生物质能源的利用及研究进展

２０１　７年第１　６卷第１　Ｏ期　生物质能源的利用及研究进展　口朱冬梅张红兵　【内容摘要】化石能源的日益紧缺及其衍生的环境污染问题越来越严重。生物质能源的开发和应用，因其可再生性和环保性，　越来越受到人们的重视。本文首先介绍了生物质能源相关的基础知识，然后综述了生物乙醇与生物柴油的发展情　况，并展望了生物质能源的发展趋势。　【关键词】生物质；生物质能源；生物乙醇；生物柴油　【基金项目】本文为石家庄市科技局科学技术研究与发展计划项目（编号：１６１５００２２２）和河北经贸大学校内科研项目（编号：　２０１５ＫＹＺ０１）研究成果。　【作者简介】朱冬梅（１９９２．１０一），女，河北经贸大学生物科学与工程学院食品质量安全研究所硕士研究生　【通讯作者】张红兵（１９６６．１０～），男，河北经贸大学教授，博士，硕士生导师；研究方向：生物工程　随着全球经济的发展，人们对能源的依赖程度逐渐增　加，需求与日俱增，目前作为能源主要载体的化石燃料面临　枯竭，油价飞涨，压力突出。消耗化石能源引起的污染越来　越严重，不利于环保要求，必须寻求清洁、安全、可靠、可持续　发展的新能源体系，从而保护自然资源和生态环境。生物质　能源是可再生能源的重要构成部分，具有产业化和规模化发　展趋势，也是传统化石能源的替代品，在未来的能源结构优　化中占据重要地位，各国政府无不关注，并积极引导相关专　家从事生物质能源新技术的开发研究。　一区的绿化占地约４０％。随着城市园林绿化业的发展，绿化废　弃物数不胜数。　３．畜禽粪便。随着菜篮子计划的实施，我国养殖业逐渐　发展壮大。家养的畜禽粪便不易汇集，会直接沤肥用于肥　田；规模畜禽养殖场每年产生大量养殖粪污，且容易集中处　理并充分利用，防止有机物的排放对环境和地下水造成　污染。　（三）生物质的利用。植物生物量是地球上最丰富的可　再生资源。典型植物生物质中包含约４０％一５０％的纤维素，　２０％一４０％的半纤维素以及２０％～３５％的木质素，它们互相　联结形成一个复杂的结构。由于木质素具有疏水性和纤维　素的结晶性，纤维素被木质素和半纤维素所包裹，所以复杂　的植物材料在进一步处理之前需要被解构为化学形态更简　单的物质。这些中间物的形式包括糖，合成气　ｊ，有机酸　、生物质能源　生物质能源是指通过植物光合作用，将太阳能转化为植　物体内的化学能　Ｊ。生物质能源作为一种可再生能源，它的　开发利用可为解决当前全球变暖、化石能源成本飞涨和环境　污染等重大问题提供新的途径　Ｊ。　（一）生物质能源的特点。　和甲烷。通过形成合成气来利用纤维素可以采用热化学过　程来完成，其次是Ｆｉｓｃｈｅｒ—Ｔｒｏｐｓｃｈ反应和通过ＣＯ，固定的　Ｗｏｏｄ　Ｌｊｕｎｇｄａｈｌ途径进行的微生物转化　Ｊ。木质纤维素　转化为有机酸或甲烷的混合厌氧培养的过程类似于瘤胃发　酵。所有这些生物燃料生产的过程都已经进行了探索，发现　在微生物，分子和生物化学的水平上进行研究是非常必要　１．可再生性　。可再生能源，储备多，获取方便，具有天　然的自我再生功能，可以保证能源长久持续的使用。　２．环保性。利用生物质能源对降低ＣＯ　排放有突出作　用，有助于减缓温室效应，并且在转化过程的同时减少硫化　物、氮化物和粉尘等的排放。　３．兼容性。可直接使用，也可以利用转化工艺作为二次　能源使用。生物质可以通过生物，化学和物理方法转换成生　物能源　。　的，这样可以充分发掘它们在战略目标上取代化石燃料的　潜力　。　１．生物质能源的主要应用技术。生物质材料主要通过　４．缺点。生物质分布不集中、单位体积内的能量低、低　发热量和种类多而杂等　Ｊ。　（二）生物质能源的主要来源。目前，主要的生物质能源　物理、化学和生物等方法转变成可直接利用的能源物质。　（１）物理方法。即改变生物质的形态得到高密度的固体　成型燃料，这需要借助外力作用。如通过高温／高压作用将　疏松的生物质原料压缩成具有一定形状和密度的成型物，以　减少运输成本，提高燃烧效率　１０］。比如固化利用技术：即把　来源如作物秸秆、林场枝叶废弃物、畜牧粪便等非粮物质。　但长久以来，人们对生物质资源中的固体废弃物常用堆肥、　填埋、焚烧等方式处理，导致废物处理时间久，污染土壤和水　生物质粉碎成细小颗粒，然后特定的温度、湿度和压力下，压　资源；虽然焚烧法的热值高，可是成本高，而且易污染大气。　因此若是能够高效利用这些废弃物来生产新能源物质可以　增加产业利润，还可以解决环境污染的问题。　１．作物秸秆。农作物秸秆，包含其收获后的剩余物，以　及农产品加工后的废弃物，是丰富的可再生生物质资源。　２．园林、林业废弃物。从数据看，２０１１年我国城市建成　缩成型，使其热值高，密度大，能很好地解决生物质本身的缺　点。且颗粒燃料的热值接近煤热值的６０％，可以替代煤和天　然气等　“］。　（２）化学方法。目前生物质能应用最多的是传统化学。　