现代化工生物能源技术

现代化工生物能源技术洁净新能源有绿色能源之称，它的最大特点是燃烧或使用后不造成环境污染，有利于维持生态平衡。

发展洁净新能源是未来能源业建设的发展方向。

21世纪所面临的最大难题及困境可能不是战争及食品，而是能源。

因为目前整个人类发展和工农业生产，几乎都是依赖于这些很有限的化石能源。

随着地球上化石能源的不断耗尽，寻找、改善及提高可再生能源利用率和发明创造新技术以最大限度地开采不可再生能源的做法很可能是今后几十年内人类从地球上获取能源的有效举措。

虽然以水力、潮汐、风力为动力的发电设备及太阳能捕获器、地热已为人类提供一定的能源，但离人类对能源的需求还相差甚远。

设法利用新技术创造更多的能源并代替不可再生的化石燃料，用于满足人类生存的需求，也将是人类寻找新能源惟一明智的做法。

然而，这种新技术实际上已被和正在被人类所利用，即生物技术创造能源。

微生物技术与石油开采一微生物培养技术在勘探石油上的运用1937年，地质科学工作者在进行直接分析底土(原生风化土)中的烃含量(气测法)，并用于判断地下油气的储存量时，发现油区底土中的重烃含量与季节变化存在一定联系。

这种依季节而变的起因是由于微生物活动引起的。

因而提出了油气田中的气态烃可借扩散方式抵达地面，及地表底土中存在能利用气态烃为碳源的微生物等看法。

此外，这些菌在土壤中的含量与底土中的烃浓度存在对应的关系，所以可作为勘探地下油气田的指示菌。

随着微生物培养技术及菌数测定方法的不断改进，利用微生物勘探石油这项技术得到迅速发展。

美国、前苏联、捷克斯洛伐克、波兰、匈牙利和日本等国家都用。

1957年有人报道，用微生物勘探确认的16个油矿中，其中有13个有开采价值的油气田及3个无开采价值的油气田，油气区准确率100%。

近十几年来，虽然随着计算机应用的普及和先进的分析技术不断地涌现，勘探石油的技术也随之日益更新且准确率不断地提高，但利用微生物勘探石油这一项生物工程技术仍是一项行之有效的辅助性并具有科学性的技术。

