生物技术与能源

1、生物技术与能源生物技术与能源 姓名姓名：XXX 什么是能源？什么是能源？ -不可再生能源：煤炭、石油、天然气 -可再生能源：太阳能、风能、水能、地热能、 生物质能 生物质生物质：是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生 的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生 物质。它包括植物、动物和微生物。 生物质能生物质能：就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能 量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿 色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态及气态燃料， 取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种 可再生的碳源。 目录目录 CONTENTS 生物柴油生物柴油

2、 02 微生物燃料电池微生物燃料电池 06 生物乙醇生物乙醇 04 国内外发展现状国内外发展现状 01 生物沼气生物沼气 05 生物制氢生物制氢03 国内外发展现状国内外发展现状 国内外发展现状国内外发展现状 1.1.国外发展现状国外发展现状 生物质能是世界上重要的新能源，技术成熟，应用广泛， 在应对全球气候变化、能源供需矛盾、保护生态环境等方面发 挥着重要作用，是全球继石油、煤炭、天然气之后的第四大能 源，成为国际能源转型的重要力量。 利用方式利用方式 利用规模利用规模 国家国家 数量数量单位单位 1.生物质发电生物质发电1亿亿千瓦千瓦美国美国 1590万万 巴西巴西 1100万万 2.生物

3、沼气生物沼气570亿立方米亿立方米 德国德国 200瑞典瑞典 3.生物质成型燃料生物质成型燃料3000万吨万吨北欧北欧瑞典瑞典 4.生物燃料乙醇生物燃料乙醇8000万吨万吨美国美国巴西巴西 5.生物柴油生物柴油2000万吨万吨 全球生物质能利用现状全球生物质能利用现状 2.2.国内发展现状国内发展现状 我国生物质资源丰富，全国可作为能源利用的农作物秸 秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾 与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。截至 2015年，生物质能利用量约3500万吨标准煤，其中商品化的 生物质能利用量约1800万吨标准煤。 中国生物质能资源分布图中国生物质能

4、资源分布图 中国生物质能资源分布图中国生物质能资源分布图 利用方式利用方式 利用规模利用规模年产量年产量折标煤折标煤 数量数量单位单位数量数量单位单位万吨万吨/年年 1.生物质发电生物质发电1030万千瓦万千瓦520亿千瓦时亿千瓦时1520 2.户用沼气户用沼气4380万户万户140 亿立方米亿立方米1320 3.大型沼气工程大型沼气工程10万处万处50 4.生物质成型燃料生物质成型燃料800万吨万吨400 5.生物燃料乙醇生物燃料乙醇210万吨万吨180 6.生物柴油生物柴油80万吨万吨120 总计总计3540 我国生物质能利用现状我国生物质能利用现状 我国存在的问题：我国存在的问题： 1.

5、尚未形成共识。 2.商业化开发利用经验不足。 3.专业化市场化程度低，技术水平有待提高。 4.标准体系不健全。 5.政策不完善 生物柴油生物柴油 生物柴油生物柴油 生物柴油生物柴油：是以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等， 野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐 饮垃圾油等为原料油，通过酯化或酯交换工艺制得的主要成 分为长链脂肪酸甲酯长链脂肪酸甲酯的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 优点：优点： （1）优良的环保特性 （2）较好的润滑性能 （3）燃烧性能好 （4）较好的安全性能 制备方法：制备方法： 酯交换法、催化加氢、气体合成酯交换法、催化加氢、气体合成 1.1.第一代生物柴油第

6、一代生物柴油酯交换法酯交换法 动植物油脂的主要成分是甘油三酯，酯交换法是利用 低碳醇在催化剂作用下与甘油三酯反应生成脂肪酸甲酯和 甘油。 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 催化剂：催化剂：酸、碱及其复合应用 酸催化法的催化剂：硫酸、盐酸和磷酸等。 碱催化法的催化剂：氢氧化钠、氢氧化钾和甲醇钠等。 酸、碱复合催化法是先在酸催化剂的作用下，将脂肪酸 转化为脂肪酸甲酯，再在碱催化剂作用下，将甘油三酯转化 为脂肪酸甲酯。 （1 1）酸碱均相催化法）酸碱均相催化法 （2 2）酸碱非均相催化法）酸碱非均相催化法 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 （1 1）酸碱均相催化法）酸碱均相催化法 反应条件相对温和，

