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　　11文章编号:1008 9632200402 华东理工大学生物反应器国家重点实验室,国家生化工程技术研究中心,上海200237摘要:石化资源的溃乏以及其飚升的价格使得今天生物能源的研究越来越受到关注。从传统的生物供能方式———燃 烧开始,介绍发酵制气、生物电池等最新的生物供能方式,以求对生物燃料作一较为详细的介绍,并对其应用前景进行 展望。 关键词:生物质燃料;生物质;燃烧;生物转化;生物电池 中图分类号:Q611 文献标识码:A 20 世纪,能量消耗急剧增加,而且在世界范围内 存在巨大的不平衡; 21 世纪, 在这个新世纪里, 一方 面,能量的需求并没有减弱的迹象特别在一些发展 中国家 ,另一方面,由于传统的不可再生能源,如石 油、煤和天然气等,量的限制,以及在使用过程中对环 境产生的不可恢复性破坏,这都使得开发新型的环保 能源成为了今天的研究热点 。还需要提出的是,由于航天、医疗、电子技术等的需要,我们对这种“新” 能源及其设备提出更为“苛刻”的要求: 在具有可再 生、廉价等特征的同时,还必须具有体积小、重量轻、 长寿命等特点。 以化学形式储存太阳能的生物质Biomass 球上最珍贵的也是最通用的能源。它不仅仅是人类的食物之源,还被人们用于能量、建筑材料、必威 betway必威纤维、纸 张和医药等方方面面。更是从人类发现火之日起,生 物就被用以能量目的。而今,生物质燃料的消耗已占 世界总能源消耗的14 %,在发展中国家这一比例达到 38 %。随着人口的增长和人均耗能的增加,以及传统 石化能源的减少,生物质燃料的需求将大大增加 此外,生物质燃料被利用到更广阔的范围,从家庭取暖到汽车驱动,从计算机及通讯设备的运行到医疗设 备如心脏起搏器 的维持,生物质燃料都担负了重要 的作用,生物质燃料已经成为满足新能源要求的、最 具挑战性的能源形式。 生物质燃料概论生物质,除去其在地球生态环境中所起的美学价 值外,对人类还是便利的经济的可再生能源。生物质 通过光合作用将 CO 和水结合形成碳氢化合物糖以构件生物质的骨架,并在此过程中将太阳能储存在 生物体内结构化合物的化学键中。在这一过程中伴 随着大量植被的繁衍生息为人类的发展建设提供了 可长期利用的能量材料。而当它们被利用时,构成生 物的基本元素C、O、H、N 又为新生生物所用,而储存在其化学键中的能量被释放出来或转化成其他 形式的能量。 人类发现了煤、石油———石化了的生物质,这类 化石能源是生物质主要是糖聚合物 向类木质素片 断化合物的缓慢转化过程的产物。而这一过程历经 上亿年,所以他们普遍被作为非可再生能源。在生物 质和石化资源被利用的过程中,它们最突出的区别是 它们对环境的影响不同: 当生物降解,它释放的大多 数化学物质返回环境被生物体再利用; 然而,石化资 源长期深埋地下,在未被开采及利用前,能较稳定的 存在,且对环境的影响较小,但是当它燃烧时,大量的 石化过程中沉积的如硫、重金属等物质被释放出来且 很难为生物体利用,由此造成严重的环境污染,如酸 雨等。所以,相对于石化能源,生物质燃料具有许多 特有的环境价值 。它能减少气候变化,土壤侵蚀、水污染和垃圾堆积的压力、提供野生生物居住环境和 帮助维持更好的生态健康等;在生物利用和再生的碳 循环中,生物燃烧不会产生净 CO 的释放,所以对温室效应的影响也比较小; 燃料后产生较少生物残滞, 且还可以用作生物化肥。 Apr,2004 1995-2005Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved 物潜能的开发可以通过提高已存资源的利用率和增 加植物的生产率来实现。尤其是前者,由于当今热机 能量利用率低,大量的生物潜能被浪费。为了解决这 一问题,原始生物燃料被转化为其它的符合现代需要 的、高效的、容易利用和运输储藏的能量形式, 能,液体或气体燃料,或者经过处理的固体燃料。这样更多的能量从生物质中抽提出来,从而大大提高城 乡及乡村的物质经济生活。这也成为今天生物能源 研究的核心 生物质基本数据Table somebasic data 生物体总量包括微生物 1015 KG 陆地 生物 植物总量118 10 15 KG 森林总量 116 10 15 KG 人均量 KG内能 25000EJ 年均净产量 1014 KG 能量产率 3000EJ y95TW 能量总耗 400EJ y12TW 生物能消耗量 55EJ y117TW 生物燃烧直接燃烧是一种最常用的、直接的和商业可行的 从生物质中提取能量的方式。