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生物基材料產(chǎn)業(yè)化過程中的問題與對策
閱讀：1137 發(fā)布時間：2010-3-29加強(qiáng)對生物質(zhì)能的利用已經(jīng)成為各國解決目前所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的一項(xiàng)重要的解決辦法。本文簡述了發(fā)展生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略地位，以及目前國內(nèi)外生物能源技術(shù)的研究進(jìn)展和利用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步分析了生物能源技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。
加強(qiáng)對生物質(zhì)能的利用已經(jīng)成為各國解決目前所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的一項(xiàng)重要的解決辦法。本文簡述了發(fā)展生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略地位，以及目前國內(nèi)外生物能源技術(shù)的研究進(jìn)展和利用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步分析了生物能源技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。
1 生物質(zhì)能源的重要戰(zhàn)略地位
隨著世界人口的快速增長，各國經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，工業(yè)化進(jìn)程不斷深入，能源危機(jī)已經(jīng)成為世界性的問題。傳統(tǒng)的化石能源儲量不斷下降，同時使用化石能源所造成的嚴(yán)重的環(huán)境污染以及治理污染所需的不菲的成本，都使得人們迫切得需要一種新型的、環(huán)境友好的、可再生的綠色能源。目前已經(jīng)進(jìn)入人們視線的新能源有太陽能、風(fēng)能、水能以及新興的生物質(zhì)能源。
生物質(zhì)能源是由植物的光合作用固定于地球上的太陽能，通過生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)可以地利用生物質(zhì)能源，生產(chǎn)各種清潔燃料，替代煤炭，石油和天然氣等燃料。從而減少對傳統(tǒng)礦物能源的依賴，保護(hù)國家能源資源，減輕能源消費(fèi)給環(huán)境造成的污染。生物質(zhì)能源通常包括：各種速生的能源林、薪炭林、經(jīng)濟(jì)林、用材林灌木林，木材及森林工業(yè)廢棄物；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工剩余物；水生植物；油料植物；城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物；動物糞便等[1]。
從能源的消費(fèi)變化來看，人類zui終會過度到可再生能源的持久利用，生物質(zhì)能通常被認(rèn)為是世界上zui大可再生能源資源，其研究和開發(fā)成為世界各國可再生能源發(fā)展的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。
美國計劃到2020年使生物質(zhì)能源和生物質(zhì)基產(chǎn)品較2000年增加20倍，達(dá)到能源總消費(fèi)量的25%，2050年達(dá)到50%。2000年，歐盟委員會在其發(fā)布的“歐盟能源發(fā)展戰(zhàn)略白皮書”中指出，2015年生物質(zhì)能將由目前占總能源消費(fèi)量的2%左右提高到15%，其中大部分來自生物沼氣、農(nóng)林廢棄物及能源作物的利用；到 2020年生物質(zhì)燃料將替代 20%的化石燃料。德國生物質(zhì)能源的發(fā)展處世界前列，生物質(zhì)能源占一次性能源消費(fèi)的2.3% （電力占 0.6%，供熱1.4%，動力燃料0.3%），占可再生能源市場的份額超過60% 。2004年 ，交通領(lǐng)域能源消費(fèi)中生物質(zhì)能源所占份額為1.6%。2010年所占*將從2004年的1.6%升到 4%，2020年和2030年將分別達(dá)到10%和18%。加拿大計劃到2020年使再生能源（不計水電）特別是生物質(zhì)能增加56%。預(yù)計2010年，生物質(zhì)能的利用將增加14%。日本通產(chǎn)省已啟動一項(xiàng)名為“新陽光工程”的新能源研究計劃，主要研究植物生物量的轉(zhuǎn)化利用；巴西實(shí)施了“乙醇能源計劃”，主要是促進(jìn)甘蔗燃料乙醇的生產(chǎn)和研究開發(fā)。
