘇聯(lián)、捷克斯洛伐克、波蘭、匈牙利和日本等國家都用。1957年有人報道，用微生物勘探確認的16個油礦中，其中有13個有開采價值的油氣田及3個無開采價值的油氣田，油氣區(qū)準(zhǔn)確率100%。近十幾年來，雖然隨著計算機應(yīng)用的普及和先進的分析技術(shù)不斷地涌現(xiàn)，勘探石油的技術(shù)也隨之日益更新且準(zhǔn)確率不斷地提高，但利用微生物勘探石油這一項生物工程技術(shù)仍是一項行之有效的輔助性并具有科學(xué)性的技術(shù)。 二 生物能源的特點1、生物質(zhì)能源在燃放過程中，對環(huán)境污染小。生物質(zhì)能源在燃放過程中產(chǎn)生二氧化碳，排放的二氧化碳可被等量生長的植物光合作用吸收，

4、實現(xiàn)二氧化碳零排放，這對減少大氣中的二氧化碳含量及降低“溫室效應(yīng)”極為有利。 2、生物質(zhì)能源蘊含量巨大，而且屬于可再生能源。只要有陽光存在，綠色植物的光合作用就不會停止，生物質(zhì)能源就不會枯竭。大力提倡植樹、種草等活動，不但植物會遠遠不斷的供給生物質(zhì)能源源材料，而且還能改善生態(tài)環(huán)境。 3、生物質(zhì)能源具有普遍性、易取性特點。生物質(zhì)能源存在于世界上國有國家和地區(qū)，而且廉價、易取，生產(chǎn)過程十分簡單。 4、生物質(zhì)能源可儲存和運輸。在可再生能源中，生物質(zhì)能源是唯一可以儲存與運輸?shù)哪茉?，對其加工轉(zhuǎn)換與連續(xù)使用提供方便。 5、生物質(zhì)能源揮發(fā)組分高，炭活性高，易燃。在400左右的溫度下，生物質(zhì)能源大部分揮發(fā)組分

5、可釋出，將其轉(zhuǎn)化為氣體燃料比較容易實現(xiàn)。生物質(zhì)能源燃燒后灰分少，并且不易黏結(jié)，可簡化除灰設(shè)備。三 生物能源的分類1. 農(nóng)林廢棄物包括農(nóng)業(yè)廢棄物和林業(yè)廢棄物。農(nóng)業(yè)廢棄物指的是農(nóng)作物收獲時農(nóng)田中產(chǎn)生的殘余物，可以利用的有谷物、根莖作物和甘蔗殘余物等。林業(yè)廢棄物指的是木材加工部門從原材料制造各種木質(zhì)一次制品時產(chǎn)生的廢物，以及木材利用部門以一次制品為原料形成建筑物等二次產(chǎn)品時產(chǎn)生的廢物。 農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生的方式和量隨產(chǎn)生的地點的不同而不同，對應(yīng)于收獲量的殘余物產(chǎn)生比率，米為140%、麥為130%、玉米為100%、根莖作物為40%。世界上產(chǎn)生的農(nóng)林廢棄物總共約為30億噸，米的殘余物最多，約為8.36億噸。

6、此外，根莖作物殘余物為2.72億噸，麥殘余物為7.54億噸，玉米殘余物為5.91億噸。 2. 有機污水 有機污水指的是豐富有機物質(zhì)的排放廢水，其中包括工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水以及生活污水等。由于清潔、高效、可再生等突出特點，氫氣作為能源日益受到人們的重視。目前制取氫氣的的方法有：水電解法、熱化學(xué)法、光電化學(xué)法、等離子化學(xué)法、生物制氫法。從生物制氫的成本角度考慮，利用這些單一基質(zhì)制取氫氣的費用比較高，而利用工農(nóng)業(yè)有機廢水等廉價的復(fù)雜基質(zhì)來制取氫氣，能使廢物質(zhì)得到資源化處理，降低它的生產(chǎn)成本。利用混合菌種產(chǎn)氫技術(shù)逐步成熟，并取得了較大成果。 3. 禽畜糞便 禽畜糞便也是一種重要的生物質(zhì)能源。除在牧區(qū)有少