从供能植物到农业渣 滓和废弃材料,燃烧系统几乎利用了各种形式的生物 燃料。而它们的燃烧过程相当,一般分为4 个过程: 生物质中水的蒸发过程,即使经过数年干燥的木材,其细胞结构中仍含有15 %～20 生物质中气 汽化成分的释放,这不仅仅是烟囱中释放的气 体,还包括部分可供燃烧的蒸汽混合物和蒸发的焦 释放的气体与空气中的氧在高温下燃烧,并产生高温分解物的喷射; 燃烧,在完全燃烧条件下, 木材中的能量完全释 放,木材完全转变为灰烬。 这一过程的主要问题是低效率。如上所述,溢出 的火苗和可燃烧气体使绝大多数的热无法利用而白 白浪费。以木材燃烧制沸水过程而言,1m 干木材含10GJ 能量,而使1L 水提高1 需要412KJ 的热能,所 以煮沸1L 水需要少于 400KJ 的能量,数值上仅相当 于40cm 的木材———仅仅是一根小树枝而已。可实际上在一个小的火炉上,我们大概需要至少50 较少的能量逃逸。设计一个高效的火炉或锅炉,为此提供了保 证。在过去的十几年里, 锅炉设计取得了长足的发 展,以满足更高的效率和更少的释放量灰尘和 CO 的需要。特别在燃烧室的设计,燃烧的空气供给和燃 烧自动控制过程等方面都取得较大的进步。手动锅 炉,燃机效率已经从50 %提高到75 %～90 %,而自动 锅炉,从60 %上升到了85 %～92 但是由于各种原始的生物燃料都极易降解,所以它们不易用于长时间的储存。而且由于它们相对较 低的能量密度,所以长距离的运输也显得极不经济。 再则虽然锅炉在热能利用率上取得一定的进展,但是 总的能量利用率仍然很低。所以通过其他形式从生 物质中获取能源,以提高能量的利用率,满足长距离 的能量供给和储备在20 世纪80 年代后成为了研究 的热点。 生物转化制能311 沼气 沼气的生产和使用是最早的通过生物转化提供 能量的过程。沼气,主要成分甲烷CH 是由甲烷产气菌在厌氧条件下将有机物分解转化而成。甲烷产 生菌由于其细胞中不含触酶和过氧化歧化酶,所以它 是严格的厌氧细菌———氧对其有致死作用。另外,它 ,可利用的基质分为三类: 含有1～6个炭原子的短链脂肪酸; 、CO和CO 。由于这种特殊的底物要求给甲烷的大规模生产提出了技术和经济上的问题。 312 乙醇 乙醇是最重要的醇类燃料。乙醇作为能源具有 诸多优良的特性,如发酵底物范围广,几乎包括各种 原始生物材料; 优良的燃烧特性; 、粒子和其它碳氢化合物;可以直接与石油天 然气混合最优条件下,乙醇占20 %～30 作为内燃机的液体燃料, 从而改良燃料性能, 减少三废的排 乙醇的发酵过程与酿酒过程非常相似,一般涉及以下4 个步骤: 发酵废渣的处理,以减少污染和回收副产物。可用作乙醇发酵的原料,范围很广。最近利用木 质纤维素作为碳源和发酵系统成为了研究的热点 木质纤维素是自然界中广泛存在价格低廉的可再生自然资源,它的主要成分是聚多糖主要为纤维素和 半纤维素 和木质素。可以用作制醇原料的是聚多 Apr,2004 1995-2005Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved 糖,但必须先通过酸和酶水解等前处理手段将其转化 成糖才能直接被细胞利用。而该过程是降低醇制造 工业成本的关键步骤。木质素不能被生物转化为乙 醇,但它同其他发酵废渣可以作为锅炉燃料或用作生 物化肥。 传统的乙醇发酵过程是利用酵母,特别是酿酒酵 cerevisiae,通过 EMP 途径将葡萄糖降解为丙酮 酸,接着由丙酮酸脱羧酶脱羧和乙醇脱氢酶还原生成 乙醇。现在常用的是利用基因工程技术,在大肠杆菌 coli中整合运用酵单孢菌 mobilis的丙酮酸 脱羧酶和乙醇脱氢酶基因,发酵制备乙醇 在过去的几十年里乙醇发酵技术和效率得到了迅速的提高,新技术新工艺不断涌现,生产规模也越 来越大 百亿加仑,提供全美汽车燃油总量的1%以上。拉 丁美洲,尤其是巴西,是世界上最大的进行乙醇发酵 的地区。在巴西, 自从 1975 年国家醇储备计划the National Alcohol Programmer 巴西已经通过甘蔗发酵制取了近900 亿升的乙醇,大量的石化能 源被乙醇所代替, 为石化能源的进口节省了巨额开 支。