业生物技术在生物能源领域的研究现状
及展望
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摘要：工业生物技术是中国国民经济健康可持续发展最有希望的高新技术之一，是以微生物细胞或酶为催化荆进行生物质转化，进行新医药、新能源和新材料等人类所需的精细化学品的大规模生产，是懈决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。本文概述了工业生物技术在生物能源，尤其是生物柴油方面的研究现状与发展趋势，展望了我国工业生物技术在生物能源领域的发展前景。 关键词：工业生物技术；生物能源：燃料酒精：生物柴油；生物制氢：废食用油
1 工业生物技术的研究现状与发展趋势 以石油、煤炭和天然气等化石资源为经济基础的近现代工业文明取得了辉煌的成就，进入世纪，面对化石资源的不断枯竭和环境污染的日益加重，化学工业的生产模式即将转向以工业生物技术为核心技术、以生物可再生资源为原料、以生物可再生能源为能源的环境友好、过程高效的新一代清洁化工生产模式。 所谓的工业生物技术就是以微生物细胞或酶为催化剂进行生物物质转化，大规模生产人类所需的新医药、新能源和新材料等精细化学品的环境友好型、清洁化工生产型高新技术，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段，可为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。 由于分子生物学的突破性成就，生物技术为现代医药、现代农业和现代工业领域带来了革命性的飞跃。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术已被人们普遍视为生物技术革命的第三个浪潮，其地位不亚于发生在20世纪的前两次生物技术革命浪潮一医药生物技术和农业生物技术。
近年来，随着基因组学、蛋白质组学等现代生物技术的快速发展，极大地推动了工业生物技术的基础和应用研究。人类基因组学及相关研究有力推动了医药生物技术的发展，动植物基因组学及相关研究有力推动了农业生物技术的发展，微生物基因组学及相关研究有力地推动了工业生物技术的发展。将微生物物种的多样性及其基因改造的巨大潜力与现代工程技术相结合，将为人类提供了新的历史机遇，将为工业生物技术的发展提供更加诱人的前景。可以预见，21世纪将是工业生物技术崛起的新纪元。
中国十分重视工业生物技术的发展，国家中长期科学与技术规划中将工业生物技术列为重点研究的领域，国家863计划中增列工业生物技术专题，国家973计划将生物催化项目立项。与欧美发达国家一样，中国工业生物技术产业发展也较快。但总体来说，我国是工业生物技术产业大国，但还不是强国。大力发展工业生物技术，为最终解决医药、能源和材料的生物制造提供技术支持，这对我国的经济健康可持续发展，对解决我国资源和能源短缺问题，对加强我国的国际竞争力具有重要的战略意义。
2 生物能源的研究现状与发展趋势
生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源等，在中国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源。大力发展我国的生物能源不仅有利于能源的多样性保护和提高国家经济的安全性，而且有利于减少环境污染和缓解能源危机。既符合现阶段我国的国情，又符合经济可持续健康发展的战略。
目前，生物能源的主要形式有燃料酒精、沼气、生物制氢和生物柴油等。其中，燃料酒精和生物柴油将是我国当前的发展重点。目前，采用纤维素为原料大规模生产燃料酒精的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。生物柴油大规模生产的挑战性在于脂肪和油的来源有限，且原料成本占到生物柴油成本的60％～75％。但从技术上讲，生物柴油的生产比燃料酒精和生物制氢简单。 2．1燃料酒精燃料酒精又称变性燃料乙醇，可分为替代燃料和燃料添加荆两种，是清洁汽油的主要代替物，已在一些国家和地区得到大量使用。目前燃料酒精正处于类似当年石油化工初级发展阶段和石油取代煤炭成为主要能源的商业萌芽阶段。许多农业资源丰富的国家如巴西、美国、英国、荷兰、德国等国的政府均已制定规划，积极发展燃料酒精工业。我国酒精年产总量仅次于巴西和美国，排位世界第3。 目前，发酵法生产燃料酒精占绝对优势，80％左右的酒精是用谷物淀粉原料，10％的酒精用废糖蜜生产，以纤维素原料生产的酒精仅占2％左右。用糖蜜生产酒精是工艺最为简单、成本最为低廉的方法，在南美洲如巴西、阿根廷等国广泛使用。巴西以甘蔗作为原料，每年生产1100万吨燃料酒精。北美和欧洲等国广泛使用以谷物淀粉作原料生产酒精，美国2002年以淀粉为原料生产的燃料酒精售价≤0．40美元，L，年产能力可达到800万吨，年。以植物秸秆等纤维素为原料生产酒精是最具挑战性的课题，也是美国能源部重点支持的项目，因为美国每年产生的纤维素生物质量达到3．0亿t，全球纤维素年生物量可达150亿t。未来10年内，以植物木质纤维素为原料生产乙醇用于燃料等市场将形成一个大工业。 由于具体国情所限，中国燃料酒精的生产不能沿用国外采用粮食作物为原料的办法，而应大力研究和推广采用我国丰富的植物纤维素为原料的发酵生产工艺。 目前用植物木质纤维素为原料制造乙醇的关键问题是纤维素原料的预处理和高效的发酵工艺。纤维素原料的预处理技术主要有化学法和酶法。化学法一般采用酸水解法。目前应用抗酸膜将纤维素物质酸解物中的糖和酸分离，一方面获得由纤维素降解产生的糖，另一方面则回收盐酸和硫酸。利用这一技术，从木材酸解生产葡萄糖的费用与淀粉水解生产葡萄糖的费用大体相当。
