上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程号：B913班级号： 397833 姓名： 刘震度 学号：517021910449 专业：测控技术与仪器 课程小论文 题目 生物技术与能源 得分 生物技术与能源 刘震寰 (上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海，200240) 摘要：能源问题是21世纪人类面临的一个重大问题。在化石能源不可再生的条 件下，利用生物技术发展新型能源是解决人类能源危机的一个良策。本文从生物 技术发电、生物技术制取燃料2方面阐述了生物技术在解决人类能源问题上的应 用现状、缺点与发展方向。 关键词：生物技术；能源： Biotechnology and Energy LIU Zhenhuan (School of Electronic Information and Electric Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:The energy issue is a major problem in the 21st century.Under the c ondition that fossil energy is not renewable,the use of biotechnology to develop new energy is a good solution to the energy crisis.This paper expounds the ap plication status,shortcomings and development direction of biotechnology in solvi ng human energy problems from biotechnology power generation and biotechnolo
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI913 班级号： 397833 姓名： 刘震寰 学号： 517021910449 专业：测控技术与仪器 课程小论文 题目 生物技术与能源 得分 生物技术与能源 刘震寰 （上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海，200240） 摘 要：能源问题是 21 世纪人类面临的一个重大问题。在化石能源不可再生的条 件下，利用生物技术发展新型能源是解决人类能源危机的一个良策。本文从生物 技术发电、生物技术制取燃料 2 方面阐述了生物技术在解决人类能源问题上的应 用现状、缺点与发展方向。 关键词：生物技术；能源； Biotechnology and Energy LIU Zhenhuan (School of Electronic Information and Electric Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: The energy issue is a major problem in the 21st century. Under the c ondition that fossil energy is not renewable, the use of biotechnology to develop new energy is a good solution to the energy crisis. This paper expounds the ap plication status, shortcomings and development direction of biotechnology in solvi ng human energy problems from biotechnology power generation and biotechnolo
