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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：1147 發(fā)布時間：2010-3-29加強對生物質(zhì)能的利用已經(jīng)成為各國解決目前所面臨的能源危機和環(huán)境污染問題的一項重要的解決辦法,。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)的研究進展和利用現(xiàn)狀,，并進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和環(huán)境污染問題的一項重要的解決辦法,。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)的研究進展和利用現(xiàn)狀，并進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)濟突飛猛進，工業(yè)化進程不斷深入,，能源危機已經(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)進入人們視線的新能源有太陽能,、風能、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,，保護國家能源資源,，減輕能源消費給環(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)有機廢棄物；動物糞便等[1],。
從能源的消費變化來看,，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)展的熱點和焦點,。
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,，達到能源總消費量的25%，2050年達到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,；巴西實施了“乙醇能源計劃”,，主要是促進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（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)）占到能源總消費比例由 2006年的8%提高到15%,，要實現(xiàn)這一目標,，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早獲得應用的方式,。生物質(zhì)的熱解氣化是熱化學轉(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,，得到的乙醇體積分數(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數(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)化較為復雜，其預處理費用昂貴,，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。這種化學水解轉(zhuǎn)化技術(shù)能耗高,，生產(chǎn)過程污染嚴重,、成本高，缺乏經(jīng)濟競爭力,。目前正開發(fā)用催化酶法水解,，但是因為酶的成本高，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,，通過細菌作用進行生物質(zhì)的分解。將有機廢水（如制藥廠廢水,、人畜糞便等）置于厭氧發(fā)酵罐（反應器,、沼氣池）內(nèi),，先由厭氧發(fā)酵細菌將復雜的有機物水解并發(fā)酵為有機酸、醇,、H2和CO2等產(chǎn)物,，然后由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機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 （體積分數(shù)為55 %～65 %）和CO2 （體積分數(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,，要實現(xiàn)底物的*分解并制取大量的氫氣，應考慮不同菌種的共同培養(yǎng),。厭氧發(fā)酵細菌生物制氫的產(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)先進的培養(yǎng)技術(shù)才能夠使厭氧發(fā)酵有機物制氫實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),。