在国内从上世纪90 年代开始也大力推广发酵制 醇工业,一批大规模的乙醇发酵工厂已经建立。2001 月国家推广应用车用乙醇汽油生产试点项目之一———20 万吨变性燃料乙醇项目,在南阳天冠集团公 司正式投产。在长春一个用玉米为原料,年产60 吨燃料乙醇工程已开工,这是我国目前最大的燃料乙醇生产基地,生产规模在世界范围也位居前列。 当然从另一方面也需要指出,由于石化天然气在 价格上和使用传统上的优势 ,发酵制气并未对石化行业产生较大的冲击,醇类燃气在燃料市场上的份额 还极为有限。 313 生物柴油 生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的 脂肪酸甲酯,是一种洁净的生物燃料。由于乙醇在柴 油机应用中的缺陷不能和柴油互溶,无法直接引燃 ,以及生物柴油自身优良的燃烧特性,生物柴油在今天也是生物燃料研究中的热点。生物柴油的生产, 一般有如下方法 [10] 植物油酶法,即借助脂酶对 废食用油进行酯交换反应,生产生物柴油。最近有报 道,采用固定化酶技术并在反应过程中分段添加甲 醇,使生产效率得到大幅提高并大大增加了酶的使用 寿命。2 利用甘蔗渣发酵生产柴油。3 控制脂质 累积水平使乙酰辅酶A 羧化酶基因在微藻细胞中的 高效表达,由此通过培养的微藻来生产柴油。 314 氢气 氢气是另一种21 世纪的重要能源。今天氢气主 要从石化工业中生产,但由于其过程高能耗、高成本 以及污染环境等特性,使得生物制氢过程成为研究的 热点。生物制氢 [11] 主要靠蓝细菌和绿藻的光裂解水 制氢,或厌氧发酵制氢,但是这些过程高额的成本,以 及氢气作为能源储存运输的难题,使得氢气走向实用 还为时过早。 另外,传统的石化工业中,将微生物发酵运用到 现代的石油开采技术中来提高原油的回收率也屡有 报道 [12] 并已经在一些油田中推广使用,如胜利油 田。这也表明即使在传统的石化能源中也有生物制 能的影子。 41 生物制电 将生物质中的化学能转变为电能的生物制电过 程,主要分成两种:传统的通过燃烧发电和生物电池。 传统的燃烧发电,在前文中已有提及,可以细分为两 种形式: 通过生物质在锅炉中燃烧,制蒸汽,再由蒸汽发电; 生物质气化产物燃烧制电。而生物电池不同,其制电过程是在温和条件下,通过生物催化 直接将化学能转变为电能的过程。 传统的生物发电 是通过生物质在锅炉中燃烧产生高密度蒸气,再由蒸汽驱动涡轮机发电。该技术 在今天已经获得了很好的发展,并且可以利用广泛的 可燃原料,但是由于其相对的低能量利用率和低操作 效率而且就长远的角度看两者的提高的潜力极为有 1200atm,以提高蒸汽温度增加能量利用率 的需要所带来的操作高危险性, 这一技术的进一步发展受到限制。生物气化是一种 从生物质中获取电能的新方法。代替直接的燃烧,生 物质在首先转变为可燃蒸汽的过程中利用了大约 65 %—70 %的生物质所含能量。制备的气体,和天然 气一样,可以用于发电、汽车驱动以及被广泛的工业 使用。可以说,这种新技术,发展潜力很大。 生物电池的发电机制 [13] 主要有两种: 在反应器中,利用微生物发酵将原材料转变为燃料产品,如 再由它在串联的发电设备中氧化生电,见图1A;或者将微生物发酵和制电过程合为一体,微生物的代谢产物 直接通过电极上的电子传递媒介物同氧化物O 发生电子传递,产生电,图1B。2利用固定在电 极氧化还原酶,氧化还原专一性的燃料物质和氧化底 物,从而产生电。这一过程的基本原理见图2。 Apr,2004 1995-2005Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved 微生物电池[13] 生物反应器与发电单元相串联。必威 betway必威氢等生化产物通过生物反应器进入发电单元,在电 池阳极被氧化提供电子发电; 生物反应器和发电单元合并,即在反应器中,加入底物,通过微生物作用和电子转 化,直接产生电。图中底物, 微生物, 生化产物,也 即电能供体, 被氧化的物质,即制电所生废物。 Figure Schematicconfiguration microbialbiofuel cell microbialbioreactor providing fuel separated from anodiccompartment electrochemicalcell microbialbioreactor providing fuel directly anodiccompartment electrochemicalcell primarysubstrate microbialcell fuelproduct oxidizedfuel 酶催化电池的简单原理[13] 。