第十章 生物技术与能源

生物技术与能源

能源是人类经济发展、生活水平提高、文明进步的基础。保障能源的稳定发展，是国家政治、经济、外交、军事活动的重要目标。数百年来，煤和石油一直是能源王国的“主角”。随着生产力的不断发展，人类对能源的需求越来越大，煤、石油和天然气等不可再生能源在不久的将来就会消耗殆尽。欧共体的专家预测，全球近30年来消耗的能源等于以前整个历史时期所消耗能源的总量之和，石油和天然气的消耗速度比它们自然形成的速度要快100万倍。与此同时，由能源的大量消耗所引起的环境生态恶化也在不断加剧。据统计，全球矿质燃料所释放的碳总量每年高达60亿吨之多……种种触目惊心的事实告诉我们，必须未雨绸缪，利用现代科技手段寻找可替代能源。

生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。

微软总裁比尔·盖茨在《今日美国》一文中曾向全世界宣称：“下一个成为世界首富的人，必定出自生物技术领域。农田作物有可能逐渐取代石油，成为获得从燃料到塑料的物质来源。‘黑金’也许会被‘绿金’所取代。”而今，面对化石资源日益枯竭的窘境，在现代生物技术的大力推动下，世界正孕育着一场用生物能源代替化石等不可再生资源战略的大转移。一个全球性生物能源产业革命正朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。其中，生物技术扮演了至关重要的角色。

7.5.1 生物能源概述

生物能源，又名绿色能源，是指从生物质得到的能源，也是人类最早利用的能源。早在远古时代，人们钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在使用生物能源。生物能源主要来自于能源作物，包括速生薪炭林、能榨油或产油的植物、可供厌氧发酵用的藻类和其他植物，生物能源的

主要利用形式则有沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇等。其中，燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。

生物能源是由太阳能转化而来的，只要太阳不灭，生物能源就取之不尽、用之不竭。其转化过程主要是通过绿色植物的光合作用将CO2和H2O合成生物质，生物能的使用过程又产生CO2和H2O，这就形成一个循环。理论上讲，CO2的净排放量为零，这意味着生物能源不仅是一种可再生的清洁能源，而且开发和利用生物能源也符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。也正因为如此，利用生物高新技术手段开发生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要组成部分。

对于正在快速发展经济的发展中国家，中国的能源需求正在以每年3.5％的速度增长，预计在未来20年，能源总需求量将比现在增加1倍，从而使中国成为与欧洲一样的能源消耗大户。到那时，单纯依靠进口能源必将威胁到我国社会经济的高速发展，而发展生物能源也因此成为解决我国能源安全问题的必然选择，是国之大计。

地球上每年光合作用的产物高达1500多亿吨，是地球上最主要的可再生资源，其中少部分淀粉、蛋白质和糖类作为食粮、饲料和发酵工业原料得到广泛的应用。生物化学和微生物学研究发现，不少微生物都能够很容易地将淀粉水解产生的葡萄糖等糖类转化为各种各样的醇、酮、有机酸类化工产品，从而可以成为未来资源循环型社会的主要化工原料。其中，乙醇、丙酮—乙醇、乙酸、乳酸、柠檬酸、甘油、各种氨基酸等早已形成规模化工业生产，构成现代轻化工业的重要组成部分。然而，越来越多的人已经认识到，随着世界人口的增长，用淀粉和糖类生产燃料和化工产品的发展受到限制。绝大部分光合作用产物为木质纤维类物质(如草、树木等)，都是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物，从总量上看，纤维素、半纤维素、木质素才是世界上最广泛的可再生性生物质资源，全球生物量的5%所含的能量即可与石油和天然气的需求相当。木质纤维材料主要组成为糖类和芳香族化合物，完全可望将它们降解转化为各种燃料、化学品的材料。

目前，这部分资源尚未得到充分的开发利用，有些还造成污染，如秸秆就地焚烧、农产品加工业排放废物、城市丢弃有机垃圾等。仅我国每年的农林废弃物就有近10亿吨，工业纤维素数千万吨。如能利用微生物技术等手段，将其中一部分转化为燃料、饲料、化工原料等有效利用，即可望对资源不足等难题的解决作出巨大的贡献。

生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、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发展计划。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行

各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。

7.5.2能源与环境

人类正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料总有一天要掘空。按消费量推算，世界石油资源在今后50年到80年间将最终消耗殆尽。到2059年，也就是世界上第一口油井开钻二百周年之际，世界石油资源大概所剩无几。另一方面，由于过度消费化石燃料，过快、过早地消耗了这些有限的资源，释放大量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏，全球气候变暖，酸雨等灾难性后果的直接因素。这就是说，如果不发展出新的能源来取代化石常规能源在能源结构中的主导地位，在21世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危机，是人类在下一世纪所面临的三大最可能发生的灾难之一。

固然，发展生物质能源不是获得新的能源的唯一途径，人类可以采用高技术手段获得核能源，甚至从外太空获得能源，但其中的危害也是有目共睹的。首先，核能源的发展极可能给已经不安的世界带来新的不稳定因素,甚至直接威胁到人类的生存环境；其次，各国或各集团在人类下世纪技术水平下所能到达的有限外太空区域内进行的能源开发，将不可避免地引发新的争夺或争端，其祸福不言自明。而生物质能源则不仅是最安全、最稳定的能源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品种的能源，如固化和炭化可以生产因体燃料，气化可以生产气体燃料，液化和植物油可以获得液体燃料，如果需要还可以生产电力等等。目前，世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。

7.5.3国内外主要生物质能技术

7.5.3.1未来石油的替代物——乙醇

石油是目前世界上最主要的能源，它的开采量及价格直接影响全球工农业生产及人们的生活水平。但是，石油是一种不可再生的化石燃料。目前，世界各地处于能源危机的关键起因都是缺乏化石燃料资源。一旦地球的石油储存量被开采及消耗完，而现代工业技术一时不能生产替代石油的新产品时，其后果是不堪设想的。由这个问题引出诸多先进生物技术，进行生产石油的替代物研究及推广使用，预期能缓解石油短缺引发的危机和困境。

煤、天然气和石油等不可再生能源不断地被消耗的同时，人类一直