生物能源的开发利用及生产技术研究进展

第3卷第4期　2007年11月

生物能源的开发利用及生产技术研究进展

王　平,马祥庆

3

(福建农林大学林学院,福建福州350002)

摘要:从生物柴油、生物乙醇和生物氢气3个方面对生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状进行综述,提出

了目前研究中存在的问题,展望了今后生物能源的发展方向。

关键词:生物能源;生物柴油;生物乙醇;生物制氢中图分类号:TQ9;TK6文献标识码:A文章编号:167320925(2007)0420313204

Researchprogressontheutilizationandproductiontechnologyofbio2energymaterials

WANGPing,MAXiang2qing

(CollegeofForestry,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China)

Abstract:Inthisstudy,developmentandutilizationofbio2energymaterialsandproductiontechnologyofbio2energyinbio2diesel,bio2ethanol,andbio2hydrogenarediscussed.Theproblemsinthecurrentstudyareproposedandthedevelopmenttrendofbio2energyisprospected.

Keywords:bio2energy;bio2diesel;bio2ethanol;bio2hydrogen

20世纪70年代后,两次石油危机相继出现,给全球的经济造成巨大损失,能源问题成了全世界共同

面临的难题。据专家预计,如果按照当前的水平来开采世界已探明的能源,煤炭资源可开采100a,天然气50-60a,石油在100a后将被耗尽。另外,化石燃料燃烧产生的CO2,会产生温室效应,产生其他的气体如氮硫的氧化物等,严重影响环境,所引发的灾害性气候等问题造成的全球经济损失每年达数千亿美元。各国开始关注生物能源的开发和研究来代替化石燃料,并制定了相应的计划,如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等

[1-3]

。

生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源,包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源,如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。生物能源不含硫,其碳循环是动态的,能源植物通过光合作用固定二氧化碳和水,将太阳能以化学能形式储藏在植物中,是一种可再生的环保型新能源。因此,开发生物能源是解决能源危机和保护生态环境的有效途径。同时发展生物能源

22

和种植油料作物可绿化荒山、滩涂、盐碱地。我国南方约有2千万hm荒山荒坡,北方有1亿hm盐碱地,利用荒山荒坡和盐碱地、荒滩、沙地种植能源植物既不占宝贵的耕地资源,又可提供大量的生产原料

[4-5]

。

根据国内外的研究材料,本文分别从生物柴油、生物乙醇和生物氢气等3个方面对生物能源的开发利用及生物能源的生产技术研究现状进行综述,提出了目前研究中存在的问题,展望了今后生物能源的发展方向。

1　生物能源原料资源开发利用进展

1.1　生物柴油原料

通常所说的生物柴油原料资源就是指用于酯交换的油脂,可分为:植物油脂、动物油脂、废弃食用油

[6]

等,其中植物油脂是世界上较为丰富的生物柴油原料油资源。

人们最早以植物油作为柴油机燃料进行研究,1897年狄赛尔创造出的第一台柴油机就是用花生油作燃料,但是存在流动性差,闪点低,活塞易堵塞等缺陷。1980年,美国开始了以大豆为原料制备生物柴油

-1

的研究,1992年由P&G公司生产136260.4L・a的生物柴油,继而陆续有Interchem公司、AgEnvi2ron2

收稿日期:2007-07-14

基金项目:福建省科技厅科技重大专项前期研究资助项目(2005NZ1001)。作者简介:王平(1982-),女,硕士研究生。研究方向:森林培育。3通讯作者。

・314・

亚　热　带　农　业　研　究第3卷

mental公司和ProductsTwinRiversTech公司参加生产。1982年前后,德国和奥地利首次在柴油机引擎中

使用菜籽油制成的柴油。1988年,德国聂耳公司发明了以菜籽油为原料的洁净燃油,奥地利从1990年起

同样以菜籽油为原料工业化生产生物柴油,同年在拖拉机中广泛应用,并得到了认可。日本于1995年起开始研究生物柴油,1999年建立以煎炸油为原料生产生物柴油的工业化装置,目前日本生物柴油年产量

4[7-10]

可达40×10t。

[11]

废弃的食用油、生活垃圾等也成为了生物柴油的加工原料。近几年我国在这方面的研究也取得了阶段性的进展。青岛市广源发集团有限公司从2005年起开始研制以猪大油和牛、羊等的肥膘肉转化为生物柴油的方法,仅用半年的时间就生产出转化成生物柴油的添加剂,并实现了规模化生产。福建省卓越能源公司的董事长叶活动成功研制出利用地沟油生产生物柴油的工艺,成功开发出新催化剂技术,实现醇解和酯化反应同时进行,使95%以上废动植物油进一步反应转化为生物柴油,2002年8月通过了福建省经

4-1

贸委的鉴定。2003年2×10t・a生物柴油项目正式启动。据《中国油脂植物》记载,我国有108科、397属、814种油脂植物,主要集中在草本,木本中的夹竹桃科、大戟科、萝藦科、菊科、桃金娘科,以及豆科。其中含油量15%以上的野生油料植物约1000种,含油量。另外,我国的油菜发展处于世界领先水平,总产量位居世界第一,有着丰富的油菜籽资源。中国是食用油消费大国,在消费的食用油中有10%在使用后被废弃,每年约有120万t废食用油可回收作为生物柴油原料,可见我国有着丰富的原料发

