第二章-生物炼制与可再生资源

第二章生物炼制与可再生资源,在化石能源资源渐趋枯竭和环境压力越来越大的背景下，21世纪将是可持续和多元化的清洁能源世纪。2006年5月在德国首都柏林举行的“面向21世纪的生物燃料”国际会议也指出，发展中国家应主要通过发展生物燃料满足能源增长需求，促进农村经济发展，并向发达国家出口生物燃料。为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前重点依赖化石原料的制造加工工业的生产模式，发展以农村生物质为原料的生物炼制产业是解决人类所面临的资源、能源和环境问题的唯一途径。,2.1石油炼制到生物炼制,2.1.1石油炼制,石油炼制以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、多元化转化（图2.1）。这一模式受到化石原料的严重制约而终将被新的工艺所取代。,2.1.2生物炼制新型经济产业的缔造者,生物炼制以现代石化工业为模板，采用类似于流化催化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，再通过糖平台技术转化为大宗生物乙醇产品和各种高附加值中间体化学品，生产出燃料乙醇、生物柴油等新型能源、聚乳酸等新型生物材料和糠醛等几乎所有的生物基化学品类型（图2.2）。,生物炼制可以被分为生物质生产地区类型和废弃材料使用类型两种。在巴西、美国、中国、东南亚和澳大利亚这些国家和地区大量种植甘蔗、玉米、甜菜、木薯、西米椰子和土豆等用于生物炼制，用农业产品发展新工业。相对的，在缺少空间堆积垃圾和有机质并且没有足够多的农业产品的日本和一些欧洲国家，生物炼制起着废弃物处理和有用产品的生产的双重作用，旧报纸、林业废弃物、动物粪便和食品废弃物为生物炼制提供了原始的材料。,微藻是一类在显微镜下能辨认其形态的微小藻类类群，目前已经可以进行大规模培养。许多微藻中富含蛋白质、多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种有用成分，是人类重要的生物质资源宝库。微藻的生物炼制如图2.3所示。,木质纤维素数量巨大、来源广泛、可再生，是生物炼制的重要原料。玉米秸秆是其中非常易于得到的一类，秸秆中92.5%的总糖可以通过对玉米秸秆稀酸预处理和酶水解获得，经过炼制可以生产几乎所有我们需要的化学品和能源（图2.4）。,2.2生物炼制基本内涵,生物炼制的过程就是对原料的生物转化和化学品合成的过程，其中主要包括生物工程、化学工程、分离工程及过程控制工程等。生物炼制针对生物质原材料、工业媒介及最终产品三部分联合了所必需的技术。,2.2.1生物工程,生物炼制是以生物转化为主要的生产过程，它是以生物质（主要为纤维素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体实现物质的代谢转化得到人类所需要的化学品。具备高转化率和高耐受性的菌种是该过程的主要影响因素，引进和培育高效转化生物是今后工作的重点之一。,2.2.2化学工程,化学工程已经广泛地应用在当前生物炼制的工艺中，美国能源部实施的6个生物炼制示范工厂中最先投入工业化实验运行的是位于美国内布拉斯加州的乙醇生产厂，这个年产1500t的工业示范装置中所使用的纤维质原料预处理技术是美国国家可再生能源实验室的稀酸法，即用化学方法先对原料质进行预先的处理过程。事实上不仅在预处理中，在化学品的分离及提纯过程中化学工程都是必不可少的。,2.2.3分离工程,生物转化后得到的物质必须经过进一步的分离纯化才可以成为商品，离子交换法、吸附法、色谱法等都是当今生物炼制行业常用的分离方法，其中，生物反应器工程贯穿于生物过,程与分离过程始末，在糖工业和甜味料行业用处广泛。合适又巧妙地运用分离过程可以在很大程度上减少生产的成本。