生物质能的研究进展

第01期生物质能的研究进展综述专论生物质能的研究进展陈正中(上海迪普材料工程有限公司,上海20035)摘要:介绍了生物质能研究现状包括生物柴油生物乙醇和生物制氢和沼气4个方面提出了目前研究中存在的问题展望了今后生物能源的发展方向关字:生物柴油;生物乙醉;生物制氢;沼气中圈分类号TQ文献标识码A文章编号:1672-8114200901-00010随着世界经济的快速发展和人口的迅速增生物柴油的主要制备方法有:直接混合法、微加,大量开采和使用矿物能源带来的能源短缺和乳液法、高温裂解法和酯交换法环境污染问题,已促使人类更多地关注对可再生直接混合法就是将天然油脂与柴油或醇类混能源和清洁能源的开发和利用。寻找新的可替代合直接使用,但产品粘度较高。Anon在柴油中掺能源和开发可再生能源体系是实现社会可持续发了95%的回收煎炸油,发现每运行4-415km展的必然选择就必须更换润滑油,这是因为植物油的高粘度引生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能起了不饱和成分的聚合,使润滑油受到污染而变生产的能源,包括生物质能、生物液体燃料及利用质。微乳液法是指用植物油、水、乳化剂等配制出生物质生产的能源,如燃料酒精、生物柴油、生物乳液,可降低产品粘度。 Goering{2用50%的0#柴质气化及液化燃料、生物制氢、沼气等。生物能源油,25%的大豆油,20%的正丁醇和5%的乙醇制所需的原料是由能源植物通过光合作用固定二氧成的微乳状液体系通过了EMA( Engine Manufac化碳和水,将太阳能以化学能形式储藏在植物中, turers' Association)200小时的测试,可以用在柴油是一种可再生的环保型新能源。因此,开发生物能机上代替柴油使用。乳液中正丁醇含量愈高,其粘源是解决能源危机和保护生态环境的有效途径。度愈低,分散性愈好。高温裂解法是指在常压、快本文主要介绍生物质能中具有代表性的生物柴速加热、超短反应时间的条件下,使生物质中的有油、生物乙醇、生物制氢和沼气的研究进展。机高聚物迅速断裂为短链分子,从而最大限度地获得燃料油。 Pioch采用热解的方法以椰子油和1生物柴油棕榈油为原料,以SiO2/AlAO3为催化剂,在450℃生物柴油是以动植物油原料,通过与甲醇进裂解。裂解得到的产物分为气液固三相,其中液相行酯交换生成脂肪酸甲酯而制成的液体燃料。最的成分为生物汽油和生物柴油。分析表明,该生物早的生物柴油由德国聂尔公司发明,它是以菜籽柴油与普通柴油的性质非常相近。高温热裂解法油为原料,经提炼而成的洁净燃油。突出的环保性所得的主要产品是生物汽油,而生物柴油只是其和可再生性,引起了世界发达国家尤其是资源贫副产品。酯交换法是当前制备生物柴油的常用方乏国家的高度重视。法,通常使用甲醇和动植物油进行反应而得。根据反应所需的不同催化剂,可将反应分为酸催化、碱催中国煤化工 Edward Crabbe以作者简介陈正中,男,工程师,从事能源方面研究。HSOCNMHG料生产生物柴油通讯联系人得到的最优永仵是:汉厘温度为95℃、反应时间9小时、甲醇与油的摩尔比为40:1、HSO4为5%(质化工中间体2Chemical intermediate200年第01期量比),在此条件下的转化率为卯7%。 Stavarache可直接把淀粉发酵成乙醇。公司用此法获得约等人用超声波法,油醇比6:1,碱作催化剂,用92%的理论乙醇产率,由此大大降低了生产成本40kHz的超声波反应10-20分钟,不需搅拌,所得,而纤维素原料生产燃料乙醇的实用性关键在产率可达99%。 Abreu等以Sn(3-羟基-2-甲基-于木糖发酵,因此找出发酵的优良菌种成了必须4-吡喃酮)2(HO2)2为催化剂,植物油为原料,在首先解决的问题。中国科学院化工冶金研究所生60℃下反应3小时,产率可达93%,且催化剂经回化工程国家重点实验室的刘健、陈洪章、李佐虎等收后性能没有减弱。 