生物燃料及生物柴油

1、 生物燃料(biofuel)泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料 是可再生能源开发利用的重要方向第一代生物燃料：使用糖类和淀粉类等原料进行发酵产生生物乙醇制得的燃料，还包括从以用做生物柴油的种子油缓解化石燃料供应可循环、可持续污染小但是。生产生物燃料的农作物往往需要土地、大量水资源和化学肥料。第二代生物燃料也分为二代：一代主要用甜高粱、木薯等非粮食农作物进行提取，优点是淀粉及糖含量高，能替代玉米、小麦等粮食作物，而下一代则以纤维素为主要原料，例如植物的茎叶、农作物秸秆、林业剩余物等都可以转化为燃料，非粮作物乙醇、纤维素乙醇和生物柴油第三代生物燃料：利用以天然气为原料的发电厂排出的二氧化

2、碳养殖可以转化为生物柴油或生物乙醇的藻类第一代生物燃料First generation biofuels 第一代生物燃料是使用糖类和淀粉类等粮食作物原料进行发酵产生生物乙醇制得的燃料，还包括从以用做生物柴油的种子油。第二代生物燃料 第二代生物燃料以非粮作物乙醇、纤维素乙醇和生物柴油等为代表，原料主要使用非粮作物，秸秆、枯草、甘蔗渣、稻壳、木屑等废弃物，以及主要用来生产生物柴油的动物脂肪、藻类等。生物乙醇 生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。它可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。 第一代生物乙醇是以粮食作物为原料的。 第二代生物乙醇是以木质纤维素为原料的。生物乙醇的

3、优势 一是乙醇辛烷值极高，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能； 二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。 三是汽油中只需掺入10%，总体热值减少不显著，且不需要改造发动机即可以使用。 四是纤维素乙醇商业化生产后生产成本低。生物乙醇的劣势第一代生物乙醇是以粮食作物为原料的，从长远来看具有规模限制和不可持续性。生产纤维素乙醇的前期投资较大。生产生物乙醇需要额外的土地在一定程度上会占用耕地、消耗粮食和破坏生态环境。生物柴油的优劣优良的环保特性，可调和性，可降解性，可再生性较好的低温发动机启动性能生物柴油的润滑性能比柴油好实用简便，无须改动相

4、关器械，具经济性具有优良的燃烧性能较好的安全性能 含水率较高，水分有利于降低油的黏度、提高稳定性，但降低了油的热值 具有“老化”倾向，保存条件高 在国家 “四不”政策下，生产原料的收集难，且成本较高。 酯交换方法合成生物柴油的缺点：工艺复杂、能耗高、设备投入大；化产物难于回收，回收成本高；生产过程有废碱液排放总体来说 第二代生物燃料主要使用非粮作物，秸秆、枯草、甘蔗渣、稻壳、木屑等废弃物，以及主要用来生产生物柴油的动物脂肪、藻类等，减弱与粮食的竞争。 在环境保护方面，第二代生物燃料的表现也远较第一代出色第二代生物燃料的表现远较第一代出色Although most biofuels reduce

5、 greenhouse gas emissions relative to gasoline, many, including soy (top right) and corn (top left), do not fare well in terms of other environmental impacts. Second-generation biofuels produced from non-food plants such as switchgrass (bottom) may perform better in environmental terms.尽管大多数生物燃料相对于汽

6、油减少了温室气体排放,但很多,包括大豆(右上角)和玉米(左上),在其他环境方面的影响并不是表现得很好。第二代生物燃料从非食品植物生产出来，如柳枝稷(底部)，可能在环境保护方面表现得更好。生产第二代生物乙醇的催化酶技术未来几年成本还将快速下降，大规模工业生产的可行性非常强秸秆等纤维素类农业废弃物（即生产原料）大量存在在减少碳排放等方面具有很强的优势Global biomass volumes required to achieve a 50% reduction in greenhouse gas emissions by 2050. A wide range of densification

7、options are possible, but even the most effective will still require several times the biomass-handling capacity that the commodity grain system uses today.全球生物质量需要在2050年实现到如今温室气体排放的50%减少量。广泛的密集化选择是可能的,但即使是最有效的方法仍然需要如今商品粮系统好几倍的生物量处理能力。同时，也有缺陷无法摆脱生物燃料的致命缺陷，即能源密度低如此使得生产生物燃料的企业不得不保持巨大的能源供应腹地，而运输这些原材料的能