以生物发酵为代表，包括传统的发酵制取乙醇和沼气，也包　括现代的ＡＢＥ（Ａｃｅｔｏｎｅ—Ｂｕｔａｎｏｌ—Ｅｔｈａｎｏ１）发酵技术制取丁　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｒｉｂｕｎｅ　・１　３０・　２０１　７年第１　６卷第１　０期　醇和发酵制氢；以及生物化学转化技术，在微生物的发酵作　用下生物质转化成沼气、酒精等　。　（３）生物方法。利用酶等微生物，将生物质转化为生物　质乙醇及其他化工原料　。　二、生物质能源开发利用情况　从２００８年开始，化石燃料的价格接连升高，而以粮食转　【参考文献】　［１］王雨生，傅建祥．生物质能源的应用技术研究［Ｊ］．青岛农　业大学学报（自然科学版），２０１５，３２（３）：２１５～２２１　［２］王晓娟，杨阳，张晓强等．木质素与生物燃料生产：降低含　量或解除束缚［Ｊ］．中国农业科学，２０１５，２：２２９—２４０　［３］Ｂａｌａｔ　Ｍ，Ｂａｌａｔ　Ｈ．Ｒｅｃｅｎｔ　ｗｅｎｄｓ　ｉｎ　ｇｌｏｂａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｔｉ　１ｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｏ—ｅｔｈａｎｏｌ　ｆｕｅｌ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００９，８６（１１）：　２２７３—２２８２　化的第一代生物燃料饱受争议。当下，全球都在探索第二代　生物燃料。第二代生物燃料目前主要有以下几种：发酵技　术：通过纤维素发酵生产乙醇；生物制氢技术：将生物质通过　发酵生成氢气；还有生物甲烷，即沼气技术。还有生物质合　成油，用化学法将生物质制成液体燃料（英文简称ＢＴＬ）。这　种液体燃料作为可再生的清洁能源，以及其具有的能源多元　［４］张迪茜．生物质能源研究进展及应用前景［Ｄ］．北京理工　大学，２０１５　［５］陈曦，韩志群，孔繁华等．生物质能源的开发与利用［Ｊ］．　化，是新能源技术的闪光灯。　化学进展，２００７，１９（７）：１０９１～１０９７　（一）生物乙醇。糖类、淀粉类和纤维木质素类是乙醇生　［６］Ｒａｎｃｈ　Ｒ，Ｈｒｂｅｋ　Ｊ，Ｈｏｆｂａｕｅｒ　Ｈ．Ｂｉｏｍａｓｓ　ｇａｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓｙｎ．　产的主要原料。作为原料，美国以玉米为主；巴西主要是甘　ｔｈｅｓｉｓ　ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｎｇａｓ［Ｊ］．Ｗｉｌｅｙ　蔗；欧盟主要是小麦和甜菜；中国则以玉米、小麦、木薯为主。　Ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　Ｒｅｖｉｅｗｓ　Ｅｎｅｒｙｇ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１４，３（４）：　我国基于“不与人争粮，不与粮争地”的认知，充分利用非粮　３４３～３６２　原料　发展生物乙醇。重要的化工产品乙烯，其生产依赖化　［７］Ａｇｌｅｒ　Ｍ　Ｔ，Ｗｒｅｎｎ　Ｂ　Ａ，Ｚｉｎｄｅｒ　Ｓ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｗａｓｔｅ　ｔｏ　ｂｉｏｐｒｏｄ．　石能源。化石能源危机阻碍其生产，而利用生物乙醇制备乙　ｕｃｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ　ｍｉｘｅｄ　ｃｕｌｔｕｒｅｓ：ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ　烯则很有发展潜力。生昌国等提出生物乙醇制作乙烯是一　ｐｌａｆｔｏｒｍ．［Ｊ］．Ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２９（２）：７０　条可持续发展的化工路线　。　［８］Ｋａｉ　Ｓ，Ｍｆｉｎｅｒ　Ｖ．Ａｕｔｏｔｒｏｐｈｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　（二）生物柴油。生物柴油主要依靠物理和化学方法生　ｌｉｆｅ：ａ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｙｇ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｃｅｔｏｇｅｎｉｃ　ｂａｃｔｅｒｉａ［Ｊ］．　产。化学法中的酯交换反应应用较多，其对原料要求低，生　Ｎａｔｕｒｅ　Ｒｅｖｉｅｗｓ　Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，２０１４，１２（１２）：８０９—８２１　产成本较低，但反应过程有副产品、二次污染等问题，制约着　［９］Ｌｉａｏ　Ｊ　Ｃ，Ｍｉ　Ｌ，Ｐｏｎｔｒｅｌｌｉ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｆｕｅｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ：ｍｉｃｒｏｂｉ—　生物柴油的发展　。