生物質(zhì)工程前沿與關(guān)鍵技術(shù)

生物質(zhì)工程前沿與關(guān)鍵技術(shù)(一)現(xiàn)代生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是利用農(nóng)作物、樹木和其他植物及其殘體、畜禽糞便、有機廢棄物等可再生或循環(huán)的有機物質(zhì)為原料,通過工業(yè)性加工轉(zhuǎn)化生產(chǎn)化工產(chǎn)品、生物燃料和生物能源以及生物基產(chǎn)品的一個格外引人關(guān)注的新興產(chǎn)業(yè).

循環(huán)經(jīng)濟的典范

太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源可以提供能量,但不能形成物質(zhì)性生產(chǎn).而生物質(zhì)既是可再生能源,也能生產(chǎn)出上千種的化工產(chǎn)品,且因其主成分為碳水化合物,在生產(chǎn)及使用過程中與環(huán)境友好,又勝化石能源一籌.另外,它以作物秸稈、畜禽糞便、林產(chǎn)廢棄物、有機垃圾等農(nóng)林廢棄物和環(huán)境污染物為原料,使之無害化和資源化,將植物蓄存的光能與物質(zhì)資源深度開發(fā)和循環(huán)利用,堪稱循環(huán)經(jīng)濟之典范.

我國每年產(chǎn)生7億多噸作物秸稈,其中2億噸被就地焚燒,污染大氣;每年有2億多萬噸林地廢棄物未被利用;每年有25余億噸畜禽糞便及大量有機廢棄物,相當于3億噸標煤未能利用和成為水體的污染源;每年有1000多萬公頃農(nóng)田因覆蓋石油基塑料地膜而導(dǎo)致土壤肥力衰退.此外,尚有1億多公頃的邊際性土地,這些邊際性土地雖不宜墾田,但如種植能源植物可年產(chǎn)出或替代6億噸燃油.

種出個'綠色大慶'

我國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)剛剛起步,但勢頭很好.豫、吉、皖三省4套年產(chǎn)30萬噸燃料乙醇裝置已建成投產(chǎn),乙醇汽油銷售開始封閉運行;我國自行培育的具有高抗逆性和可全國種植的甜高粱,每公頃能產(chǎn)燃料乙醇6噸,比甘蔗高30%,比玉米高3倍,在新疆、內(nèi)蒙等地已有可喜進展.麻瘋樹籽粒含油率50%以上,可直接生產(chǎn)生物柴油,西南地區(qū)已種植10萬畝,計劃2010年發(fā)展到1000萬畝.此外,淀粉基熱塑性和聚乳酸樹脂技術(shù)正醞釀突破,固化成型燃燒技術(shù)開始應(yīng)用.

根據(jù)我國生物質(zhì)資源特點和技術(shù)潛在優(yōu)勢,可以將燃料乙醇、生物柴油、生物塑料,以及沼氣發(fā)電和固化成型燃燒作為主產(chǎn)品.如能利用全國每年50%的作物秸稈、40%的畜禽糞便、30%的林業(yè)廢棄物,以及開發(fā)5%、約550萬公頃邊際性土地種植能源植物,同時建設(shè)約1000個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工廠,其生產(chǎn)能力可相當于年產(chǎn)石油5000萬噸,相當于一個大慶(年產(chǎn)石油4800萬噸).

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)資源特點,可建設(shè)以甜高粱和林區(qū)廢棄物為主體的東北綠色'油田'、以旱生灌草和甜高粱為主體的西北綠色'油田'、以甜高粱為主體的華北綠色'油田'、以麻瘋樹和甜高粱為主體的西南綠色'油田',以及以多種木本和草本能源植物為主體的東南綠色'油田'.期待成本突破

雖說生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展之大勢和新興的朝陽產(chǎn)業(yè),但其當前成本與價格尚難與石油基產(chǎn)品競爭.

煤與石油化工的烴技術(shù)體系形成已有近百年歷史,而糖技術(shù)發(fā)展晚得多還不成熟,但也因此具有巨大的技術(shù)改進與成本降低的空間.巴西以甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇1980年噸價849美元,1998年降到300美元以下.我國的陳化糧基乙醇噸價3800元,而甜高粱基乙醇可降到2800元以下;油料作物基生物柴油噸價4000元上下,麻瘋樹等木本油料基和垃圾油脂基生物柴油噸價可降到3000元以下.新能源植物資源的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用生物技術(shù)等進行能源植物的遺傳改良,原料成本還會有較大降低.