gy fuel production. Keywords:Biotechnology;Energy 2014年底，国务院颁布的《能源发展战略行动计划2014-2020》指出，我国优 化能源结构的路径是：降低煤炭消费比重，提高天然气消费比重，大力发展风电、 太阳能、地热能等可再生能源，安全发展核电山。 化石能源至今仍在我国的能源结构中占据重要的一环。可以说，我国乃至世界 目前正十分依赖，也必将长期依赖化石能源。然而，出于战略能源安全的考虑， 我国需要降低对化石能源的依赖。由此，发展生物技术，利用生物质能的路线受 到重视。另外，利用生物技术，制取新兴能源（例如氢气等等），也是一个思路。 所谓生物质能是指动植物、微生物自身代谢产生的有机物以及在其死亡后留下 的含有能量的残骸。活体代谢物和残骸中所蕴含的能量从本质上讲来自于固化的 太阳能②。 基于生物质能的生物燃料挖掘了生物的潜在价值，一定程度上可以缓解石油能 源危机，更令人欣喜的是，生物质能的可再生性符合我国的战略目的。生物质能 可以直接用来发电，也可以用来生产燃料，帮助降低我国对国外原油的依赖)。例 如，利用转酯化等化学反应产生生物柴油；以玉米、甘蔗、糖用甜菜、小麦、谷 类等粮食作物和木薯、甘薯、甜高梁、植物秸秆等非粮生物质为原料制取生物乙 醇从而获得乙醇汽油以减少传统石油的消耗：采用有机废弃物厌氧发酵得到沼气 等等。 生物技术与生物质能在替代化石能源或者减轻对化石能源的依赖上己经取得 初步进展，然而其自身也存在着一些问题亟待解决。 1生物技术直接用来发电 )生物质能直接燃烧。即不经过任何化学变化，直接在特定的设备中令生物 质能释放其含有的能量，能量再经过传递转化为电能☑。 b)生物质气化。这是一种化学变化过程，目前主流技术为高温热解气化和经 微生物的厌氧发酵。其中生物质热解气化主要采用高温气化等装置，将生 物质经过高温的热化学反应转换成含有能效极高的可燃性气体。生物质能 源在极高的温度作用下，化学键被破坏，大分子有机物转变成以甲烷和一
gy fuel production. Keywords: Biotechnology; Energy 2014 年底，国务院颁布的《能源发展战略行动计划 2014-2020》指出，我国优 化能源结构的路径是：降低煤炭消费比重，提高天然气消费比重，大力发展风电、 太阳能、地热能等可再生能源，安全发展核电[1]。 化石能源至今仍在我国的能源结构中占据重要的一环。可以说，我国乃至世界 目前正十分依赖，也必将长期依赖化石能源。然而，出于战略能源安全的考虑， 我国需要降低对化石能源的依赖。由此，发展生物技术，利用生物质能的路线受 到重视。另外，利用生物技术，制取新兴能源（例如氢气等等），也是一个思路。 所谓生物质能是指动植物、微生物自身代谢产生的有机物以及在其死亡后留下 的含有能量的残骸。活体代谢物和残骸中所蕴含的能量从本质上讲来自于固化的 太阳能[2]。 基于生物质能的生物燃料挖掘了生物的潜在价值，一定程度上可以缓解石油能 源危机，更令人欣喜的是，生物质能的可再生性符合我国的战略目的。生物质能 可以直接用来发电，也可以用来生产燃料，帮助降低我国对国外原油的依赖[3]。例 如，利用转酯化等化学反应产生生物柴油；以玉米、甘蔗、糖用甜菜、小麦、谷 类等粮食作物和木薯、甘薯、甜高粱、植物秸秆等非粮生物质为原料制取生物乙 醇从而获得乙醇汽油以减少传统石油的消耗；采用有机废弃物厌氧发酵得到沼气 等等。 生物技术与生物质能在替代化石能源或者减轻对化石能源的依赖上已经取得 初步进展，然而其自身也存在着一些问题亟待解决。 1 生物技术直接用来发电 a) 生物质能直接燃烧。即不经过任何化学变化，直接在特定的设备中令生物 质能释放其含有的能量，能量再经过传递转化为电能[2]。 b) 生物质气化。这是一种化学变化过程，目前主流技术为高温热解气化和经 微生物的厌氧发酵。其中生物质热解气化主要采用高温气化等装置，将生 物质经过高温的热化学反应转换成含有能效极高的可燃性气体。生物质能 源在极高的温度作用下，化学键被破坏，大分子有机物转变成以甲烷和一