[13]

展生物柴油。

20%以上约300种;其中种子含油量在40%以上的植物有154种1.2　生物乙醇原料

20世纪70年代,在世界范围内先后发生了两次石油危机,世界上掀起了研究生物资源的热潮。1979

[12]

年,美国开始制定酒精发展计划,同年,日本工业技术研究院开始对稻草、废木材等进行能源化研究,至今酒精发酵技术已基本完善。1980年,美国和加拿大两位华裔教授几乎同时宣布已经解决木糖酒精发酵的问题,这一研究成功使半纤维素利用进入一个崭新阶段。1998年9月由美国第一家商业化以纤维质(蔗

6

渣和稻草壳)为原料生产酒精的工厂破土动工,年产量达到7.6×10L。如今,美国是世界上最大的以谷

7

物为原料生产生物燃料乙醇的国家。2004年,美国生产乙醇消耗了3.2×10t玉米,占产量的11%。目前,美国正在计划以城市垃圾为原料生产酒精。巴西主要用甘蔗为原料生产生物燃料乙醇。2001年4月,我国河南天冠集团公司和黑龙江华润金玉实业有限公司以陈粮小麦、玉米等淀粉质原料从事乙醇的

[14-17]

生产。

目前各国的乙醇主要以玉米、小麦、薯干等粮食为原料经过发酵生产而成,但粮食作为原料生产乙醇决非长远之计,必将引发粮食安全、争用农地等问题。因此,各国开始研究利用纤维质原料(如玉米秆、稻

[18]

草、麦秸等)生产乙醇。1.3　生物制氢原料

生物制氢包括光合作用制氢和发酵制氢,前者是利用光合细菌或微藻直接转化太阳能为氢能,而后者

[19]

则利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢。18世纪,有关藻类和微生物产氢的研究

[20]

已经开始,但没有受到太大的关注,直到70年代后,生物制氢的实用性及可行性才得到高度重视。迄今为止,已研究报道的产氢生物类群包括:光合生物(厌氧光合细菌、蓝细菌和绿藻)、非光合生物(严格光合细菌、兼性厌氧细菌和好氧细菌)和古细菌类群。目前生物制氢的原料有资源丰富的海水以及工农业废弃物、城市养殖厂废水等可再生资源,而以葡萄糖、污水,纤维素为底物并不断改进操作条件和工艺流程的研究较多。

2　生物能源生产技术研究进展

2.1　生物柴油生产技术

目前,生物柴油的制备可采用物理法和化学法,物理法包括直接混合法和微乳液法等,化学法包括高

[21]

温热裂解法和酯交换法等。而用于工业化生产主要是应用酯交换法。以各种原料生产生物柴油的工艺方法很多,化学法间歇式油脂醇解工艺,连续式酯交换,CD2工艺(CIMBARIASKET/德国),BIOX工艺

第4期王平等:生物能源的开发利用及生产技术研究进展

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(BIOX/加拿大),Esterfip2H工艺(Axens公司/法国)等,通常以酸或碱为催化剂。目前世界各国也普遍使

用碱或酸催化酯交换制取生物柴油的工艺,但存在着酸碱腐蚀设备、二次污染等问题,而酶促酯交换可以克服以上缺点术

[23]

[22]

。酶促酯交换主要是利用脂肪酶作为催化剂,来实现油脂酯交换制取生物柴油的技

。以往生物酶法制造生物柴油采用的酶需从国外进口,且每公斤需要成本1万元。为了降低生产成

本、提高国内生产生物柴油的技术水平,最近秦皇岛科技领先公司与北京化工大学合作共同开发固定化脂肪酶,采用生物酶法生产生物柴油,即通过生物作用将动植物油脂废气物转化为柴油。专家认为,这在我国能源结构转变和能效提升中有重要的作用。2.2　生物乙醇生产技术

目前生物乙醇的制备有2种,一种是直接由淀粉、蜜糖等物质通过各种转化,最后分离出乙醇;另一种是由木质纤维通过发酵作用生产乙醇

[24]

。

通常,由淀粉制备生物乙醇需把液态淀粉先转化成葡萄糖,再采用酵母发酵法,把葡萄糖转化成乙醇。日本生物能公司在日本神户和京都等大学研究人员的帮助下,使用生物工程设计的酵母,可直接把淀粉发

[25]

酵成乙醇。公司用此法获得约92%的理论乙醇产率,由此大大降低了生产成本。

而纤维素原料生产燃料乙醇的实用性关键在于木糖发酵,因此找出发酵的优良菌种成了必须首先解决的问题。中国科学院化工冶金研究所生化工程国家重点实验室的刘健、陈洪章、李佐虎等筛选出树干毕赤酵母菌7124木糖发酵乙醇的优良菌种,并优化了利用纯木糖培养条件