8、耗到底能不能被产生的燃料完全对冲还是一个未知数还有，原本应该返回土地圈的秸秆等农业废弃物被用来制造能源可能会对生态产生影响，这种影响也许会导致生态的不平衡第三代生物燃料微藻随着能源需求的剧增，世界正进入衰退的不可再生能源时代，找到一个稳定清洁的可替代品来满足世界能源需要是十分必要的。在此背景下生物柴油应运而生。生物柴油（Biodiesel）来源有三大类：动植物油脂，细菌及真菌油脂，废弃油脂。目前最为广泛的生物柴油来源是动植物油脂，其中又以植物油脂更为普及。美国的微型曼哈顿计划 2007年，美国推出微型曼哈顿计划，其宗旨是向海洋藻类要能源，以帮助美国摆脱严重依赖进口石油的窘境。能以“微型曼哈顿计

9、划”命名，其重要性可见一斑。 微型曼哈顿计划由美国点燃燃料公司倡导发起，以美国国家实验室和科学家的联盟为主体，到2010年实现藻类产油的工业化，达到每天生产百万桶生物原油的目标。为此，美国能源部以圣地亚国家实验室牵头，组织十几家科研机构的上百位专家参与这一宏伟工程。新一代生物柴油原料微藻 微藻是遍布全球水体的浮游植物，微藻把光合作用产物转化为油储藏起来，在细胞内形成油滴。将这些油通过转酯化后可转变为脂肪酸甲酯，即生物柴油。某些微藻能够合成长链烯烃，也具有发展生物燃料的潜力。 微藻和高等植物的油属于三酰基甘油酯，都可作为生物柴油的生产原料。为什么关注微藻？ 采用微藻作为生物柴油的来源具有以下优点

10、： 来源广泛 易于采集 生命周期短，可全年不间断培养 产油能力高于其他绿色油料植物 培养条件较低，易于进行大规模养殖 能在淡水海水等非农业用地里培养，不与传统农业竞争土地资源，减少了农药带来的环境污染 有利于废水的净化，减少空气中二氧化碳的含量，能缓解全球变暖，等等。利用微藻制取生物燃料目前用于生产藻类型的生物燃料的方法主要有光合反应器法、封闭环路系统法和开放池法。三者各有利弊。目前，养殖微藻的研究主要集中在封闭式光生物反应器。大规模养殖的微藻种类主要有螺旋藻、小球藻、盐藻、栅藻等。作物特点 藻类作物 微藻 种类繁多、分布极其广泛； 生长周期短、几乎不需要特别养分； 环境适应能力强 可在缺氮等

11、条件下存活，并可大量积累油脂，含油量可高达70名称基本工作原理利弊开放池塘法在池塘、湖面等封闭水域养殖藻类简便易行、成本较低，但存在易被污染、占地 面积大、难以对水体和温度 进行调节从而生产不稳定等 缺点。封闭环路系统法在闭合的人造水渠中进行，含有藻类的液体在其中循环，循环过程中将藻类进行新陈代谢所需的二氧化碳和养分引入到水渠的液体中。操作简单，培养条件、 参数易控制，条件稳定，成品质量高，可实现全年无菌纯种培养，能较大幅度地提高微藻细胞密度，其生长速率和生物量大幅度提高，近些年已应用于微藻的商业性、高密度大规模培养生产。但封闭式光生物反应器在规模培养过程中的生产成本相对较高，成本为开放式池塘

12、培养法的10 倍以上。固化反应器法用一些透明管道装满工厂排出的废水和废气，管道内的藻类吸收废气中所含的二氧化碳，用于光合作用。同时，藻类排出氧气，生成用于提炼燃料的物质。微藻热解制备生物燃料技术 目前利用微藻制备生物燃料技术主要由生物化学转化与热化学转化两种。 生物化学转化包括发酵和厌氧消化。发酵法被广泛应用于酒精工业当中，由酶将富含糖类淀粉的底物转化为乙醇等。厌氧消化可直接将生物质转化为主要由甲烷和二氧化碳组成的可燃气体，现广泛应用于有机废水的生物处理方面，是生产沼气的基础。 热化学转化技术是目前将生物量转化为生物只能得主要技术手段之一，根据最终产物的不同可以将热化学转化技术分为热解碳化燃烧

13、气化与液化等几种不同的转化过程。 热解是指在绝氧条件下将生物量加热到500度左右，导致生物量分解转化为其他液、固、气组分的过程。由于热解较其他方法得到更多液体生物油，因此热解是目前最有希望来制取生物油的技术之一。热解包括快速热裂解与慢速热裂解两种。两者的比较如下：热解对藻类的组成较不敏感，对它的品质要求较低，产量极高。然而热解油的显著特点是相对于汽油与柴油其含氧量较高，热值较低，如果想利用热解油代替柴油用于内燃机，还必须对它进行处理、如催化加氢等，以改善其品质。展望 目前利用微藻制取生物燃料有大量问题需要解决。生产成本过高是主要问题。解决途径有以下三种：从生物学角度筛选和培育优良藻种；通过化学