氧化碳为主要成分的可燃气体，同时还包含有少量液态焦油和固体残渣， 这些焦油依然可以作为燃料进一步被利用]。 c) 生物质液化。指在高温缺氧的条件下，将大分子有机物变为低分子量有机 物，最终形成液态可燃物。可以归结为纤维素、半纤维素、木质素三种主 要组分的热解。 d)燃料电池：微生物燃料电池(MFC)作为一种新兴技术，在生产能源的同 时，可以帮助有机废水的回收处理。MFC以阳极溶液中的有机物作为燃料， 利用微生物，将有机物的电子夺去，电子再通过外电路传递到阴极，并供 给电子受体，同时阳极室产生的质子氢通过质子交换膜传递到阴极。不过 这项技术的成本依然很高，因而不适于推广4。 生物发电技术的出现与应用，不仅能够缓解现如今全球能源紧缺的这一问题， 还能够为我国经济较为落后的地区带来全新的发展机遇，同时为我国节能减排工 作做出十分巨大的贡献的。 2生产燃料 a)生物柴油 采用低碳数的醇（一般采用甲醇）与动植物油脂（主要成分为三脂肪酸甘油酯） 发生酯交换反应，生成的脂肪酸甲酯称为生物柴油。生物柴油环境友好、可再生、 储量丰富，对于推进能源替代，实现能源的可持续发展，解决城市空气污染问题， 减轻环境压力具有非常重要的战略意义。 制生物柴油的方法有多种，传统方法利用强酸或强碱作催化剂，对反应条件要 求较高，能量消耗大。如果采用生物酶作为酯交换的催化剂，可以降低能源消耗， 因而这种方法近年来受到了国内外广泛关注。 但是酶作为催化剂，容易中毒失活；反应效率比较低；而且酶的价格比较高。 这在应用上带来了一定阻力。近年来，国内外正在开发负载在载体上的固体化酶 催化剂阿。 b)燃料乙醇 生物燃料乙醇是以可再生的生物质为原料制成可作为燃料使用的乙醇。我国现 己成为世界上继美国、巴西之后第三大生物燃料乙醇生产和消费国☑。以前，囿于 技术、专利等原因，我国的燃料乙醇产量不足。在2014年左右，我国在技术方面
氧化碳为主要成分的可燃气体，同时还包含有少量液态焦油和固体残渣， 这些焦油依然可以作为燃料进一步被利用[2]。 c) 生物质液化。指在高温缺氧的条件下，将大分子有机物变为低分子量有机 物，最终形成液态可燃物。可以归结为纤维素、半纤维素、木质素三种主 要组分的热解。 d) 燃料电池：微生物燃料电池（MFC）作为一种新兴技术，在生产能源的同 时，可以帮助有机废水的回收处理。MFC 以阳极溶液中的有机物作为燃料， 利用微生物，将有机物的电子夺去，电子再通过外电路传递到阴极，并供 给电子受体，同时阳极室产生的质子氢通过质子交换膜传递到阴极。不过 这项技术的成本依然很高，因而不适于推广[4]。 生物发电技术的出现与应用，不仅能够缓解现如今全球能源紧缺的这一问题， 还能够为我国经济较为落后的地区带来全新的发展机遇，同时为我国节能减排工 作做出十分巨大的贡献[5]。 2 生产燃料 a) 生物柴油 采用低碳数的醇(一般采用甲醇)与动植物油脂(主要成分为三脂肪酸甘油酯) 发生酯交换反应，生成的脂肪酸甲酯称为生物柴油。生物柴油环境友好、可再生、 储量丰富，对于推进能源替代，实现能源的可持续发展， 解决城市空气污染问题， 减轻环境压力具有非常重要的战略意义。 制生物柴油的方法有多种，传统方法利用强酸或强碱作催化剂，对反应条件要 求较高，能量消耗大。如果采用生物酶作为酯交换的催化剂，可以降低能源消耗， 因而这种方法近年来受到了国内外广泛关注。 但是酶作为催化剂，容易中毒失活; 反应效率比较低;而且酶的价格比较高。 这在应用上带来了一定阻力。近年来，国内外正在开发负载在载体上的固体化酶 催化剂[6]。 b) 燃料乙醇 生物燃料乙醇是以可再生的生物质为原料制成可作为燃料使用的乙醇。我国现 已成为世界上继美国、巴西之后第三大生物燃料乙醇生产和消费国[7]。以前，囿于 技术、专利等原因，我国的燃料乙醇产量不足。在 2014 年左右，我国在技术方面
