生物能源发展综述

一、综述

工业生物技术是以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等，是解决人类目前面临的资源、能源危机的有效手段。我国已将再生资源替代石油资源为原料、采用生物技术生产产品和燃料列为重大课题予以支持并进行开发，取得了可喜成果。

二、发展现状

( 1 ) 节能

节能是解决当前能源紧缺的一个重要途径，用生物工程技术部分取代化学反应可节约大量能源。生物量是一种可再生的能源。据估算，一年中地球上绿色植物利用太阳能和二氧化碳及水，转化成碳水化合物和其它有机物所积累的生物量共约1720亿t，如以平均热量值为1 8.8406MJ/kg计算，就相当于目前世界能源消费量的10多倍。它们除了供做食物、饲料、燃料和工业原料等之外，其余的96%~97%则作为废弃物或垃圾被抛丢。生物量作燃料，热转化率仅10%，如何提高生物量的利用率，引起了世界各国的重视。美国能源部专门成立了“生物量能局”，制订了联邦生物量燃料规划，计划到1990年从糖和淀粉中制取酒精0.2725亿 m3，从纤维素中制取1.3亿m3；到2000年从糖和淀粉中制取酒精0.4619亿m3，从纤维素中制取1.5亿m3。法国计划到1985年从稻草中转换相当于50万t石油的能源。日本制订了两个生物量能研究计划，即“绿色能源计划”及“生物量能转换计划”，并已付诸实施。日本对未利用的生物量资源进行了推算，对其发酵生产酒精的数量也作了预测。能量转化的角度分析，以高品位的石油产品合成燃料酒精，不能不说是一种浪费。因此应用现代生物工程技术是非常有前途的，在酒精的生产上，由于采用了固定化活细胞连续生产的全新工艺，使糖的转化率由过去的批式法生产的85~86%提高到95%；发酵时间从70~76h缩短到5h；发酵容器效率(按kg酒精/m3· h计)从1.3~1.5提高到11左右。这个新工艺已从实验室扩大到实验工厂规模。由于国际上所需酒精量不断增加，特别是用于配制汽油一酒精混合燃料，从工业化生产的观点来看，此法生产酒精是很有希望的。巴西从1975年开始执行“国家酒精生产计划”，由于大力开展从甘蔗制酒精，推广汽油一酒精混合燃料，在世界上取得了令人瞩目的成效。1982年产量达0.056亿m3，1985年达0.205亿m3，这样使石油的进口从1979年的5000万t下降到1982年的4000万t。

选育高温新菌种，70℃高温作用下发酵速度可快一倍；将霉菌淀粉酶转入酵母，直接利用生淀粉；利用高温淀粉酶把酒精发酵工段和蒸馏工段结合在一起同时进行等等，可以做到节省能源，简化工艺。

( 2 ) 开发新能源

利用工农业废物和生活废水产生沼气作为能源，近年来得到迅速发展。一方面是由于能源短缺需要开发新能源；另一方面是因为工业发达国家为了防止污染，结合废水、废渣处理，化害为利，生产沼气供使用。一般估计1t生化耗氧量约可产沼气1000m3，可提供本单位热耗的1/3~1/2。印度以牛粪为原料，发展农村沼气，已由政府资助全国推广。联合国在孟买建立了沼气研究中心。原苏联对沼气的开发研究也有多年历史，许多农庄都建有相当规模的沼气池。沼气发电已进入了中等规模的试验阶段。

光合细菌产氢是一项值得探索的研究课题。氢的热值高、无毒，被认为是最清洁的能源。利用物理、化学方法产氢，耗能大，成本高，难以推广。科学家研究固定化酪酸梭状芽抱杆菌、深红螺菌、肺炎克氏球菌均可利用葡萄糖产氢，转化率可达45%以上。日本理化研究所用蓝绿藻制成光合器，能在阳光下光解水产生氢，每毫克项圈蓝藻可产氢2mL。也有人研究利用固定化氢化酶产氢。这些工作都十分诱人。但估计短期内尚难投入实际应用。

利用氧化还原酶电子传递连锁反应，构建生物燃料电池也有重大发展，但离实际应用还有一段距离。

( 3 ) 微生物采油

微生物采油可分成两个方面：一是利用微生物发酵产物进行采油。例如表面性剂聚丙酞烯胺，作乳化剂、破乳剂，用于提高采油量或脱去油水乳化液中的水。又例如微生物多糖，可作为注水稠水剂，以提高采油率；也可作油井压裂液；同时又可用作钻井泥浆悬浮剂。二是把微生物菌体注入油层进行采油，主要依靠微生物在油层里的作用。例如，消耗油层中的高粘度成分，如石蜡，使石油粘度下降；产生表面活性剂，降低油、水界面的张力，使石油易于驱动；产酸(醋酸、丙酸等有机酸)，与岩层作用释放出大量二氧化碳，造成油井压力。当然这些微生物还必须具备厌气、耐高压、耐高温、耐高盐的性状，否则就无法适应井下的环境条件。1982年统计，全世界进行微生物采油的试验已达224次，其中美国178次，原苏联及东欧各国42次。大体的试验过程是，在地面人工方法扩大培养采油微生物，然后连同营养物质一起注入油井，封井3~6个月，再进行采油。工艺简单，成本低廉，操作方便，在半年时间里，平均增产260%，而每桶石油的开采费用只增加15~50美分。1981年，美国利用微生物采油的试验，获得石油2000万桶，价值6亿美元。

美国的细菌多糖——黄杆胶，在石油钻井及提高石油采收率方面均证明是有效的，1979年的产量为19000t，已在世界各地推广使用。

微生物采油给从“死井”中回采占储量60%~70%的、粘滞性很大的油层带来了希望，引起了国际石油界人士的极大重视，纷纷投资生物工程，用生物工程技术构建更加理想的的采油微生物工程菌的研究正在深入进行。

三、存在的问题

生物工程在能源方面，既可节能，又可开发新能源，同时对提高石油开采率将产生重大作用，为解决世界面临的石油能源日益枯竭的危机作出贡献。美国工业资源发展公司，于1981年发表了一份“基因工程对能源的影响”的研究报告，指出基因工程对能源工业和化学工业的影响将比医药工业更大，最终将使耗能巨大的化学反应能在常温、常压下进行。同时指出，基因工程在能源方面将有四大贡献:即谷类作物的固氮，乙醇的生产，其它化工产品的生产和微生物增加石油采收。

四、今后在此方面的发展

在以后 50 ~ 200 年内，一些化石燃料特别是石油，很可能耗尽。因此，迫切需要发展替代能源。最大的需求将来自地热、核能、太阳能、水和风能。但是，生物燃料产生可能会变得更重要，特别是它能提供液态和气态两种燃料。重要的