譚玉龍

20世紀(jì)70年代后，兩次石油危機(jī)相繼出現(xiàn)，給全球的經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，能源問題成為全世界共同面臨的難題。對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣中的CO₂、硫化物和顆粒懸浮物約70％來(lái)自化工石油燃料燃燒的排放物。近年來(lái)，我國(guó)大量消耗化工石油燃料，使大氣中硫化物和顆粒懸浮物含量急劇增加，給我國(guó)造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)1000億元以上。

生物能源是指利用生物可再生原料及太陽(yáng)能生產(chǎn)的能源，生物能源主要包括生物電能和生物燃料兩大類。生物電能主要是利用各種植物秸桿進(jìn)行發(fā)電，而生物燃料則是通過發(fā)酵產(chǎn)生甲醇和乙醇燃料等。生物能源既是可再生能源，又是無(wú)污染或低污染的綠色能源。

生物能源不含硫，其碳循環(huán)是動(dòng)態(tài)的，能源植物通過光合作用固定二氧化碳和水，將太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)藏在植物中，是一種可再生的環(huán)保型新能源。因此，開發(fā)生物能源是解決能源危機(jī)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效途徑。

各國(guó)已廣泛開始關(guān)注用生物能源來(lái)代替化石燃料，并制定了相應(yīng)的計(jì)劃，如日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”、印度的“綠色能源工程”、美國(guó)的“能源農(nóng)場(chǎng)”和巴西的“酒精能源計(jì)劃”等。

生物燃料乙醇

生物燃料乙醇也稱燃料酒精、乙醇汽油和乙醇柴油。燃料乙醇可以單獨(dú)作為一種燃料或作為改進(jìn)型混合燃料。生物燃料乙醇是一種燃燒充分、可再生的燃料，近年來(lái)備受青睞。

在1979年，美國(guó)便開始制定酒精發(fā)展計(jì)劃，同年，日本工業(yè)技術(shù)研究院開始對(duì)稻草、廢木材等進(jìn)行能源化研究，時(shí)至今日酒精發(fā)酵技術(shù)已基本完善。1980年，美國(guó)和加拿大兩位華裔教授幾乎同時(shí)宣布已經(jīng)解決木糖酒精發(fā)酵的問題，這一研究成功使半纖維素利用進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。1998年9月由美國(guó)第一家商業(yè)化以纖維質(zhì)(蔗渣和稻草殼)為原料生產(chǎn)酒精的工廠破土動(dòng)工。

目前生物燃料乙醇的制備有2種，一種是直接由淀粉、蜜糖等物質(zhì)通過各種轉(zhuǎn)化，最后分離出乙醇：一般的方法是首先使用淀粉酶，經(jīng)水解成為醛，然后把剩余化學(xué)鍵折斷，經(jīng)葡萄糖酶催化，生成葡萄糖，最后用酵母發(fā)酵法，把葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇。另一種是由木質(zhì)纖維通過發(fā)酵作用生產(chǎn)乙醇：纖維素制備乙醇主要有酸水解和酶水解乙醇生產(chǎn)工藝兩大類。目前對(duì)酸水解研究較少，因其較酶水解工藝來(lái)說(shuō)，研究和發(fā)展?jié)摿^弱；纖維素酶水解乙醇生產(chǎn)工藝可以分為分步水解發(fā)酵工藝、同步糖化發(fā)酵工藝以及復(fù)合水解發(fā)酵工藝。

從原材料來(lái)看，各國(guó)的乙醇主要以玉米、小麥、薯干等糧食為原料經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)而成。美國(guó)是世界上最大的以谷物為原料生產(chǎn)生物燃料乙醇的國(guó)家。2004年，美國(guó)生產(chǎn)乙醇消耗的玉米約占其產(chǎn)量的11％。

面臨重重問題

目前，生物燃料乙醇主要存在如下問題：①使用糧食作為發(fā)酵原料生產(chǎn)乙醇；②從植物中提煉乙醇需要耗費(fèi)大量能源；③酒精廢液帶來(lái)環(huán)境污染；④燃料乙醇價(jià)格沒有優(yōu)勢(shì)。

而其中最嚴(yán)峻的問題是使用糧食作為發(fā)酵原料生產(chǎn)乙醇。這不僅大大提高了燃料乙醇的生產(chǎn)成本，還導(dǎo)致了能源與糧食的矛盾，必將引發(fā)糧食安全、爭(zhēng)用農(nóng)地等問題。越來(lái)越多地使用糧食生產(chǎn)生物燃料可能給世界范圍內(nèi)已經(jīng)高度開發(fā)的土地和水資源造成更大的壓力。如果在2015年前將生物燃料占全球燃料總需求的比例提高到5％，那么，世界耕地面積就必須比目前擴(kuò)大15％。

我國(guó)已經(jīng)于2007年5月份叫停了用玉米提煉生物乙醇的新項(xiàng)目，而改用甜高粱、紅薯和木薯?，F(xiàn)有的以玉米為原料的生物乙醇項(xiàng)目也計(jì)劃在未來(lái)五年內(nèi)全部轉(zhuǎn)化為甜高粱，紅薯和木薯。另外，在我國(guó)，來(lái)自農(nóng)田及森林、的廢棄物如玉米稈、稻麥稈等相當(dāng)多，若利用這些纖維原料替代淀粉類原料，則能夠有效地降低成本，解決能源與糧食的矛盾。目前由于缺乏有效的原料預(yù)處理和發(fā)酵方式，纖維類原料生產(chǎn)生物燃料乙醇未被廣泛推廣使用，因此對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究將成為今后的重點(diǎn)。而纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的實(shí)用性關(guān)鍵在于木糖發(fā)酵，因此找出發(fā)酵的優(yōu)良菌種成了必須首先解決的問題。日本生物能公司在日本神戶和京都等大學(xué)研究人員的幫助下，使用生物工程設(shè)計(jì)的酵母，可直接把淀粉發(fā)酵成乙醇。公司用此法獲得約92％的理論乙醇產(chǎn)率，由此大大降低了生產(chǎn)成本。中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室篩選出發(fā)酵乙醇的優(yōu)良菌種，并優(yōu)化了利用純木糖培養(yǎng)的條件。

同時(shí)，我們也需要進(jìn)一步進(jìn)行生物燃料乙醇生產(chǎn)過程的優(yōu)化研究。綜合利用生產(chǎn)原料，根據(jù)原料的不同特性，篩選經(jīng)濟(jì)可行的生物能源生產(chǎn)路線，加大副產(chǎn)品加工利用，從而降低生物能源生產(chǎn)成本。

發(fā)展生物能源和種植油料作物可綠化荒山、灘涂、鹽堿地。我國(guó)南方約有2千萬(wàn)平方米荒山荒坡，北方有1億平方米鹽堿地，利用荒山荒坡和鹽堿地、荒灘、沙地種植能源植物既不占寶貴的耕地資源，又可提供大量的生產(chǎn)原料。

在我國(guó)，生物能源的研究起步較晚，但經(jīng)過近年來(lái)的發(fā)展，生物能源已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展。隨著科研的深化，政府配套政策的不斷完善以及宣傳力度的不斷增加，相信未來(lái)生物能源產(chǎn)業(yè)在我國(guó)將得到蓬勃發(fā)展。

責(zé)任編輯趙檸