7、量的直接燃燒外，禽畜糞便主要是作為沼氣的發(fā)酵原料。中國主要的禽畜是雞、豬和牛，根據(jù)這些禽畜品種、體重、糞便排泄量等因素，可以估算出糞便資源量。根據(jù)計算，目前我國禽畜糞便資源總量約8.5億噸，折合7840多萬噸標(biāo)煤，其中牛糞5.78億噸，4890萬噸標(biāo)煤，豬糞2.59億噸，2230萬噸標(biāo)煤，雞糞0.14億噸，717萬噸標(biāo)煤。 4. 生活 隨著城市規(guī)模的擴大和城市化進程的加速，中國城鎮(zhèn)的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加。1991和1995年，全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量分別為5.88億噸和6.45億噸，同期城鎮(zhèn)生活量以每年10%左右的速度遞增。1995年中國城市總數(shù)達640座，清運量10750萬噸。 四 生物能源

8、的原料來源1. 按照原料的化學(xué)性質(zhì)分，生物質(zhì)能源原料可分為：糖類、淀粉和木質(zhì)纖維素物質(zhì)。 2. 按照原料的來源分，生物質(zhì)能源原料可分為：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物，主要為農(nóng)作物秸稈；薪柴和柴草；農(nóng)林加工廢棄物，木屑、谷殼和果殼；人畜糞便和生活有機等；工業(yè)有機廢棄物，有機廢水和廢渣等；能源植物，包括所有可作為能源用途的農(nóng)作物、林木和水生植物資源。五 生物能源的地位與重要性從生物質(zhì)能的資源總體構(gòu)成來看，目前我國農(nóng)村中生物質(zhì)能約占全部生物質(zhì)能的70以上，其他主要是城鎮(zhèn)生活、污水和林業(yè)廢棄物，而從先進國家目前的生物質(zhì)資源和利用來看，其主要構(gòu)成均都是以林業(yè)廢棄物和薪炭林為主。我國隨著薪炭林技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)藝水平的提

9、高，這方面的比例也會越來越大，所以這方面的開發(fā)利用量也是不容忽視的。世界生物能源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用主要有四大方向：基于沼氣池等傳統(tǒng)設(shè)備的生物能源技術(shù)、基于生物優(yōu)選和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的生物燃料技術(shù)、生物發(fā)電技術(shù)、生物燃料電池技術(shù)。在這些技術(shù)方向上，系統(tǒng)化的工業(yè)應(yīng)用項目已經(jīng)大量投入運行。在主要攻關(guān)方向上，國外也出現(xiàn)了很多重大研究突破。六 我國生物能源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況我國生物能源技術(shù)的發(fā)展取得了很多成就。例如，我國已經(jīng)能夠獨自設(shè)計、建設(shè)大型生物發(fā)電廠，而且主要設(shè)備都已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。我國在生物燃料電池、優(yōu)選生物燃料的研究方面也取得了很多技術(shù)突破。在沼氣技術(shù)方面，我國研究、篩選了300多株厭氧微生物菌種，認定了

10、嚴禁沼氣池使用的材質(zhì)，如黃花蒿、梧桐葉、臭椿葉、水杉、桃葉、苦楝葉、斷腸草、貓兒眼、銀杏葉、辣蓼子、泡桐葉等。在嗜熱厭氧纖維素酶、產(chǎn)甲烷菌、纖維素厭氧降解及沼氣發(fā)酵菌劑、嗜熱纖維素分解菌、復(fù)合沼氣發(fā)酵菌劑、沼氣厭氧固態(tài)發(fā)酵、厭氧纖維素分解菌等領(lǐng)域，我國也取得了很多技術(shù)成就。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國也取得了很多成果。例如，沼氣工程技術(shù)規(guī)范第1部分：工藝設(shè)計、沼氣工程技術(shù)規(guī)范第2部分：供氣設(shè)計、沼氣工程技術(shù)規(guī)范第3部分：施工及驗收、沼氣工程技術(shù)規(guī)范第4部分：運行管理、沼氣工程技術(shù)規(guī)范第5部分：質(zhì)量評價、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場沼氣工程運行、維護及其安全技術(shù)規(guī)程、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程設(shè)計規(guī)范和沼氣發(fā)電機組

11、等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實施。七 現(xiàn)代生物技術(shù)在新能源領(lǐng)域的運用 1、發(fā)展新型燃料電池燃料電池使用氣體燃料（如氫、甲烷等）與氧氣直接反應(yīng)產(chǎn)生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。傳統(tǒng)燃料電池使用氫為燃料，而氫氣不易制取又難以儲存，致使燃料電池成本居高不下，美國賓夕法尼亞大學(xué)研究人員設(shè)計出以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池。研究人員曾嘗試用便宜的有關(guān)碳氫化合物為燃料，但化學(xué)反應(yīng)的“殘渣”很容易積聚在鎳制的電池正極上導(dǎo)致斷路，而使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極，解決了“殘渣”積聚問題。新研制的燃料電池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5種碳氫化合物