[26]

。崔凌飞等选用青霉菌研究

纤维素酶二级和三级液体深层发酵条件,确定了种子液和发酵液的配方。通过海藻酸钠固定化树干毕赤酵母菌增殖细胞,使乙醇发酵浓度提高到20%,但该技术尚未进入生产阶段。

DuPont公司一直在研究开发一种由谷物秸秆与叶制成的复合糖基质进行分解的新技术,有较高的生产率,该公司准备采取行动将纤维素乙醇推向市场。日本林业和林业产品研究所开发出一种采用超临界水高效生产糖化物的实验室工艺,该糖化物是生产生物乙醇的原料。将流量为60-65g・min的超临界水在310-320℃、25MPa下,加入到含2g粉状杉木的反应器中。粉状杉木转化成葡萄糖的收率几乎达到了70%。

2.3　生物制氢生产技术

-1

[27]

通常采用电解水法制氢,但是成本很高,不能进行广泛应用。任南琪等1990年开始开展生物制氢技术的研究,于1994年提出以采用厌氧活性污泥对糖蜜、淀粉和白脱糖发酵制取氢气

[28]

,该项技术和理论

成果已经在中试研究中得到了验证,且生产成本明显低于目前广泛采用的水电解法制氢成本。Nanologix公司辛辛那提实验室的微生物学家成功采用专有NNLX微生物学方法将各种营养物质转化为H2。其中使用一种柳枝稷的草与3%的葡萄汁废弃物混合,这与单独使用柳枝稷或葡萄汁废弃物相比,气体产量提高了3倍。其他生物质,如玉米、废水和废副产品也可以作为原料进行生产。日本东京理工大学的研究人员发明了一种由纤维素生产纯净氢气的新工艺,该新工艺不仅收率接近100%,且不产生CO或CO2,除纤

[29]维素外,该工艺可应用于其他类型的生物质(包括淀粉、葡萄糖及木屑)。

3　生物能源开发利用研究中存在的问题与展望

生物能源已经是人类必不可少的新能源,不仅满足了人们对能源的需求,而且达到了保护生态环境的目的。虽然近年来国内外有关生物能源的研究和应用取得了很大的进展,但由于这方面的研究时间短,目前还存在许多问题,主要表现在:(1)生物能源原料来源有限,原料种类欠丰富,导致成本较高。(2)生物能源生产路线单一,生产技术不成熟。(3)采用的原料以粮食为主,引发与农田争地,导致粮食安全等问题。(4)人们对生物能源认识不清,不愿消费和使用生物能源,导致市场销路不佳。

为更好地开发利用生物能源,根据目前生物能源开发利用研究中存在的问题,今后在生物能源开发中应加强以下方面的研究。(1)加强生物能源来源途径的研究。充分利用地球上现有的资源,加大各种废弃物的利用,如草、麦秸、木屑及生长期短的木材都能成为原料,用更多廉价原料来进行生物柴油、生物乙醇、生物氢气的生产。(2)继续寻找新燃料来发展生物能源研究。据报道,来自威斯康星大学麦迪逊分校的一个研究小组,研究出1种新型液体燃料———2,52二甲基呋喃(DMF)。DMF的优点是能量密度比乙醇

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亚　热　带　农　业　研　究第3卷

高40%,沸点较高,不溶于水。佐治亚大学的科研人员开发出能够与生物柴油或石化柴油混合使用的一

种新型生物燃料,它是以木片为原料,将木片或颗粒在高温下热解后,将得到的气体浓缩成液态油状再进行化学处理,约三分之一的生物油可用于发动机。BP公司和DuPont公司从甜菜中提取出一种新的生物燃料———生物丁醇,也可从谷物、小麦、甘蔗等多种生物质中制取;与乙醇相比较,有着热值高,沸点高的优[30]

势。(3)进一步进行生物能源生产过程的优化研究。综合利用生产原料,根据原料的不同特性,筛选经济可行的生物能源生产路线,加大副产品加工利用,从而降低生物能源生产成本。(4)政府要加大力度制定具体的生物能源产业政策,使生物能源产品进入正常的消费渠道。要加大以非粮为主的生物能源建设,提高制备生物能源的技术水平,根据对原料的认识,形成一个经济可行的生产路线,达到原料的综合利用,以此来降低生产成本。通过国家优惠政策等提高人们对生物能源的认识,寻求更多更好的新能源,使未来的生物能源成为人们生活的必需品,从而加大全球生物能源建设。参考文献[1]费世民,张旭东,杨灌英,等.国内外能源植物资源及其开发利用现状[J].四川林业科技,2005,26(3):20-26.[2]姜岷等,韦萍,卢定强,等.后化石经济时代工业生物技术发展的若干思考[J].化工进展,2006,25(10):1119-1123.[3]吴鹏飞,马祥庆,王平.我国发展生物能源树种原料林的潜力和对策[J].亚热带农业研究,2007,3(2):125-128.[4]谭天伟,王芳,邓利.能源生物技术[J].生物加工过程,2003,1(5):32-36.

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