图中R:电子传递媒介 Figure Simplemechanism enzymaticbiofuel cells Abbre electron-transfermediators 13由于大多数的氧化还原酶无法与导电支持物直 接发生电子转移,因此一系列的电子传递媒介物被研 究和使用以构建生物催化和电极电路之间的桥梁。 最近一些新颖的覆盖了单层或多层生物催化酶的功 能电极被报道 [13] 。组合了具有生物活性的单膜电 极,在保证生物催化速率的同时,大大加快界面电子 转移速率,减小了电池内阻,为生物电池小巧化、稳定 化的发展提供了保证。 小巧便携,高效稳定和长寿命是生物电池发展的 方向 [14] 。一种理想的状态是插入式的电池能够利用 人体内天然的燃料物质如葡萄糖等 高效持续的产 生电能为医疗诊断等目的所用,如支持心脏起搏器、 体内探针等长期正常的运行。T Chen [15]最近报道 了当今是最小的生物电池。它是由固定在1mm槽中 的两根直径7μm表面覆盖了电子催化剂的碳纤维电 极构成,其大小是已见报道的最小生物电池的1 180 倍,在37下达到600nW,足够供给一个微型硅芯片 的工作。 本文对生物燃料在当今的运用和进展做了一个 粗浅的回顾。毋庸置疑生物燃料今天是全世界的研 究热点。然而,虽然伴随人类的发展生物能量的内涵 在不断的革新,且愈加发挥着重大作用,但是它的利 用和研究却仍然可以说处于起步阶段。如何充分将 生物质燃料的诸多优势为人类所用,如何提高热机燃 烧、生物转化等的效率,如何使生物质燃料满足现代 轻便、高效、长寿命的需要,仍需要几代人的前仆后继 与不懈努力。 参考文献: [1]US Department Internationalenergy outlook ,2002[ publishedonline ～244 energyRenewable energy Sources IslandPress ,1992 北京:化学工业出版社,2001 ,67～74 [6]黄震,国家能源安全与汽车清洁代用燃料技术[J 世界科学,2002 ,3279 ,24～25 IngramLO GomezPF etal Metabolicengineering ethanolproduction 58,203～214 HespellRB ,Wyckoff H,Dien BS ,et al ,Stabilization petoperon plasmids ethanolproduction Escherichiacoli strains lacking lactate dehydrogenase pyruvateformate lyaseactivities[J ApplEnviron Microbiol ,6212 ,4594～4597 CharlesEW Biomass ethanol Technicalprogress commercialchallenges[J Apr,2004 1995-2005Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved 弱,且叶片容易老化枯黄,所以应定期接种到新的增 殖培养基上。 将顶部部分接种在 MS IAA002mg 的培养基上,长势都可以,但大岩桐生根较慢,而且多是细小的根,无粗大茁壮的根, 一般需培养20～30 天左右,苗高约 5cm,根可长至 瓶苗的出瓶移栽及驯化411 炼苗:瓶苗在温度20～30 下均可移栽,若外界 温度适合,可置于自然条件下,若不适合,可加以一定 的保护措施,如在大棚,温室或育苗车间内均可。将 瓶苗置于外界条件下适应1～2 天后,打开瓶盖,让幼 苗进行透气锻炼。1～2 天后,从瓶中取出幼苗,并在 清水中洗净粘附在根上的培养基 注意: 一定要洗 ,准备移栽。412 移栽:栽培幼苗可用经过灭菌处理的蛭石、草炭、 培养土按1 的比例配成的混合物,将基质装入72孔的穴盘内,喷洒浇水,待穴盘下部有水渗出时,穴盘 中基质已浇透。将洗净的幼苗根系全部入土,顶芽露 出上面,轻轻压实基质。栽完后,用45 %多菌灵800 液喷洒,将苗盘摆齐,搭成小拱棚,上覆盖薄膜保温保湿,还可防止过强的空气对流对苗造成伤害。 