Shieh以固定化脂肪酶为催筛选出树干毕赤酵母菌7124木糖发酵乙醇的优化剂,用大豆油进行生物柴油的研制,通过五因素良菌种,并优化了利用纯木糖培养条件。崔凌飞(反应温度、反应时间酶用量、甲醇和大豆油的摩等选用青霉菌研究纤维素酶二级和三级液体深层尔比、水用量)的正交试验确定了最佳反应条件。发酵条件,确定了种子液和发酵液的配方。通过海saka发现用超临界甲醇的方法可以使菜籽油在藻酸钠固定化树干毕赤酵母菌增殖细胞,使乙醇4min内转化成生物柴油,转化率大于95%。其反发酵浓度提高到20%,但该技术尚未进人生产阶应的最佳条件为:反应温度350℃、压力30MPa、醇段叫。 DuPont公司一直在研究开发一种由谷物秸油比为421、反应时间为4min。秆与叶制成的复合糖基质进行分解的新技术,有以上各种制备方法都有优缺点。直接混合法较高的生产率,该公司准备采取行动将纤维素乙设备简单,但植物油黏度高;微乳法虽然解决上述醇推向市场。缺点,但在耐久性试验中,注射器积炭严重,燃烧不完全;高温热裂解法虽然工艺简单,但裂解设备3生物制氢昂贵,且程度难控制;酯交换法催化剂种类多,酸氢气是一种清洁、高效的能源,有着广泛的工碱催化剂使用过程中催化剂难处理,分离复杂,脂业用途,潜力巨大,制氢的研究逐渐成为人们关注肪酶可解决这些问题,但酶本身价格昂贵,且对短的热点,但将其他物质转化为氢并不容易。新兴的链醇转化率低;超临界虽然可以解决由于催化剂生物制氢法是利用某些微生物以有机物为基质产给反应带来的麻烦,但其反应设备条件要求高,醇生氢气的一种制氢方法,由于该方法可以在降解耗量大,增加了生产成本。有机物的同时产生氢气,来源丰富,价格低廉,将可再生资源利用、污染治理和制氢联合进行,被认2生物乙醇为是最具潜力的氢能生产技术之一,因此,已成为1979年,美国开始制定酒精发展计划,同年,目前的研究热点。生物制氢过程可分为厌氧光合日本工业技术研究院开始对稻草、废木材等进行制氢和厌氧发酵制氢两大类。其中,前者所利用的能源化研究,至今酒精发酵技术已基本完善。目前微生物为厌氧光合细菌(及某些藻类),后者利用的各国的乙醇主要以玉米、小麦、薯干等粮食为原料则为厌氧化能异养菌。与光合制氢相比,发酵制氢经过发酵生产而成,但粮食作为原料生产乙醇决过程具有微生物比产氢速率高、不受光照时间限非长远之计,必将引发粮食安全、争用农地等问制、可利用的有机物范围广、工艺简单等优点。因题。因此,各国开始研究利用纤维质原料(如玉米此,在生物制氢方法中,厌氧发酵制氢法更具有发秆、稻草、麦秸等)生产乙醇叫展潜力。目前生物乙醇的制备有2种,一种是直接由通常采用电解水法制氢,但是成本很高,不能淀粉、蜜糖等物质通过各种转化,最后分离出乙进行广泛应用。任南琪叫等提出以采用厌氧活性醇;另一种是由木质纤维通过发酵作用生产乙醇污泥对糖蜜、淀粉和白脱糖发酵制取氢气,该技术突破了生物制氢技术必须采用纯菌种和固定技术通常,由淀粉制备生物乙醇需把液态淀粉先的局转化成葡萄糖,再采用酵母发酵法,把葡萄糖转化途径中国煤化工菌种生产氢气的新续流长期生产持成乙醇。日本生物能公司在日本神户和京都等大续产CNMH处理后的厌氧消化学研究人员的帮助下,使用生物工程设计的酵母,污泥,进行淀粉连续发酵产氢的最佳条件实验,在第01期生物质能的研究进展温度37℃、pH为52、有机负荷6kg淀粉/m3·d为了实施可持续发展战略,开发可再生的清HRT=l7h、磁力搅拌转速70r/min下,获得最大产洁能源已成为人类迫切需要解决的难题。在我国,氢速率1600L/m3·d、淀粉COD转化率129LH2/g生物能源的研究起步较晚,但经过近年来的发展,(COD)。樊耀亭等以牛粪堆肥作为天然混合产氢生物能源如生物乙醇、生物柴油和生物质颗粒燃菌来源,以蔗糖和淀粉为底物,通过厌氧发酵制备料等已经得到长足发展。随着科研的深化,政府配了生物氢气。日本东京理工大学的研究人员发明套政策的不断完善以及宣传力度的不断增加,相了一种由纤维素生产纯净氢气的新工艺,该新工信未来生物质能源产业在我国将得到蓬勃发展。