生物技术导论

新技术下的生物质能源开发利用

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（***大学—***院—***）

【摘要】：

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以上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。生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%-30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一【2】。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换包括有：生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等。沼气转化是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气、乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料经发酵制成乙醇。

【关键词】：生物质能源技术；燃料乙醇技术；生物柴油技术；沼气技术；

【正文】:

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，因此我国政府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【3】，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【4】。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【5】——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【7】。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