近些年又提出了微藻生物柴油ｌ１’Ｊ，第　ｌａ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｂｉｏｆｕｅｌｓ［Ｊ］．Ｎａ—　一个开发利用微藻来生产生物柴油的国家是美国　。．国内　ｔｕｒｅ　Ｒｅｖｉｅｗｓ　Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，２０１６，１４（５）　外微藻生物柴油多处于开端，限制其产业化的重要因素是原　［１０］徐丽华，罗鹏，严明．我国生物质能源利用现状［Ｊ］．广州　料成本高。因此，减少微藻产油成本是研究重点。　化工，２０１６，４４（１１）：４７—４８　（三）其他生物燃料的研究情况。沼气由微生物新陈代　［１１］张得政，张霞，蔡宗寿等．生物质能源的分类利用技术研　谢产生，微生物吸取生物质能量，产生甲烷（主要）、二氧化　究［Ｊ］．安徽农业科学，２０１６，８：８１—８３　碳。秸秆、畜禽粪便等是沼气生产的主要材料。尹艺冉　等　［１２］田水泉，张立科，杨风岭等．生物质能源化学转化技术与　探索生物能源产生的热值，发现厌氧产甲烷过程对水生植物　应用研究进展［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９（３）：１６４５～１６４８　的资源化更有帮助。另外对生物质进行高温热解，就是生物　［１３］王雨生，傅建祥．生物质能源的应用技术研究［Ｊ］．青岛　质在高温下（＞＝７００￣Ｃ），添加一些空气（氧气），生物质就会　农业大学学报（自然科学版），２０１５，３２（３）：２１５～２２１　热裂解，生成可燃混合气体和不可燃气体。此气体是生物质　［１４］刘俊红，王福梅，赵彩霞等．预处理条件对麸皮糖化率的　燃气，纯化后可供车辆驱动使用。另一种是使用电力和自养　影响［Ｊ］．食品研究与开发，２０１４，１５：１～３　生物将ＣＯ：转化成液体的电燃料。与生物光合作用相比，由　［１５］王延飞，贾宝莹，杜平．生物乙醇制备乙烯的发展状况及　于光伏技术的效率更高，因此理论上，电燃料比光合作用产　展望［Ｊ］．四川化工，２０１５，１８（１）：２８—３０　生的燃料具有更高的将太阳能转化燃料的效率。此外，对于　［１６］禹进，王卫，苟小龙．一种新型生物柴油替代燃料模型　光合微生物来说，需要将光反应和暗反应分离开来绕过昂贵　［Ｊ］．工程热物理学报，２０１４，５：１００３～１００６　的培养系统。　［１７］Ｔａｎ　Ｃ　Ｈ，Ｓｈｏｗ　Ｐ　Ｌ，Ｃｈａｎｇ　Ｊ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｎｏｖｅｌ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｏｆ　三、生物质能源的发展趋势　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｂｉｏｅｎｅｒ￣ｅｓ　ｆｒｏｍ　ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ：Ａ　ｒｅｃｅｎｔ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｂｉｏ—　（一）积极发展非粮生物燃料　Ｊ。发展非粮生物质能源　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｄｖａｎｃｅｓ，２０１５，３３：１２１９　能充分利用废弃资源，促进环保和节能减排。非粮原料生物　［１８］周文广，阮榕生．微藻生物固碳技术进展和发展趋势　燃料是生物燃料工业的发展趋向。　［Ｊ］．中国科学：化学，２０１４，１：６３—７８　（二）研发纤维素乙醇。第二代生物燃料正在积极研发。　［１９］尹艺冉，王进，彭书传等．酸处理菹草制备生物乙醇和甲　未来的燃料乙醇会以纤维素类生物原料为重点。现在，许多　烷过程研究［Ｊ］．合肥工业大学学报自然科学版，２０１５，１：１０３　国家都颁布了鼓励发展纤维素乙醇政策。　—１０８　（三）开发高产油藻，实现产业化。微藻能在各种恶劣的　［２０］刘洪霞，冯益明．世界生物质能源发展现状及未来发展　环境中密集生长，其生产能力强，而且所生产的生物柴油不　趋势［Ｊ］．世界农业，２０１５，５：ｌ１７～１２０　会对环境造成污染。因此，工程微藻是未来生产生物柴油的　［２１］张文毓．生物柴油的研究及应用进展［Ｊ］．化学与粘合，　重要发展方向　。　２０１６，３８（２）：１４３—１４６　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｒｉｂｕｎｅ囫囝衄　・１３１・