我国生物能源发展应用及商业化障碍

贾宁春

(四川大学化工学院2011级生物工程 四川成都 610207)

当代社会是建立在能源基础上的,全球能源消耗,超过百分之八十都是化石能源,化石能源不可再生,因而短缺价格居高不下,以及环境污染问题日益加重,开发替代能源提上日程。生物能源无疑是最好的选择,可再生且环境问题少。生物能源技术到现在已经发展到第三代了,第一代是以蛋白质、淀粉、低糖、脂类为原料生产,第二代是木质纤维素为原料,木质纤维素包含了纤维素(水解出葡萄糖)、半纤维素(无定型水解出单糖)、木质素(不能水解单糖),第二代就是对木质纤维素进行预处理出去木质素和半纤维素,提高纤维素反应活性,第三代是将木质纤维素中全部成分转化为产品,新兴的第三代燃料是提取藻类中脂类。

我国生物能源发展较迟,能源紧张,发展生物能源势在必行。我国农村地区使用天然气较少,一是能源紧张,二是管道费用贵,农村地区大部分都是直接燃烧生物质,或者煤炭,能源利用率低,污染重。虽然国家补贴建沼气池,一般都是没那么多生物质投入,供气不稳定,而且后期操作不当甲烷产生的温室效应重。沼气池是我国生物能源中最成熟的,沼气池提供清洁能源和绿色化肥,防治田间病虫害,控制粪、腐烂生物质等污染物。国外许多发达国家实现了沼气产业化,利用规模化加工方式,将畜禽粪便、高浓度工业有机废水、生活污水处理后的污泥、城、乡生活垃圾、秸秆等生物质原料转化为沼气,以便集中向农民供气,或发电及并网。我国沼气池普遍规模小只能用于供暖供热,我国国情决定了我国生物能源先是以沼气产业化为主。沼气池最大的障碍是规模扩大和技术安全普及,提高农村工作素质。

燃料乙醇主要是利用淀粉质、糖质、纤维素原料合成。化学法:生物质经热解转换成含H2、CO的合成气,再经化学、酶催化或微生物发酵最终生成乙醇。生物法:生物质经发酵转化为单糖,再经过酶催化或者发酵产生乙醇。我国主要是利用陈化粮、糖厂甘蔗渣进行发酵乙醇,利用秸秆、木料渣发酵乙醇尚未大规模形成。燃料乙醇是世界生产规模最大的生物能源,美国的玉米-乙醇,巴西的甘蔗-乙醇,预计2016年巴西能生产9200万加仑燃料乙醇。我国耕地面积有限,人口众多,粮食问题不容无视,美国的玉米模式和巴西的甘蔗乙醇在中国行不通,我们不能让能源争地,争粮,粮食问题是中国燃料乙醇最大的障碍。我国只能从利用林业、农业产生的废弃木质纤维素和油料藻类着手,加大研发力度,开发出大规模生产的工艺技术。我国玉米主要是用于饲料,玉米生产生物乙醇只是消耗大部分淀粉和可溶性糖类,还有蛋白质、脂质、半纤维素等成分留下,这些经过微生物发酵的残留物是绝佳的饲料。我国可以利用一些边际性地区栽种玉米、甜高粱、木薯等高糖植物,生产燃料乙醇,但是我国玉米大部分还是进口,大规模生产受到约束。乙醇汽油燃烧热低于普通汽油,会导致动力下降,容易变质,保质期在20天左右,容易吸收水分,水和乙醇沉底,导致发动机工作异常。我国乙醇汽油没有大规模上市,汽车发动机也没用相应改进,导致人们使用不方便而放弃使用。

生物柴油是利用油料植物,油料藻类,废弃油脂经过生物、化学手段转化成高脂酸甲酯或乙酯。植物油是生产生物柴油的主要原料,其中巴西以蓖麻油、转基因大豆油为主要原料,美国以转基因大豆油为原料,欧盟和加拿大等国家以双低菜籽油为原料,而马来西亚、印度尼西亚则以其盛产的棕榈油来发展生物柴油。生物柴油主要处理方法:混合法、高温裂解法、酯交换法。其中在,酯交换法最常用,就是利用甘油三酯与甲醇、乙醇等低级醇催化反应得甘油低醇酯,即生物柴油。我国目前培育开发技术较为成熟的油料树种主要有麻疯树、文冠果、黄连木、光皮树、油桐和乌桕等,这些油料植物在我国不同地区都有几百万亩的栽种面积,主要是利用林业资源和农村边际地区。麻风树平均亩产生物柴油70L,今年我国柴油价格在6.6元/L左右,一亩地收益不到500元,效益不高,是我国生物柴油的短板。我国的废弃油脂大部分提取地沟油去了,生产生物柴油利润不及地沟油,利润是限制我国生物柴油的主要因素。我国需进一步研究如何提高油料作物产量和制定相关政策扶持补贴生物柴油。

生物制氢是利用牛粪、精制糖废水、豆制品废水、乳制品废水、淀粉废水、酿酒废水、麦麸、酒糟、玉米秸秆等农业固体废弃物以及厨余垃圾通过光合细菌或厌氧细菌生成氢气。目前生物制氢还在实验室阶段,氢气的运输保存一直都是比较昂贵的。

我国发展生物能源刻不容缓,结合我国国情从产业化沼气入手,利用我国边际土地种植木薯、甜高粱、麻风树等植物发展生物乙醇、柴油,积极开发第三代木质素的分解技术,利用藻类、林业下脚料、农业秸秆等物质生产生物燃料。政府的扶持政策还得加大,生物能源关系着国家安全稳定和环境生态和谐。