多年來我國政府非常重視新能源，把生物質(zhì)能源等可再生能源的發(fā)展提高到了能源戰(zhàn)略的高度，先后簽署了《里約宣言》、《氣候變化框架公約》等公約，在十屆全國人大第四次會議通過了《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十一五”規(guī)劃綱要》，確定了可再生能源的發(fā)展目標(biāo)（其中生物質(zhì)能源為重要組成部分），即到2020年可再生能源（不包括傳統(tǒng)生物質(zhì)）占到能源總消費(fèi)比例由 2006年的8%提高到15%，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，開展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化開發(fā)是必由之路[2]。
2 生物質(zhì)能源主要轉(zhuǎn)化技術(shù)[3]
各種生物質(zhì)能源在利用時均需轉(zhuǎn)化，由于不同生物質(zhì)資源在物理化學(xué)方面的差異，轉(zhuǎn)化途徑各不相同，除人畜糞便的厭氧處理以及油料與含糖作物的直接提取外，多數(shù)生物質(zhì)能要經(jīng)過轉(zhuǎn)化過程。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究開發(fā)工作主要包括物理、化學(xué)和生物等三大類轉(zhuǎn)換技術(shù)，將可再生的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化為潔凈的高品位氣體或者液體燃料，作為化石燃料的替代能源用于電力、交通運(yùn)輸、城市煤氣等方面。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換的方式涉及到固化、直接燃燒、氣化、液化和熱解等技術(shù)。其中，直接燃燒是生物質(zhì)能源zui早獲得應(yīng)用的方式。生物質(zhì)的熱解氣化是熱化學(xué)轉(zhuǎn)化中zui主要的一種方式。在這里我們主要討論生物化學(xué)方法轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。
2.1 生物質(zhì)水解技術(shù) 生物質(zhì)制取乙醇zui主要的原料是：糖液、淀粉和木質(zhì)纖維素等。生物技術(shù)制備乙醇的生產(chǎn)過程為先將生物質(zhì)碾碎，通過化學(xué)水解（一般為硫酸）或者催化酶作用將淀粉（或者纖維素、半纖維素）轉(zhuǎn)化為多糖 ,再用發(fā)酵劑將糖轉(zhuǎn)化為乙醇，得到的乙醇體積分?jǐn)?shù)較低 5 %～15 % 的產(chǎn)品，蒸餾除去水分和其他一些雜質(zhì)，zui后濃縮的乙醇（一步蒸餾過程可得到體積分?jǐn)?shù)為95 %的乙醇）冷凝得到液體。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（木材和草）的轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，其預(yù)處理費(fèi)用昂貴，需將纖維素經(jīng)過幾種酸的水解才能轉(zhuǎn)化為糖，然后再經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。這種化學(xué)水解轉(zhuǎn)化技術(shù)能耗高，生產(chǎn)過程污染嚴(yán)重、成本高，缺乏經(jīng)濟(jì)競爭力。目前正開發(fā)用催化酶法水解，但是因?yàn)槊傅某杀靖?，尚處于研究階段。
2.2 厭氧發(fā)酵技術(shù) 厭氧發(fā)酵是指在隔絕氧氣的情況下，通過細(xì)菌作用進(jìn)行生物質(zhì)的分解。將有機(jī)廢水（如制藥廠廢水、人畜糞便等）置于厭氧發(fā)酵罐（反應(yīng)器、沼氣池）內(nèi)，先由厭氧發(fā)酵細(xì)菌將復(fù)雜的有機(jī)物水解并發(fā)酵為有機(jī)酸、醇、H2和CO2等產(chǎn)物，然后由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機(jī)酸和醇類代謝為乙酸和氫，zui后由產(chǎn)CH4菌利用已產(chǎn)生的乙酸和H2、CO2等形成CH4 ，可產(chǎn)生CH4 （體積分?jǐn)?shù)為55 %～65 %）和CO2 （體積分?jǐn)?shù)為30 %～40 %）氣體混合物。
許多專性厭氧和兼性厭氧微生物，如丁酸梭狀芽孢桿菌、大腸埃希式桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、褐球固氮菌等，能利用多種底物在氮化酶或氫化酶的作用下將底物分解制取氫氣。厭氧發(fā)酵制氫的過程是在厭氧條件下進(jìn)行的，氧氣的存在會抑制產(chǎn)氫微生物催化劑的合成與活性。由于轉(zhuǎn)化細(xì)菌的高度專一性，不同菌種所能分解的底物也有所不同。因此，要實(shí)現(xiàn)底物的*分解并制取大量的氫氣，應(yīng)考慮不同菌種的共同培養(yǎng)。厭氧發(fā)酵細(xì)菌生物制氫的產(chǎn)率較低，能量的轉(zhuǎn)化率一般只有33 %左右。為提高氫氣的產(chǎn)率，除選育優(yōu)良的耐氧菌種外，還必須開發(fā)先進(jìn)的培養(yǎng)技術(shù)才能夠使厭氧發(fā)酵有機(jī)物制氫實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。