,2.2.4过程控制工程,过程控制工程是对整个生物炼制工艺的控制要求，它涉及各个环节中的设备控制参数及环节间结合匹配的控制要求。过程控制是实现产业化必须解决的难点之一，在保证各个环节实现最大转化率的同时，稳定而又高效的整体控制是进行产业化的前提和关键。,2.3生物炼制发展现状,2.3.1生物能源世界各国很早就已经认识到化石资源带来的未来能源问题，美国2002年制定了“生物质技术路线图”，并计划2020年使生物质能源和生物基产品较2000年增加10倍，达到全国能源总消费量的25%（2050年达到50%）。,2.3.1.1燃料乙醇,20世纪70年代第二次石油危机之后，世界各国为减少对石油的依赖，纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领跑者是美国和巴西，巴西更是唯一在全国范围内使用乙醇汽油的国家。美国有101家乙醇生产厂，在建37个乙醇厂，计划增产675万吨。印度从2003年起实行燃料乙醇试点，2010年以后，将比例提高到10%，到2020年达到20%。我国在21世纪初，国务院决定在吉林、辽宁、安徽、河南等四省以陈化粮为原料进行燃料乙醇的规模化生产，年生产能力达102万吨。,2.3.1.2生物柴油,生物柴油是一种以动植物油脂为原料，经过酯交换反应（碱、酸或酶催化）加工而成的清洁可再生的脂肪酸甲酯（FAME）或脂肪酸乙酯（FAEE）燃料，目前生物柴油主要以植物油为原料与甲醇发生酯交换反应得到脂肪酸甲酯。全球生物柴油生产主要集中在欧盟和美国。2005年全球生物柴油产量400万吨。欧洲主要以菜籽油、美国主要以豆油为原料生产生物柴油。,2.3.1.3生物制氢,氢作为一种清洁的新型能源，从20世纪70年代起就引起了世界各国的重视，各国政府也是推动氢能经济的主要力量，日本、欧洲、美国都构建了自身的氢能源路线图，计划20202050年全面推动氢能经济的实施。中国的氢能燃料电池汽车“863”计划也已完成验收。传统上90%以上的氢气都以化石燃料为能源，以天然气、轻油馏分为原料通过气化重整的工艺生产的，电解水、气化煤等工业上也比较常用。目前氢气还没有在以可再生资源为原料的生产方面实现突破。生物制氢技术包括光驱动过程和厌氧发酵两种路线，前者利用光合细菌直接将太阳能转化为氢气，而后者采用的是产氢菌厌氧发酵的方式。,2.3.1.4丁醇,丁醇是已经被一些专家注意到得比乙醇更加优越的燃料替代品，可再生碳水化合物用于丙酮-丁醇发酵是相对较成熟的技术，在苏联时期的俄罗斯就用木质纤维素水解物发酵丙酮-丁醇。和乙醇汽油一样将在未来市场上出现丁醇汽油燃料，是替代石油燃料的又一条出路。,2.3.2生物材料,聚羟基脂肪酸酯（PHA），是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料，它具有良好的生物相容性、生物可降解和塑料的热加工性能，同时可作为医用材料和生物可降解包装材料。聚乳酸（PLA）是以发酵法生产的乳酸为原料，并进一步合成的用于包装的生物材料。美国Cargill公司采用发酵技术生产L-乳酸，然后生产聚乳酸，它是未来用作食品袋等包装材料的卫生环保的生物塑料，将具有非常广阔的市场前景，2004年产量已达到14万吨,2.3.3精细化学品,利用生物质原料，除了可以生产乙醇等燃料化学品外，将其进一步精细加工也将成为未来生物炼制极具潜力的化工行业。变形淀粉、山梨醇、烷基糖苷、蔗糖酯等这些精细化学品的生产将占据未来市场。美国计划到2010年生物基产品增加3倍，到2020年增加10倍。,2.4我国发展生物炼制的问题及对策,2.4.1资源定位和规划,生物质原料有地域性差异，因此不同地域和国家应该尽早对发展生物质产业做原料上的定位。我国应以农作物秸秆、林木残体、畜禽粪便、有机废弃物等农林废弃物，以及利用边际性土地种植的能源、材料植物为原料进行