酶法水解的关键是纤维素酶的成本。目前美国在纤维素酶的开发上有了较大突破，建立了世界最大的纤维素处理装置，投产后预计其燃料酒精成本可降到0 29美元，L，可与以谷物淀粉为原料生·S5·产的酒精相竞争。
利用植物木质纤维素为原料发酵制备酒精的另一个问题是如何利用植物纤维原料中的戊糖约占20％～30％)。迄今已发现100多种微生物可代谢木糖生成酒精，包括细菌、丝状真菌和酵母，特别是生物基因工程的发展，产生了大量可利用木糖的基因工程菌。 2．2生物制氢
氢气是目前最理想的清洁燃料之一。氢气的制备方法有太阳能制氢、水电解法制氢、天然气或工业尾气分离制氢和生物制氢等。从目前世界氢产量来看，96％是由天然的碳氢化合物如天然气、煤和石油产品中提取的，4％是采用水电解法制取的。化学方法制氢要消耗大量的矿物资源，而且再生产过程中产生的污染物
对地球环境造成破坏。利用生物方法进行氢气生产，受到世人关注。 生物制氢是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术，包括生物质气化制氢和微生物发酵制氢。所用原料是阳光和水，也可以是有机废水、秸秆等。生物制氢思路于年提出，在20世纪90年代受到空前重视。迄今为止生物制氢一般采用的微生物有光合菌、蓝绿藻、细菌等，其主要方法有：利用蓝绿藻生物光解水，有机化合物光合细菌光分解法：厌氧细菌、兼性厌氧细菌、好氧细菌发酵法。光合细菌和厌氧细菌的转化效率高，而且底物利用广。因此，现在的研究主要集中在光合细菌(包括绿藻、蓝细菌)和厌氧细菌。
光合细菌可利用光合机构转化太阳能为氢能，即光裂解水产氢。从理论上是理想制氢途径。
目前研究较多的是蓝细菌，但蓝细菌作为产氢来源似乎并不合适，因为在光合放氢的同时，伴随氧的释放，易使氢酶失活。除了产氢效率较低外，如何解决放氢酶遇氧失活是该技术应解决的关键问题。发酵细菌是另一类在代谢中产生氢气的微生物。该类微生物具有可降解大分子有机物产氢的特点，因而可以生物转化可再生能源物质(纤维素及其降解产物和淀粉等)生产氢能。 为降低成本，微生物制氢一般采用固定化细胞，有关制氢固定化细胞反应器有填充床和流化床等。生物制氢至今没有产业化的主要问题是成本高，而利用工业和农业废弃物发酵制氢可大大降低成本。有机废水废弃物生产氢能．既有利于环境治理，又可回收能源、降低成本。是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型环保产业。是值得提倡的研究与开发方向。 对于生物制氢，氢气的纯化与储存是一个很关键的问题。生物法制得的氢气的体积分数通常为60％～90％，气体中可能混有C02、0 2和水蒸气等。 3．3沼气
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体。由葡萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达87％，是其他加工技术所难以达到的。沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物秸秆，对水资源和土壤等再生和资源化有促进作用。许多国家已把沼气开发列入国家能源战略。我国是世界上沼气利用开展得最好的国家，沼气技术相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。主要有农村家用沼气池、大中型沼气工程和生活污水净化沼气池等。沼气技术将是我国农村发展节约型社会和循环经济的一大发展方向。 2．4生物柴油
生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在下，发生酯化反应，形成脂肪酸甲酯或乙酯，可代替柴油燃烧。生物柴油环境友好，无需对现有柴油发动机进行任何改造即可使用，且对发动机有保护作用。目前世界上生物柴油产业发展迅速，美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极发展这项产业。欧盟国家主要以油菜为原料，2001年生物柴油产量已超过100万吨。 我国政府已将生物柴油研究开发工作列入有关国家计划，近年来相继建成如海南正和生物能源有限公司等诸多年产量超万吨的生物柴油生产企业。预计到2010年，我国生物柴油需求量将突破万吨。立足于本国原料大规模生产替代液体燃料一生物柴油，对增强我国石油安全具有重要的战略意义。
3 生物柴油的研究现状与发展趋势 1900年，巴黎博览会上第一次展示的发动机是用花生油作燃料的。1912年，RudolfDiesel在美国密苏里工程大会上说：“用菜籽油作发动机燃料在今天看
生物技术在生物能源领域的研究现状及展望