艺不仅收率接近100%,且不产生CO或CO2,除纤维素外,该工艺可应用于其他类型的生物质包括参考文献:淀粉、葡萄糖及木屑)ym。[1] Anon. Filtered usedAmerican Oil Chemistry Society, 1982, 59: 780-781沼气[2] Goering. A. Engine durability screening test of a diesel oil/沼气是一种可再生能源,它可以作为农村炊soy oil/alcohol microemulsion fuel. Journal of American Oi事、照明等生活用能,是农村实现燃气化的一条有Society,1984,61:1627-1632效途径。沼气与养殖、种植相结合进行综合利用,(3om catalytic cracking of tropical vegetabl具有明显的经济效益。沼气发酵是由多种产甲烷oils[J]Biochemistry, 1993, 48: 289-291细菌和非产甲烷细菌混合共同发酵完成的。沼气【4] Award Caribe. Biodiesel production from crude palm oil发酵的第一阶段由厌氧和兼性厌氧的水解性细菌d evalution of butanol extraction and fuel properties. Pro-或发酵性细菌将纤维素、淀粉等水解成单糖,并进cess Biochemistry, 2001, 37(1): 65-7步形成丙酮:将蛋白质水解成氨基酸,并进一步5] Carmen. Fatty acids methyl esters from vegetable oil by形成有机酸的氨;将脂类水解为甘油和脂肪酸,进means of ultrasonic energy. Ultrasonics Sonochemistry, 2005步形成丙酸、乙酸、丁酸、乙醇等。第二阶段由产12:367-372.氢产乙酸细菌群利用第一阶段产生的有机酸,氧6]Abru. New multi- -phase catalytic systems based on tin com化分解成乙酸和分子氢;第三阶段由严格厌氧的pounds active for vegetable oil transesterification reation. Jour-产甲烷细菌群完成。nal of Molecular CatalA: Chemical,2005,227:263沼气是伴随着有机物在厌氧的条件下通过微267生物的代谢活动被稳定化而产生的,有机物厌氧7] Shieh.Optof lipase-catalyzed biodiesel by respo发醉的每一个阶段均有独特的微生物类群在起作methodology. Bioresource technology, 2003, 88: 103用。可以通过添加某种菌群或混合菌,不断的对发酵过程中的大量细菌、原生动物及真菌进行调控,(8]s.saka,D. Kuediana, Biodiesel fuel from rapeseed oil as改善和促进各个阶段的独特微生物类群的活性repared in supercritical methanol. Fuel, 2001, 80: 225-231使其在较短时间内大量繁殖,加快有机物稳定化(9]林向阳阮格生李资玲等。利用纤维素制备燃料沿精的研的进度,最终以达到缩短发酵时间,增加厌氧发酵究[刀]可再生能源,2005(6:51-53产气率的目的。