取得突破，能够利用纤维素生产燃料乙醇，这使得我国推广乙醇汽油的脚步大大 加快8例。然而，乙醇汽油的推广也存在一定的问题。 首先，作为燃料，乙醇汽油易吸水的特性决定其耐储存能力较差，储存15天 后，乙醇汽油水分的增加量可达14%-50%9。由此可见，乙醇汽油长时间存放后可 能导致汽车发动机受损，这对加油站的储存工作提出了更高的要求。 其次，司机对推广乙醇汽油普遍不理解。由于乙醇热值低，做功能力比汽油差。 改用乙醇汽油后，汽车容易油耗增加，加速无力，降低汽车的功能性。乙醇在 发动机汽缸中经过复杂的化学变化可能变为未完全燃烧的残留乙酸，对汽车零部 件乃至机油有一定的腐蚀作用。因此在一些省区封闭使用乙醇汽油的行为引起很 多车主的不满。 第三，目前我国采用纤维素制取生物燃料乙醇的技术尚不成熟[山，当前我国燃 料乙醇产量中，87%原料来源是玉米2)，11%是木薯、甘蔗，2%是纤维素；且由于 中国粮食自给率逐年下降，若强行推动生物燃料乙醇发展，可能导致“与人争粮” 和“与人争地”的问题。 c)沼气（以桑基鱼塘为例） 桑基鱼塘是高中生物课本里就有的生物质能制取沼气的典例。桑基鱼塘的利用 形式是深挖鱼塘、垫高塘基、塘基种桑、塘内养鱼、桑叶养蚕、蚕粪喂鱼、塘泥 栽桑的物质循环高效利用模式。 d)航空煤油3 与传统航油相比，生物航油可以减少60%~80%的二氧化碳排放量。目前制备 生物质燃料的路线主要分为两大类：第一种是热化学过程路线：第二种是生物化 学过程路线。不过，生物化学过程路线尚未成熟，当前生物航空煤油合成仍以热 化学过程为主。 e)氢气 利用蓝藻等微生物可以制取氢气。生物制氢的基本技术有直接生物光解技术、 间接生物光解技术、光发酵技术等。尽管这些技术过去几十年中已取得显著进展， 但距离其全面商业化仍有一定的距离。今后生物制氢技术大概会在降低原料成本、 使用混合菌群、改良生物反应器等方面进行突破4。 结论
取得突破，能够利用纤维素生产燃料乙醇，这使得我国推广乙醇汽油的脚步大大 加快[8]。然而，乙醇汽油的推广也存在一定的问题。 首先，作为燃料，乙醇汽油易吸水的特性决定其耐储存能力较差，储存 15 天 后，乙醇汽油水分的增加量可达 14%-50% [9]。由此可见，乙醇汽油长时间存放后可 能导致汽车发动机受损，这对加油站的储存工作提出了更高的要求。 其次，司机对推广乙醇汽油普遍不理解。由于乙醇热值低，做功能力比汽油差。 改用乙醇汽油后，汽车容易油耗增加，加速无力[10]，降低汽车的功能性。乙醇在 发动机汽缸中经过复杂的化学变化可能变为未完全燃烧的残留乙酸，对汽车零部 件乃至机油有一定的腐蚀作用。因此在一些省区封闭使用乙醇汽油的行为引起很 多车主的不满。 第三，目前我国采用纤维素制取生物燃料乙醇的技术尚不成熟[11]，当前我国燃 料乙醇产量中，87%原料来源是玉米[12]，11%是木薯、甘蔗，2%是纤维素；且由于 中国粮食自给率逐年下降，若强行推动生物燃料乙醇发展，可能导致“与人争粮” 和“与人争地”的问题。 c) 沼气（以桑基鱼塘为例） 桑基鱼塘是高中生物课本里就有的生物质能制取沼气的典例。桑基鱼塘的利用 形式是深挖鱼塘、垫高塘基、塘基种桑、塘内养鱼、桑叶养蚕、蚕粪喂鱼、塘泥 栽桑的物质循环高效利用模式 。 d) 航空煤油[13] 与传统航油相比，生物航油可以减少 60%～80%的二氧化碳排放量。目前制备 生物质燃料的路线主要分为两大类：第一种是热化学过程路线；第二种是生物化 学过程路线。不过，生物化学过程路线尚未成熟，当前生物航空煤油合成仍以热 化学过程为主。 e) 氢气 利用蓝藻等微生物可以制取氢气。生物制氢的基本技术有直接生物光解技术、 间接生物光解技术、光发酵技术等。尽管这些技术过去几十年中已取得显著进展， 但距离其全面商业化仍有一定的距离。今后生物制氢技术大概会在降低原料成本、 使用混合菌群、改良生物反应器等方面进行突破[14]。 结论
生物能源由于其可再生、范围广的特性获得了广泛的关注。然而在当前时代背 景下，生物能源的发展任重道远。新兴燃料（如乙醇汽油）或多或少会有一些问 题，必须与传统燃料混合使用，这也是上述新能源无法替代化石能源的一个因素。 并且现有的技术水平不足以利用人类生产生活活动（如餐饮、污水）中大部分的 生物质能，能源缺口依然很大。然而，在现有的技术条件下，如果揠苗助长，大 量种植燃料作物，可能会蚕食耕地空间，导致粮食短缺。因此，改良生物技术， 发现新的酶或改良酶的催化能力，提升现有生物质能的利用能力，是当务之急。 参考文献 [1]胡敏.《能源发展战略行动计划(2014一2020年)》正式发布.