14、方法改善微藻产油的品质；设计微藻培养环境与收集方法来降低其生产成本。 在众多生物质中，藻类具有生物量大，生长周期短，易培养，脂类物质多等优点。利用微藻生产生物柴油、制备热裂解油作为新一代的生物燃料具有广阔的发展前景。Biodiesel生物柴油定义？ 由动植物油脂（脂肪酸甘油三酯）与醇（甲醇或乙醇）经酯交换反应得到的脂肪酸单烷基酯。主要成分生物柴油与石化柴油对比第一代生物柴油酯交换法生产脂肪酸甲酯（FAME），同时产生副产物甘油改进一用乙醇代替甲醇进行酯交换生物 柴油生物 柴油文冠果 文冠果是我国特有的一种优良木本食用油料树种。文冠果种子含油率为30%-36%，种仁含油率为55%67%。其中不饱

15、和脂肪酸中的油酸占52.8%-53.3%，亚油酸占37.8%39.4%，易被人体消化吸收。文冠果油种皮种仁果壳（主含纤维素半纤维素） （含油、皂苷、蛋白、淀粉） （主含纤维素半纤维素）油粕生物柴油高级食用油保健品皂苷类药物精饲料产品植物蛋白产品蛋白饮料营养食品皂苷类药物用于生产纤维素乙醇用于生产纤维素乙醇16 文冠果生物炼制技术SHFSSFSSCFCBP改进二：第二代生物柴油通过动植物油脂为原料通过催化加氢生产的非脂肪酸甲酯工物柴油制备方法柴油掺炼油脂直接加氢脱氧 Ni-Mo/Al2O3 Co-Mo/Al2O3油脂加氢脱氧异构改进三：第三代生物柴油利用非油脂类植物和微生物油脂研制生物柴油，这被

16、称作第三代生物柴油。微生物油脂生产生物柴油生物质气化合成生物柴油微生物油脂生产生物柴油生物质原料 合成气气化系统气体反应系统Fischer-Tropsch synthesis催化加氢生物柴油气体净化系统和利用系统生物质气化合成生物柴油对比反思第一代生物燃料：粮食作物 高粱、玉米第二代生物燃料：非粮作物 纤维素 第三代生物燃料：藻类作物 微藻综述原料原料产品产品工艺工艺应用应用第一代第一代粮食作物粮食作物生物柴油生物柴油生物乙醇生物乙醇发酵法发酵法在发达国家在发达国家已有广泛应已有广泛应用（巴西）用（巴西） 第二代第二代非粮作物非粮作物纤维素乙醇纤维素乙醇纤维素汽油纤维素汽油催化加氢催化加氢因成

17、本问题因成本问题未能广泛应未能广泛应用用第三代第三代藻类作物藻类作物乙醇、丁醇乙醇、丁醇喷气燃料喷气燃料柴油柴油费托工艺费托工艺尚处开发阶尚处开发阶段段作物特点粮食作物 种植范围广，油脂含量高 “与民争粮”、干扰粮食生产非粮作物 成本低廉、产量大 不会干扰和危及粮食生产生产工艺第一代技术纯熟，简便易操作；原料成本高第二代原料成本低廉，设备成本高开放池塘法封闭环路系统法固化反应器法 对土地、淡水资源要求较低 可利用工业废气中的二氧化碳，减少环境污染 生产效率与经济效益微藻单位面积的产率高出高等植物数十倍，但不及太阳能电池作物作物产油量：产油量：加仑加仑/ /英亩英亩谷物谷物1818棉花棉花353

18、5大豆大豆4848芥末籽芥末籽6161向日葵向日葵102102油菜籽油菜籽127127麻疯树麻疯树202202棕榈油棕榈油635635海藻（在海藻（在15%TAG 15%TAG 下，收获率下，收获率10g/m10g/m2 2/d/d）12001200海藻（在海藻（在50%TAG 50%TAG 下，收获率下，收获率50g/m50g/m2 2/d/d）1000010000各种原料及其产油潜力 在经济效益方面，相关学者根据以前开放型池塘微藻生产的研究，预测微藻生物燃油生产成本为39127美元/桶，按照2006年美元计价则相当于50265美元/桶。他们分别运行商业规模的2公顷面积的生物反应器和开放型池塘微藻生产系统，评估生物燃油生产成本分别为84美元/桶和93美元/桶（2006年）。1020年后，当世界能提供的石油快要耗尽时，微藻生物燃油作为高价石油的替代燃料（如页岩油和沥青砂油）具有更大的价格竞争力。如果考虑到全球变暖加剧，微藻生物燃油的价格竞争力更强。第三代生物燃料的应用开发世界上首架使用纯藻类生物燃料的“绿色”飞机美国能源部 2010年6月29日向三个研究财团资助2400万美元，以加速实现基于海藻的生物燃料的商业化规模生产。可持续微藻生物燃料财团 亚利桑那微藻生物燃