工業(yè)轉(zhuǎn)化技改的潛力也很大,如將普通酵母間歇發(fā)酵改進為基因工程菌連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇、酶法和非催化法合成生物柴油、在線產(chǎn)物分離連續(xù)發(fā)酵、木質(zhì)纖維素水解技術(shù)等的突破都將大幅度降低轉(zhuǎn)化成本.

成熟技術(shù)、改進技術(shù)和高新技術(shù)的聯(lián)合運用是共同的策略.根據(jù)對幾個主產(chǎn)品的綜合分析,僅靠技術(shù)改進即可獲25%-40%的成本降幅,使生物質(zhì)基產(chǎn)品成本低于現(xiàn)石油基產(chǎn)品.

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的工藝、設(shè)備和產(chǎn)業(yè)化方面,我國與發(fā)達國家有較大差距,但在資源和某些技術(shù)研究方面是有優(yōu)勢的.抓住機遇,努力發(fā)展,在此項各國幾乎在同一起跑線上的國際競賽中,我國有可能跑在最前面.降低原料成本我國有優(yōu)勢技術(shù)——生物質(zhì)工程前沿與關(guān)鍵技術(shù)

（二）生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將使人類不再過分依賴化石能源,但目前以生物質(zhì)為原料的糖經(jīng)濟尚缺乏與石油經(jīng)濟競爭的實力.雖然生物質(zhì)原料成本低,但加工轉(zhuǎn)化成本高,只有實現(xiàn)技術(shù)上的突破,才能形成完整的生物質(zhì)技術(shù)工程體系.

在生物質(zhì)生物利用過程中,國際公認的3個需要解決的重大技術(shù)問題是:1、克服木質(zhì)纖維素分子對生物轉(zhuǎn)化的抗性,將大分子多糖降解為可發(fā)酵糖;2、通過微生物代謝工程和基因工程研究,由可發(fā)酵糖進行生物轉(zhuǎn)化;3、簡捷、高效的下游過程技術(shù)產(chǎn)物分離.其中,將大分子多糖降解為可生物利用的還原糖是目前最大的技術(shù)屏障.盡管我國生物質(zhì)技術(shù)整體水平較低,但恰恰在以上有關(guān)植物生物質(zhì)生物利用關(guān)鍵技術(shù)難題方面有獨到的技術(shù)優(yōu)勢.上述三方面的技術(shù)突破,將使我國有望率先較經(jīng)濟地生產(chǎn)燃料乙醇,降低聚乳酸前體乳酸的生產(chǎn)成本,使生態(tài)塑料聚乳酸樹脂具備與石油基塑料競爭的經(jīng)濟性.

木質(zhì)纖維素水解技術(shù)

植物生物質(zhì)的主要成分是木質(zhì)纖維素,是世界上惟一可預(yù)測的能為人類提供物質(zhì)和燃料的可持續(xù)資源.全球每年產(chǎn)生的生物質(zhì)總量約2．9×1021焦耳的能量,但是利用率才將近7%.把植物生物質(zhì)變成清潔能源和環(huán)境友好化工產(chǎn)品的最佳方法是,必須先把多糖、纖維素、半纖維素降解為單糖即葡萄糖、木糖.早在20世紀70年代的第一次石油危機時,美國就開始了用秸稈等木質(zhì)纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的研究.采用單菌產(chǎn)纖維素酶再用酶降解纖維素工藝,從1985年到1995年,成本只降低了10倍,而且再繼續(xù)降低成本比較困難,至今美國仍在單菌產(chǎn)纖維素酶的老路上鉆研.

我國科學(xué)家則以全新的思路開展木質(zhì)纖維素生物利用研究.根據(jù)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的結(jié)構(gòu),先采用新技術(shù)預(yù)處理木質(zhì)纖維素使纖維素表面充分暴露,并且使半纖維素水解為木糖的時間縮短4倍;再利用微生物菌群法降解纖維素,顯著提高了纖維素降解速度,降低了水解成本;連續(xù)分離還原糖的水解反應(yīng)器技術(shù)由于全面考慮了纖維素水解所涉及的各種因素,提高了纖維素水解速度和水解液中還原糖濃度,從而大大降低了可發(fā)酵糖的成本.