7、反应速率快，但是，由于催化剂具 有强腐蚀性，反应结束后，需对酸或碱进行中和及分离等后 续处理，工艺流程长，生产成本增加，且存在废水和废渣排 放等环境污染问题。 碱性催化剂是目前使用最为广泛的催化剂。 液碱催化技术应用液碱催化技术应用鲁奇工艺（德国）鲁奇工艺（德国） 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 酯交换反应器 回流 分 离 甘 油 粗 甲 酯 沉降槽 （2 2）酸碱酸碱非均相催化法非均相催化法 大多采用固体酸和固体碱，可避免液体酸、碱的难分离 问题以及废水和废渣的排放问题 与固体酸相比，固体碱具有较高的反应活性，可简化催 化剂分离回收过程及缩短反应时间，实现了连续生产，降低 了生产成本。 固

8、碱催化技术应用固碱催化技术应用Esterfip-H 固体碱工艺固体碱工艺（法国）（法国） 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 固定化床反应器 （混合金属氧化 物固体碱催化剂） 甲醇 甲 醇 粗 甲 酯 粗甲酯减压蒸馏 分离甘油 分离甘油 生物柴油产品纯度99%，废水排放少 （3 3）超临界法）超临界法 是在超临界流体参与下的化学反应，超临界流体既可以 作为反应介质，又可以参与反应。 在超临界状态下，低碳醇和油脂成为均相，反应速率大， 反应时间短。另外，在反应中不使用催化剂不使用催化剂，反应后续分离 工艺简单，不排放废碱或酸液，不污染环境，生产成本大幅 降低。 但是超临界法反应条件非常苛刻，需要在

9、高温高压高温高压下进 行。 应用应用超临界甲醇醇解（超临界甲醇醇解（SRCA）工艺）工艺（中国）（中国） 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 反应压力： 6.58.5MPa 产率93%，废渣 废水少，废水中 不含酸碱 （4 4）生物酶法）生物酶法 利用脂肪酶催化醇与甘油三酯进行酯交换反应，制备生物 柴油。 生物酶法的优点在于条件温和、醇用量少、游离脂肪酸和 水的含量对反应无影响、无污染排放。但脂肪酶价格昂贵，故 此方法成本较高，不利于大型工业生产。 生物柴油生物柴油酯交换法酯交换法 2.2.第二代生物柴油第二代生物柴油催化加氢催化加氢 （1 1）直接催化加氢：）直接催化加氢：将油脂在高温高压下进

10、行深度加 氢，羧基中的氧和氢生成水，自身还原成烃。 应用应用芬兰芬兰NestNest公司公司NExBTL（新一代环保生物柴油）工艺（新一代环保生物柴油）工艺 （2 2）加氢脱氧异构）加氢脱氧异构 是油脂经过加氢脱氧和临氢异构化两步来制备生物柴油 应用应用美国环球油品公美国环球油品公司司(UOP)的的Ecofining（绿色柴油）工艺（绿色柴油）工艺 生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢 生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢 生物柴油生物柴油催化加氢催化加氢 异构化 3.3.第三代生物柴油第三代生物柴油气体合成气体合成 空气、氧气、水蒸气介质中空气、氧气、水蒸气介质中 发生高温裂解、氧化还原发生高温裂解

11、、氧化还原 农林废弃物农林废弃物 破碎加工破碎加工 气化炉气化炉 (CO、H2合成气合成气) 催化加氢催化加氢 费托合成费托合成 生物柴油生物柴油 生物制氢生物制氢 生物制氢生物制氢 生物制氢生物制氢：是把自然界储存于有机化合物（如植物中的 碳水化合物、蛋白质等）中的能量通过高效产氢细菌高效产氢细菌的作用， 转化为氢气氢气，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。 方法：方法：光解水制氢、光发酵制氢、暗发酵制氢、光发酵 和暗发酵耦合制氢 （1 1）光解水制氢）光解水制氢 微生物光合作用分解水产氢。 以蓝藻为例： H2O（光） 缺点：产氢能力较低，不消耗废物。 理论研究：理论研究