二生物能源的特点1、生物质能源在燃放过程中，对环境污染小。

生物质能源在燃放过程中产生二氧化碳，排放的二氧化碳可被等量生长的植物光合作用吸收，实现二氧化碳零排放，这对减少大气中的二氧化碳含量及降低“温室效应”极为有利。

2、生物质能源蕴含量巨大，而且属于可再生能源。

只要有阳光存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能源就不会枯竭。

大力提倡植树、种草等活动，不但植物会远远不断的供给生物质能源源材料，而且还能改善生态环境。

3、生物质能源具有普遍性、易取性特点。

生物质能源存在于世界上国有国家和地区，而且廉价、易取，生产过程十分简单。

4、生物质能源可储存和运输。

在可再生能源中，生物质能源是唯一可以储存与运输的能源，对其加工转换与连续使用提供方便。

5、生物质能源挥发组分高，炭活性高，易燃。

在400℃左右的温度下，生物质能源大部分挥发组分可释出，将其转化为气体燃料比较容易实现。

生物质能源燃烧后灰分少，并且不易黏结，可简化除灰设备。

三生物能源的分类1. 农林废弃物包括农业废弃物和林业废弃物。

农业废弃物指的是农作物收获时农田中产生的残余物，，可以利用的有谷物、根茎作物和甘蔗残余物等。

林业废弃物指的是木材加工部门从原材料制造各种木质一次制品时产生的废物，以及木材利用部门以一次制品为原料形成建筑物等二次产品时产生的废物。

农业废弃物产生的方式和量随产生的地点的不同而不同，对应于收获量的残余物产生比率，米为140%、麦为130%、玉米为100%、根茎作物为40%。

世界上产生的农林废弃物总共约为30亿吨，米的残余物最多，约为8.36亿吨。

此外，根茎作物残余物为2.72亿吨，麦残余物为7.54亿吨，玉米残余物为5.91亿吨。

2. 有机污水有机污水指的是丰富有机物质的排放废水，其中包括工业污水、农业污水以及生活污水等。

由于清洁、高效、可再生等突出特点，氢气作为能源日益受到人们的重视。

目前制取氢气的的方法有：水电解法、热化学法、光电化学法、等离子化学法、生物制氢法。

从生物制氢的成本角度考虑，利用这些单一基质制取氢气的费用比较高，而利用工农业有机废水等廉价的复杂基质来制取氢气，能使废物质得到资源化处理，降低它的生产成本。

利用混合菌种产氢技术逐步成熟，并取得了较大成果。

3. 禽畜粪便禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。

除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。

中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根据这些禽畜品种、体重、粪便排泄量等因素，可以估算出粪便资源量。

根据计算，目前我国禽畜粪便资源总量约8.5亿吨，折合7840多万吨标煤，其中牛粪5.78亿吨，4890万吨标煤，猪粪2.59亿吨，2230万吨标煤，鸡粪0.14亿吨，717万吨标煤。

4. 生活随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，中国城镇的产生量和堆积量逐年增加。

1991和1995年，全国工业固体废物产生量分别为5.88亿吨和6.45亿吨，同期城镇生活量以每年10%左右的速度递增。

1995年中国城市总数达640座，清运量10750万吨。

四生物能源的原料来源1. 按照原料的化学性质分，生物质能源原料可分为：糖类、淀粉和木质纤维素物质。

2.按照原料的来源分，生物质能源原料可分为：农业生产废弃物，主要为农作物秸秆；薪柴和柴草；农林加工废弃物，木屑、谷壳和果壳；人畜粪便和生活有机等；工业有机废弃物，有机废水和废渣等；能源植物，包括所有可作为能源用途的农作物、林木和水生植物资源。

五生物能源的地位与重要性从生物质能的资源总体构成来看，目前我国农村中生物质能约占全部生物质能的70％以上，其他主要是城镇生活、污水和林业废弃物，而从先进国家目前的生物质资源和利用来看，其主要构成均都是以林业废弃物和薪炭林为主。

我国随着薪炭林技术的发展和工业艺水平的提高，这方面的比例也会越来越大，所以这方面的开发利用量也是不容忽视的。

世界生物能源技术的发展应用主要有四大方向：基于沼气池等传统设备的生物能源技术、基于生物优选和转基因技术的生物燃料技术、生物发电技术、生物燃料电池技术。

在这些技术方向上，系统化的工业应用项目已经大量投入运行。

在主要攻关方向上，国外也出现了很多重大研究突破。

六我国生物能源技术的发展应用情况我国生物能源技术的发展取得了很多成就。

例如，我国已经能够独自设计、建设大型生物发电厂，而且主要设备都已经实现国产化。

我国在生物燃料电池、优选生物燃料的研究方面也取得了很多技术突破。

在沼气技术方面，我国研究、筛选了300多株厌氧微生物菌种，认定了严禁沼气池使用的材质，如黄花蒿、梧桐叶、臭椿叶、水杉、桃叶、苦楝叶、断肠草、猫儿眼、银杏叶、辣蓼子、泡桐叶等。

在嗜热厌氧纤维素酶、产甲烷菌、纤维素厌氧降解及沼气发酵菌剂、嗜热纤维素分解菌、复合沼气发酵菌剂、沼气厌氧固态发酵、厌氧纤维素分解菌等领域，我国也取得了很多技术成就。

在技术标准化方面，我国也取得了很多成果。

例如，《沼气工程技术规范第1部分：工艺设计》、《沼气工程技术规范第2部分：供气设计》、《沼气工程技术规范第3部分：施工及验收》、《沼气工程技术规范第4部分：运行管理》、《沼气工程技术规范第5部分：质量评价》、《规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程》、《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》和《沼气发电机组》等工业标准已经颁布实施。