水解糖的微生物利用技術(shù)

半纖維素水解產(chǎn)物木糖是僅次于葡萄糖的第二大糖源.國外往往重視葡萄糖的生物利用研究.我國在五碳糖、六碳糖微生物共代謝研究方面已取得重要進展,構(gòu)建了可以利用木糖產(chǎn)乙醇的基因工程細菌.該菌與酵母菌相比,可以縮短發(fā)酵時間3~4倍,使乙醇收率從88~90%提高到94%,糖轉(zhuǎn)化率提高到90~94%,并且自身安全無毒,可以作為動物飼料,提高了用秸稈等農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)乙醇的經(jīng)濟性.我國學(xué)者還篩選、誘變得到了共代謝木糖、葡萄糖生產(chǎn)高光學(xué)純度乳酸的真菌,利用該真菌從相對廉價的原料得到高光學(xué)純度乳酸.而國外則主要以淀粉(葡萄糖)為原料采用細菌間歇發(fā)酵生產(chǎn)乳酸,很難在現(xiàn)有水平上再降低乳酸生產(chǎn)成本,限制了生物基塑料聚乳酸樹脂的廣泛應(yīng)用.

在線產(chǎn)物分離連續(xù)發(fā)酵技術(shù)

微生物代謝產(chǎn)物對菌體自身生長的抑制作用一直是困擾發(fā)酵工業(yè)的難題,我國開發(fā)的一體式膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵技術(shù)可使微生物在高代謝產(chǎn)物濃度下發(fā)酵,采用該技術(shù)以玉米芯水解液為原料連續(xù)發(fā)酵250小時,乳酸生產(chǎn)率達12．6g/l．h,為低成本生產(chǎn)乳酸并使聚乳酸樹脂具備與石油基塑料競爭的能力奠定了基礎(chǔ).應(yīng)用計算流體力學(xué)模型優(yōu)化一體式膜生物反應(yīng)器,可以得到滿足微生物生長需要和防止膜污染的最佳供氣條件.在線產(chǎn)物分離連續(xù)生物反應(yīng)技術(shù),不僅可以提高乳酸生產(chǎn)技術(shù)水平,而且將改善發(fā)酵工業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀.

上述木質(zhì)纖維素水解、五碳糖與六碳糖微生物共利用、在線產(chǎn)物分離連續(xù)發(fā)酵三方面的技術(shù)突破,有助于我國在新興的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)中取得國際領(lǐng)先地位.生物煉化期待成本突破——生物質(zhì)工程前沿與關(guān)鍵技術(shù)(三)

利用取之不盡、用之不竭的農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)燃料和石油化工產(chǎn)品是綠色化學(xué)的重要研究方向,也是石油煉制和石化工業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路.目前,國外正在大力發(fā)展各種類型的生物煉油化工廠,其中美國由于豐產(chǎn)玉米,已有報道以玉米為原料的生物煉油化工廠模型.從我國國情出發(fā),開發(fā)以植物油為原料的生物柴油煉油化工廠具有現(xiàn)實意義.

植物油中主要含有甘油三酸酯.它與甲醇進行酯交換后可以得到脂肪酸甲酯和甘油,兩者都可以作為產(chǎn)品直接進行銷售,同時也可作為原料制造大宗化工產(chǎn)品和生物可降解精細化工產(chǎn)品.

發(fā)展生物柴油煉油化工廠的關(guān)鍵是原料價格與供應(yīng)量.利用木本植物油,尤其是野生木本植物油作為生物煉油廠的原料是中國的優(yōu)勢和特色.

在生物煉油廠中,只生產(chǎn)生物柴油難以立足,必須綜合利用以增加利潤.脂肪酸甲酯的應(yīng)用領(lǐng)域比較多,作為原料,它可以用來生產(chǎn)包括黏合劑、溶劑、脫漆劑、表面活性劑、工業(yè)化學(xué)品、潤滑劑、塑料、增塑劑及農(nóng)用化學(xué)品等七大類產(chǎn)品.另外,大豆油甲酯還可以用作鋁材軋制液、瀝青脫膜劑等.副產(chǎn)品甘油除用在醫(yī)藥、食品和化妝品等行業(yè)外,近年國內(nèi)正在開發(fā)用以生產(chǎn)1牞3-丙二醇的技術(shù).