12、：管英富等采用固定化技术对海洋扁藻进行固 定，发现固定化光解水产氢的效率提高5倍。 （2 2）光发酵制氢）光发酵制氢 光合异养型细菌在厌氧条件下，以有机物厌氧酵解产生 的小分子有机酸或醇为底物，光提供的能量，将H+还原成H2 的过程。 当葡萄糖作为光发酵的基质时，反应方程如下： 光发酵具有相对较高的光转化效率。 理论研究：理论研究： Guillaume Sabourin-Provost学者首次： 底物：生物柴油中的粗甘油 生物：紫色脱硫光和细菌 H2产量: 6 mol H2/mol 粗甘油，理论产量的75% 才金玲： 底物：乙酸 生物：产氢海洋光和细菌（富集获取） 研究条件：温度（30）、光照

13、条件（4000lx）、起始 pH（8.0）、乙酸浓度 （3 3）暗发酵制氢）暗发酵制氢 异养型厌氧细菌 当葡萄糖作为暗发酵的基质时，反应方程如下： 在有机废物的厌氧处理过程中，酸化阶段是在初始水解 之后的第二阶段，在这一阶段可以产生挥发性脂肪酸、乙酸 和H2、CO2。 理论研究：理论研究： 汤桂兰等，利用养殖场废水进行了厌氧发酵生物制氢技 术的研究。以厌氧消化污泥作为天然产氢菌源，通过养殖场 废水的厌氧发酵生产氢气，结果表明，加入营养物质接种污 泥的养殖场废水氢气含量、累积产氢量和单位COD氢气产量 最高可达到50.65%、334.80 mL和287.10 mL/g。 （4 4）光发酵和暗发酵

14、耦合制氢）光发酵和暗发酵耦合制氢 先进行暗发酵，再经过光发酵产氢。暗发酵后的发酵液 中含有丰富的有机酸可用于光发酵，如此可消除有机酸对暗 发酵制氢的抑制作用；而光发酵中的光合细菌对有机酸的利 用则能降低废水的COD值。 葡萄糖作为两步发酵的基质时，反应方程如下： 理论研究：理论研究： Yang 等开展了利用玉米芯作为基质时通过暗发酵和光 发酵结合的方法产氢的研究。 暗发酵：最佳的产氢量和产氢率分别为（120.35.2） mL H2/g-玉米芯和150 mL H2/(L h). 光发酵：光合细菌通过将暗发酵过程的出水消化产氢， 最大产量为(713.644.1) mL H2/g-COD，此时COD

15、 的去除率 高达90%。 暗发酵阶段产氢主要是因为玉米芯水解产物中还原糖和 低聚糖的生物转化作用，而光发酵阶段主要是通过暗发酵出 水中乙酸、丁酸和乙醇的生物降解作用来产氢。 生物制氢法生物制氢法产氢效率产氢效率转化底物类型转化底物类型转化底物效率转化底物效率环境友好程度环境友好程度 光水解制氢光水解制氢慢慢水水低低需要光，对环需要光，对环 境无污染境无污染 光发酵制氢光发酵制氢较快较快 小分子有机酸、小分子有机酸、 醇类物质醇类物质较高较高 可利用有机废可利用有机废 水制氢，需要水制氢，需要 光照光照 暗发酵制氢暗发酵制氢快快 葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、 纤维素等碳水化纤维素等碳水化 合物合

16、物 高高 可利用工农业可利用工农业 废弃物制氢，废弃物制氢， 发酵废液在排发酵废液在排 放前需处理放前需处理 光发酵和暗发光发酵和暗发 酵耦合制氢酵耦合制氢最快最快 葡萄糖、淀粉、葡萄糖、淀粉、 纤维素等碳水化纤维素等碳水化 合物合物 最高最高 可利用工农业可利用工农业 废弃物制氢废弃物制氢 4种产氢方法比较种产氢方法比较 1李媛,张俊涛,谢红艳.生物能源技术发展和利用的现状研究J.广东化 工,2017,44(13):112-143. 2.美国开发变废水污泥为可再生天然气技术J.计量与测试技 术,2017 ,44(04):19. 3潘炼峰,吴辰钟.我国生物能源产业发展中的问题及解决对策J.经营