七现代生物技术在新能源领域的运用1、发展新型燃料电池燃料电池使用气体燃料（如氢、甲烷等）与氧气直接反应产生电能，其效率高、污染低，是一种很有前途的能源利用方式。

传统燃料电池使用氢为燃料，而氢气不易制取又难以储存，致使燃料电池成本居高不下，美国宾夕法尼亚大学研究人员设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。

研究人员曾尝试用便宜的有关碳氢化合物为燃料，但化学反应的“残渣”很容易积聚在镍制的电池正极上导致断路，而使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极，解决了“残渣”积聚问题。

新研制的燃料电池可用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种碳氢化合物做燃料源，可以通过微生物发酵途径生产甲烷等碳氢化合物，成为研制新型燃料电池较为丰富而广泛的原料来源。

目前这种新型燃料电池的能量转换效率还较低，有待进一步研究改进提高。

2、开发军民两用的生物能源不论军用的兵器如机动装备大部分，或是民用的汽车等交通工具均以汽油、柴油为燃料、若用氢气作燃料更为理想，其特点：（1）洁净，不污染环境；（2）热效率高，约是汽油的3倍；（3）生物制取氢气有潜力。

正因为如此，充分利用生物技术生产氢气将大有可为。

如用一种红假单胞菌（rhodopseudomonassp）为生产菌，以淀粉为原料生产氢气取得良好效果，每消耗1克淀粉可产氢气1毫升。

用氢和其他少量燃料混合可替代汽油、柴油。

乙醇也是一种洁净生物燃料，用途广泛，可用来替代汽油和柴油。

日本、加拿大等国家用基因技术建构的“工程酵母”以其高产酶的活力，酶解纤维素制取乙醇；也有建构的“工程大肠杆菌”能将葡萄糖有效地转化成乙醇；这类乙醇均可替代汽油或柴油使用，随时为机动装备提供大量生物燃料。

其实，产氢、产乙醇的生物不仅有细菌或“工程菌”，而且某些藻类或其他微生物均有生产氢或乙醇的能力。

美国加州大学等研究人员发现一种叫莱因哈德衣藻（chlamydomonasreinhadtii）的绿藻（真核生物）具有持续大量产氢能力。

关键在于控制其生长环境，从生长营养液中去除硫素，在此情况下藻体停止了光合作用、不产氧；在无氧条件下藻体必须以其它途径产生腺茸三磷酸酯维所需要的能量，利用所贮存的能源以实现其最终产氢的目的。

一般说，这种天然藻产氢量很低，为此，一方面控制其生长所必需的或障碍生长的关键因素；另一方面，采用分子遗传技术改造藻的特性，以提高其产氢能力。

由此可见，充分利用各种生物开发军民两用的洁净生物能源是有潜力的。

3、微型绿藻是索取氢能的最廉价途径上面已提到绿藻和微生物产氢途径，这里强调微型绿藻制取氢气的前景，科学家预测，当石油和天然气耗尽时，氢气也许是一种较为理想的能源。

关键在于找到一种廉价产氢的方法。

有专家认为，利用普通池塘绿藻的产氢能力或许是个最实际的选择---经济实用，分布广。

绿藻这种微型低等植物繁殖快，全世界到处都有它的分布，它在有水、阳光的条件下具有制造氢气的能力。

在人工控制下可迫使绿藻按要求生产氢气，有实验研究报告指出，一升绿藻培养液每小时可产氢3毫升，还需进一步提高产氢效率。

注意两点：（1）运用基因工程技术改进这种产氢系统，有可能使氢气产量增加10倍或更高些；（2）细胞固定化技术的应用，有可能提高微型绿藻持续产氢能力。

在德国、加拿大、日本等国家为实现“洁净氢能源”的开发计划，积极建立“产氢藻类农场”，为实现氢能源规模生产做出巨大努力。