413 管理:移栽后前几天空气湿度应保持在90 上,如湿度不足,可适当喷洒补充水分。4～5天后湿 度可逐渐降低,一周后可放小口通风,以后风口可逐 渐变大,二周后可完全揭开薄膜,注意遮光。定期浇 水,保持土壤湿润,间或用多菌灵或甲基托布津溶液 喷雾,防治病害发生,经过30～40 天的管理,即可入 盆或定植。 414 小结: 如此管理, 大岩桐试管苗移栽成活率很 高,可达85 %以上, 据实验观察, 瓶苗越大成活率越 高,但不宜过大,否则延长整个出苗移栽时间。 另注:若喷药不及时,茎基部腐烂,可剪去腐烂部分, 将剩余植株插入基质中,喷洒多菌灵溶液,仍能成活。 Study transplanting suvival rate Sinningiaspeciosa shoots testtube LI Shu-li Departmeut Bioengineering,Bin Zhou Occupation Academy ,Bin Zhou ,256624 ,Shan Dong ,China Abstract :Sterilized shoot tips budswere obtained after being treated wereinoculated differentculture mediun littleplants were got littleplants were subcultured rootingcultured from testtube after being trained experimentproved survivalrate veryhigh Key words :Sinningia speciosa ;shoots testtube ;trans planting survival rate 上接17 AnnuRev Energy Environ ,1999 ,24 :189～226 [10]冀星,都小林,孔林河等,生物柴油技术进展与产业前 中国工程科学,94:86～93 [11]Wu SY,Lin CN ChangJS ,et al ,Microbial hydrogen production immobilizedsewage sludge BiotechnolProg 921～926[12 etal MicrobialEnhanced Oil Recovery[J DevRid Reg Res ,2000 :343～349[13] Katz BiofuelCells[ publishedonline Chemch huji acil eugeniik [14] Robert TECHNOLOGY:Biofuel Cells 2965571,1223 [15] Chen T,Barton SC,Binyamin etal miniaturebiofuel cell AmChem Soc ,2001 ,12335 :8630～8631 Biofuel YE Xin- hao ,WANG Yong- hong ,CHU Ju GUOMei-jin ,ZHUANG Ying-pin ,ZHANGSi-liang State Key Laboratory BioreactorEngineering ,National Center EastChina University Technology,200237 ,Shanghai ,China Abstract imminentshortage fossilfuels skyrocketingprices have intensified research energyresources nowadays Advances variousfields biofuelwere reviewed combustion,what biofuelcells futureapplications Keywords :biofuel ;biomass ;combustion ;bioconversion ;biofuel cells Apr,2004 1995-2005Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved

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