17、与管 理,2017,(02):96-98. 4宁艳春,于占春,白殿国,张东远,屈海峰,张显友.生物燃料的技术现状及研究 趋势分析J.化工科技,2016,24(04):88-92. 5曹军卫,高志,凌定元,王健.生物技术在能源领域中的应用与发展前景J.山 东化工,2015,44(07):60-63. 6崔文康,杨冰冰,冯云,席克忠,马新起,乔聪震.第二代生物柴油技术研究进展 J.化学研究,2015,26(02):216-220. 参考文献参考文献 7孙立红,陶虎春.生物制氢方法综述J.中国农学通报,2014,30(36):161-167. 8刘汝宽,肖志红,李昌珠,叶红齐.离子液体催化制备生物柴

18、油研究进展J.中 国油脂,2014,39(09):53-57. 9王常文,崔方方,宋宇.生物柴油的研究现状及发展前景J.中国油 脂,2014,39(05):44-48. 10舟丹.我国生物质能科技发展思路J.中外能源,2014,19(02):57. 11史国强,李军,邢定峰.生物柴油生产工艺技术概述J.石油规划设 计,2013,24(05):29-34+50. 12孙毅.生物技术与能源开发J.科技情报开发与经济,2013,23(15):150-152. 13朱增勇,于立明.美国发展玉米乙醇对农产品市场的影响J.中国食物与营 养,2012,18(06):48-51. 14纪超凡,虞星炬,薛松,陈

19、兆安,张卫.亚心型四爿藻在CCCP作用下的光生物 产氢的代谢途径J.微生物学通报,2011,38(11):1666-1672. 15彭良才.论中国生物能源发展的根本出路J.华中农业大学学报(社会科学 版),2011,(02):1-6. 16王平,马祥庆.生物能源的开发利用及生产技术研究进展J.亚热带农业研 究,2007,(04):313-316. 17费世民,张旭东,杨灌英,周金星,刘福云.国内外能源植物资源及其开发利 用现状J.四川林业科技,2005,(03):20-26. 18Mona Abo-Hashesh, Nicolas Desaunay, Patrick C. Hallenbeck

20、. High yield single stage conversion of glucose to hydrogen by photofermentation with continuous cultures of Rhodobacter capsulatus JP91J. Bioresource Technology,2013,128:. 19金明兰.生物制氢技术的研究进展J.吉林建筑工程学院学 报,2012,29(04):45-48. 20张全国,王毅.光合细菌生物制氢技术研究进展J.农业机械学 报,2013,44(06):156-161. 21申翔伟,周雪花,杜金宇,荆艳艳.生物制氢技

21、术发展历程及其特征J.太阳 能,2010,(01):22-25. 22田水泉,张立科,杨风岭,张宪宏,樊静.生物质能源化学转化技术与应用研 究进展J.安徽农业科学,2011,39(03):1645-1648. 23黄惠莹,陈德业.有机废水处理生物制氢技术研究进展J.广东化 工,2014,41(13):133-134. 24成少安,黄志鹏,于利亮,毛政中,黄浩斌,孙怡. 微生物燃料电池处理高盐 废水的研究进展J/OL. 25李晶. 微生物燃料电池的产电代谢及菌群解析D.西安建筑科技大学,2015. 26王维大. 微生物燃料电池共代谢降解氰化物及产电性能研究D.北京科技 大学,2015. 27刘睿

22、,王晓慧,海热提,向龙,付进南,李媛. 活性炭优化生物阴极提升微生物 燃料电池产电性能J. 环境科学学报,2015,35(07):2059-2063. 28郭伟. 微生物燃料电池产电性能及处理偶氮染料废水研究D.河南师范大 学,2014. 29卢娜,周顺桂,倪晋仁. 微生物燃料电池的产电机制J. 化学进 展,2008,(Z2):1233-1240. 30田夏迪,程浩毅,王爱杰. 微生物-光-电化学耦合技术降解污染物和回收能 源的研究进展J/OL. 31谭晓君,陈峻峰. 微生物燃料电池的研究进展及发展趋势探讨J. 广东化 工,2017,44(16):105-106+90. 32李婉君. 微生物燃料电池技术发展及其应用前景探讨J. 绿色环保建 材,2017,(08):253. 33赵宝国. 生物乙醇行业发展趋势分析J/OL. 现代交际,:(2017-05- 27).h