12、做燃料源，可以通過微生物發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷等碳氫化合物，成為研制新型燃料電池較為豐富而廣泛的原料來源。目前這種新型燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率還較低，有待進一步研究改進提高。2、開發(fā)軍民兩用的生物能源不論軍用的兵器如機動裝備大部分，或是民用的汽車等交通工具均以汽油、柴油為燃料、若用氫氣作燃料更為理想，其特點：（1）潔凈，不污染環(huán)境；（2）熱效率高，約是汽油的3倍；（3）生物制取氫氣有潛力。正因為如此，充分利用生物技術(shù)生產(chǎn)氫氣將大有可為。如用一種紅假單胞菌（rhodopseudomonassp）為生產(chǎn)菌，以淀粉為原料生產(chǎn)氫氣取得良好效果，每消耗1克淀粉可產(chǎn)氫氣1毫升。用氫和其他少量燃料混合可替代汽油、柴

13、油。乙醇也是一種潔凈生物燃料，用途廣泛，可用來替代汽油和柴油。日本、加拿大等國家用基因技術(shù)建構(gòu)的“工程酵母”以其高產(chǎn)酶的活力，酶解纖維素制取乙醇；也有建構(gòu)的“工程大腸桿菌”能將葡萄糖有效地轉(zhuǎn)化成乙醇；這類乙醇均可替代汽油或柴油使用，隨時為機動裝備提供大量生物燃料。其實，產(chǎn)氫、產(chǎn)乙醇的生物不僅有細菌或“工程菌”，而且某些藻類或其他微生物均有生產(chǎn)氫或乙醇的能力。美國加州大學(xué)等研究人員發(fā)現(xiàn)一種叫萊因哈德衣藻（chlamydomonasreinhadtii）的綠藻（真核生物）具有持續(xù)大量產(chǎn)氫能力。關(guān)鍵在于控制其生長環(huán)境，從生長營養(yǎng)液中去除硫素，在此情況下藻體停止了光合作用、不產(chǎn)氧；在無氧條件下藻體必須

14、以其它途徑產(chǎn)生腺茸三磷酸酯維所需要的能量，利用所貯存的能源以實現(xiàn)其最終產(chǎn)氫的目的。一般說，這種天然藻產(chǎn)氫量很低，為此，一方面控制其生長所必需的或障礙生長的關(guān)鍵因素；另一方面，采用分子遺傳技術(shù)改造藻的特性，以提高其產(chǎn)氫能力。由此可見，充分利用各種生物開發(fā)軍民兩用的潔凈生物能源是有潛力的。3、微型綠藻是索取氫能的最廉價途徑上面已提到綠藻和微生物產(chǎn)氫途徑，這里強調(diào)微型綠藻制取氫氣的前景，科學(xué)家預(yù)測，當(dāng)石油和天然氣耗盡時，氫氣也許是一種較為理想的能源。關(guān)鍵在于找到一種廉價產(chǎn)氫的方法。有專家認為，利用普通池塘綠藻的產(chǎn)氫能力或許是個最實際的選擇-經(jīng)濟實用，分布廣。綠藻這種微型低等植物繁殖快，全世界到處都有

15、它的分布，它在有水、陽光的條件下具有制造氫氣的能力。在人工控制下可迫使綠藻按要求生產(chǎn)氫氣，有實驗研究報告指出，一升綠藻培養(yǎng)液每小時可產(chǎn)氫3毫升，還需進一步提高產(chǎn)氫效率。注意兩點：（1）運用基因工程技術(shù)改進這種產(chǎn)氫系統(tǒng)，有可能使氫氣產(chǎn)量增加10倍或更高些；（2）細胞固定化技術(shù)的應(yīng)用，有可能提高微型綠藻持續(xù)產(chǎn)氫能力。在德國、加拿大、日本等國家為實現(xiàn)“潔凈氫能源”的開發(fā)計劃，積極建立“產(chǎn)氫藻類農(nóng)場”，為實現(xiàn)氫能源規(guī)模生產(chǎn)做出巨大努力。加拿大已建成每天生產(chǎn)液態(tài)氫10噸的工廠；日本把產(chǎn)氫藻和光合細菌的高效產(chǎn)氫列為研究重點，將研制用于火箭發(fā)動機使用的冰糕狀“脂膏氫”，以提高火箭發(fā)射推力。美國期望到2030