從現(xiàn)在開始到2010年,在我國建立工業(yè)示范的農(nóng)林生物質(zhì)培育、種植、加工基地和生物柴油煉油化工廠,需要多部門、多學(xué)科的緊密團結(jié)與共同努力.

在原油價格為25~50美元/桶(約1400~2800元/噸)的情況下,目前油料價格為3500~5000元/噸,如果植物油提供的原料油的價格能降至3000元/噸以下,將為我國生物柴油煉化廠的發(fā)展創(chuàng)造有利條件.

石油化工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展開發(fā)了大量的石油化工產(chǎn)品,而以可再生農(nóng)林生物質(zhì)資源為原料的生物煉油化工才起步不久,其生產(chǎn)的基本有機原料已轉(zhuǎn)移到含氧有機化合物,包括有機酸、醇、酮、醚等,把這些原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品,需要開發(fā)新的加工技術(shù),需要大量的科研、開發(fā)投入.以生物柴油為原料生產(chǎn)的大量的可生物降解的高附加值精細化工產(chǎn)品,如潤滑劑、洗滌劑、溶劑等,我國國內(nèi)尚未使用,因此有大量的新產(chǎn)品市場開拓任務(wù).

生物柴油煉油化工廠的工廠布局要從降低物流成本來加以研究,特別是采用野生木本植物油的生物煉油廠的地點要綜合考慮原料產(chǎn)地、集散運輸、煉廠附近油品銷售市場范圍等因素來選擇最經(jīng)濟合理的方案.建原料基地發(fā)展生物燃油——生物質(zhì)工程前沿與關(guān)鍵技術(shù)(四)

以植物或動物及其產(chǎn)物為原料生產(chǎn)可再生能源———生物質(zhì)燃料油產(chǎn)業(yè)近十幾年來已成為一個全球性的新興產(chǎn)業(yè).目前多數(shù)國家是以油料作物或食用油所產(chǎn)生的廢油為原料,而我國人均耕地不到0．1公頃,要完全以農(nóng)產(chǎn)品為原料生產(chǎn)生物質(zhì)燃料油并不現(xiàn)實.但我國有廣大的山區(qū)、沙區(qū)可供栽種作為生物質(zhì)燃料油原料的喬灌木油料植物,此舉不僅可以為我國的生物質(zhì)燃料油工業(yè)提供豐富的可再生原料,還可改善生態(tài)環(huán)境,增加農(nóng)民收入.

我國含油植物種類豐富,但是可用作建立規(guī)?；镔|(zhì)燃料油原料基地的喬灌木種不足30種,而分布集中的可建作原料基地,并能利用荒山、沙地等宜林地進行造林,建立規(guī)?；挤N供應(yīng)基地的生物質(zhì)燃料油植物僅10種左右.因此,對可作為生物質(zhì)燃料油的主要能源植物進行調(diào)查和品種選育,建立生物質(zhì)燃料油原料基地與良種繁育基地,在此基礎(chǔ)上,對其油料性能、生產(chǎn)工藝、技術(shù)、設(shè)備進行系統(tǒng)配套,對發(fā)展我國生物質(zhì)燃料油產(chǎn)業(yè),推動生物質(zhì)能源的開發(fā)利用有著重要意義.

在我國適合于作燃料油原料的10多種木本能源植物中,最具發(fā)展?jié)摿Φ臑辄S連木等油料木本植物.黃連木不僅是優(yōu)良的荒山荒灘造林樹種,亦是優(yōu)良的觀賞樹種,其木材、葉與樹皮有多種用途,種子含油量在42．5%,種仁含油量為56．7%,可作食用油,也是優(yōu)良的生物質(zhì)燃料油原料.目前我國正在三個省集中分布區(qū)建立采種基地,部分種子已用作生物質(zhì)燃料油生產(chǎn)的原料.

在生物質(zhì)燃料油的工業(yè)化生產(chǎn)方面,我國也有初步嘗試.正和生物能源有限公司目前已建成一套以黃連木種子為原料年產(chǎn)1萬噸生物質(zhì)燃料油裝置,經(jīng)檢驗證明,其油品主要物理化學(xué)指標達到美國生物質(zhì)燃料油以及中國輕質(zhì)燃料油標準.北京理工大學(xué)汽車排