收稿日期200810155生物质能源的发展展望Research the progress c中国煤化工CNMHGhanghai Develop Materials Engineering Co, Ltd. Shanghai, 200335, China)化工中间体Chemical Intermediate2009年第01期hydrogen and bio-gas, are discussed. The problems in the current study are proposed and the trendof bio-energy development is prospectedKeywords: bio-diesel; bio-ethanol; bio-hydrogen; bio-gas金融危机难阻欧生物塑料科技和市场发展中国石油天然气股份有限公司的母公司中国石油天然气集团公司(CNPC)在一份刊登在该公美国咨询公司弗若斯特沙利文( Frost& Sullivan)司官方网站上的声明中说,总部设在北京的中国日前发布了《欧洲生物塑料市场》研究报告,报告石油天然气股份有限公司计划在2015年前建造认为欧洲的生物塑料市场正处于新兴发展期。虽横贯全国的总长度达到2.1万公里的天然气管然在全球金融危机暴发之际油价大跌,但利用可道,该公司迄今已建成22万公里的天然气管道。再生的生物塑料代替石油生产塑料仍是政府和企中国石油天然气股份有限公司自2000年以来已业关注的焦点。终端滲透力度正在增强,按照产品把其拥有的天然气管道的长度增加了一倍。据声生命周期来分析,生物塑料产品尚处于萌芽期和明所说,中国石油天然气股份有限公司目前拥有发展期,市场存在巨大增长潜力,目前正在向一些的天然气管道长度已占到全国天然气管道总长度终端应用领域增强渗透力度。聚乳酸(PLA)、淀粉的大约80%。中国石油天然气股份公司在2008年基聚合物和聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是三类主要生产了617亿立方米的天然气,比2003年时的的生物塑料产品,2006年欧洲市场的PLA、淀粉基248亿立方米天然气产量增加了一倍多。聚合物和PHAs的总产量为6.5万吨,总销售额约134亿欧元。自2003年以后,生物塑料的产量有农药国家工程中心(沈阳)创新项目获批所增加,但PLA和淀粉基聚合物的价格下降导致市场销售额并没有很大的变化。弗若斯特沙利文1月4日从沈阳化工研究院获悉,国家发改预计欧洲生物塑料市场2013年的产量为301万委已正式下发文件通知,批准新建农药国家工程吨,销售额为7.03亿欧元。在2006年到2013年之中心(沈阳)创新能力建设项目。该项目的建设将间销售额的复合增长率为267%,产量的增长率对提高我国农药成果转化能力和农药行业的工约为246%。欧洲生物塑料在终端的应用将越来化研究水平具有重要意义。据了解,该项目将建成越广泛。目前,生物塑料主要应用在塑料袋、新鲜三个平台,即新农药创制及工艺研发与检测平台、产品包装和农膜。生物塑料正在逐步替代低密度农药合成模拟工程化验证平台和甲氧基丙烯酸酯聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE),应用在杀菌剂中间体转化平台。建设开展新化合物合成塑料袋中。相比其他传统的塑料如聚乙烯(PE)、研究的新药研究室、组合化学室、工艺研究室,并聚苯乙烯(PS)的终端市场渗透度,随着环保意识将现有设备按照甲氧丙烯酸酯杀菌剂工艺流程要的提高,生物塑料的需求正在增加,潜在市场巨求进行改造,开发共性中间体的关键技术,形成大10吨/年烯肟菌脂和10吨/年烯肟菌胺生产能力的甲氧丙烯酸酯农药多功能生产线。此外,现设置中石油计划把天然气管道长度延长一倍在沈阳化工研究院的新农药创制与开发国家重点实验室、GIP体系建设部分项目和沈阳化工研究为了满足国内对这种燃烧更清洁燃料的不断院试验厂二分厂北厂区的建设工程部分项目还将增加的需求,中国最大的石油公司中国石油天然与该中国煤化工亥项目由沈阳化工气股份有限公司(中国石油 PetroChina)计划在研究NMHG元,2010年全部建2015年前把该公司拥有的天然气管道的长度延长成,连成国y里安的农药工程化生产基倍地