16、年把氫能源作為美國一種主要能源?？磥恚⑿途G藻和光合微生物生產(chǎn)氫能源將大有開發(fā)之勢。4、充分利用有機垃圾或有機廢水為原料生產(chǎn)氫能源日本北里大學(xué)研究人員用生活垃圾制取氫氣取得良好效果，產(chǎn)率頗高，可將氫氣不僅直接作潔凈能源使用，而且為燃料電池的開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)原料，更為經(jīng)濟實用，具有潛在的開發(fā)優(yōu)勢。研究人員選用一種厭氧性細菌即一種“梭菌”am21b菌株，與加水研碎的剩菜、魚骨等生活垃圾混合在一起，于37下發(fā)酵生產(chǎn)氫氣，所得實驗結(jié)果表明，每1公斤生活垃圾可獲49升氫氣；制氫后所余下的生活垃圾呈糊狀，無臭味，可進一步實現(xiàn)資源化，使之成為農(nóng)田有機肥料如堆肥。據(jù)稱，日本研究人員為制取氫氣的生活垃圾可循環(huán)利用，

17、還研制新型“發(fā)酵設(shè)備”更有利于提高生活垃圾制氫效力。我國哈爾濱建筑大學(xué)研究人員已建立以厭氣活性污泥為原料的有機廢水經(jīng)微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氫的技術(shù)。有幾個特點：（1）發(fā)酵法未采用純菌種；（2）未用細胞固定化技術(shù)可持續(xù)產(chǎn)氫；（3）制氫系統(tǒng)工藝運行穩(wěn)定；（4）所獲氫的純度高；（5）制取氫的產(chǎn)率比國外同類小試驗高幾十倍。目前已進入中試規(guī)模的連續(xù)產(chǎn)氫，其量可達每立方米產(chǎn)氫5.7立方米，純度達到99。有望進入工業(yè)化生產(chǎn)，為氫能源的開發(fā)提供一條可行的生物途徑。5、以co2廢氣為原料開發(fā)新能源來源廣泛的co2既是重要溫室氣體之一，也是化工原料，當(dāng)co2的釋放與吸收未達到動態(tài)平衡時必然給生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良后果。為此，

18、co2作為一類廢氣如何進一步轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)資源化的研究有著重要意義。其中將其實現(xiàn)能源化是值得注意的研究課題。至少可采用化學(xué)方法和生物方法使co2轉(zhuǎn)化能源。（1）、化學(xué)方法利用催化劑：用高效催化劑沸石，約99%的活性鋁顆粒表面吸附銠、錳，按co2與氧的比例為14,300、1個大氣壓條件下，至少90%的co2可轉(zhuǎn)化為甲烷，若10個大氣壓時，其轉(zhuǎn)化率可達100%。當(dāng)然也有一個降低氫、銠的成本問題。所獲得的甲烷不僅提供能源和化工原料，同時包括co2在內(nèi)減輕溫室效應(yīng)發(fā)生帶來好處。（2）、生物方法利用藻類：前面已提到藻類特別是那些微型單胞藻不論是原核的或是真核的，它們是吸收co2進行光合作用生產(chǎn)綠色新能源最有

19、效途徑。大量微型藻增殖過程中充分利用co2，在光照條件下合成有機物將太陽能儲存起來，其藻體生物量稱得上是個巨大的“儲能庫”，因此，將其制作固體燃料或者說干燥燃料是可行的，英國將它用于發(fā)電；也可用各類藻體包括海藻在內(nèi)的生物量為原料，通過發(fā)酵途徑制取甲烷及其它能源；微型藻細胞固定化連續(xù)產(chǎn)氫能也是可取的。正因為各種藻類所表現(xiàn)特定功能，既是“儲能庫”，又是“供能庫”，從中可獲取所需要的潔凈能源。因此有專家預(yù)計，利用co2制造生物能源特別是氫能將是本世紀(jì)大有希望而較為理想的能源供應(yīng)。6、未來石油的替代物乙醇（發(fā)酵工程的運用）乙醇俗稱酒精，既用于醫(yī)藥、化工，又是未來要發(fā)展的一類無污染的潔凈能源，也是重要再生能源之一，具有燃料完全、效率