炼油技术与工程，2015,45(01)：42. [2]孙瑞娟，王孝国，赵晓艳.关于生物质能发电的研究U轻工科技，2016,32(06)：100-101， [3]张宗喜，张营华，周宇光，董仁杰车用生物燃料技术发展现状及建议).能源与环境，201903)85-87 [4]付保荣，张逸歆，任婧，沈超，张润洁，唐玉兰微生物燃料电池高效产电的研究进展.水处理技 术，2019,45(06)：1-9+27 [5]于溪.生物质能发电技术应用现状).现代农业研究，2018(05)：34-35 [6杨阳阳，陈树宾，徐东芳，张超.生物柴油的研究进展及发展方向[U.山东化工，2019,48(10)：85-86+88 [7刀俞建良，熊强，张永新，刘劲松，林海龙燃料乙醇生料发酵技术现状J/OL]酿酒科 技：1-8[2019-07-10]，htps:/doi.org10.13746j.njkj.2019120. [8]郭卫军.纤维素乙醇商业化现状及发展建议[U.当代石油石化，2015,2312)：25-30 [9]刘淑民，李思明，张雪丹，佟丽丽，汪敏不同储存温度对车用乙醇汽油(E10)中水分含量的影响)，清 洗世界，2019,35(04)：25-26 [10]丁小刚，丘源.乙醇汽油对车用汽油机的影响及对策U企业科技与发展，2018(10)：181-183. [11]田广武我国扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的问题与建议[.国际石油经 济，2018,26(09)：83-86. [12].乙醇汽油推广乏力难以实现全覆盖[).乙醛醋酸化工，2019(04)：40-41. [13]刘强，邱敬贤，彭芬，何曦.生物航空煤油的研究进展[).再生资源与循环经济，2018,11(05)：20-23. [14]伍赛特.生物制氢技术的未来前景展望[.能源与环境，2019(03)：83-84+87
生物能源由于其可再生、范围广的特性获得了广泛的关注。然而在当前时代背 景下，生物能源的发展任重道远。新兴燃料（如乙醇汽油）或多或少会有一些问 题，必须与传统燃料混合使用，这也是上述新能源无法替代化石能源的一个因素。 并且现有的技术水平不足以利用人类生产生活活动（如餐饮、污水）中大部分的 生物质能，能源缺口依然很大。然而，在现有的技术条件下，如果揠苗助长，大 量种植燃料作物，可能会蚕食耕地空间，导致粮食短缺。因此，改良生物技术， 发现新的酶或改良酶的催化能力，提升现有生物质能的利用能力，是当务之急。 参考文献 [1]胡敏.《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》正式发布[J].炼油技术与工程,2015,45(01):42. [2]孙瑞娟,王孝国,赵晓艳.关于生物质能发电的研究[J].轻工科技,2016,32(06):100-101. [3]张宗喜,张营华,周宇光,董仁杰.车用生物燃料技术发展现状及建议[J].能源与环境,2019(03):85-87. [4]付保荣,张逸歆,任婧,沈超,张润洁,唐玉兰.微生物燃料电池高效产电的研究进展[J].水处理技 术,2019,45(06):1-9+27. [5]于溪.生物质能发电技术应用现状[J].现代农业研究,2018(05):34-35. [6]杨阳阳,陈树宾,徐东芳,张超.生物柴油的研究进展及发展方向[J].山东化工,2019,48(10):85-86+88. [7]俞建良,熊强,张永新,刘劲松,林海龙.燃料乙醇生料发酵技术现状[J/OL].酿酒科 技:1-8[2019-07-10].https://doi.org/10.13746/j.njkj.2019120. [8]郭卫军.纤维素乙醇商业化现状及发展建议[J].当代石油石化,2015,23(12):25-30. [9]刘淑民,李思明,张雪丹,佟丽丽,汪敏.不同储存温度对车用乙醇汽油(E10)中水分含量的影响[J].清 洗世界,2019,35(04):25-26. [10]丁小刚,丘源.乙醇汽油对车用汽油机的影响及对策[J].企业科技与发展,2018(10):181-183. [11]田广武.我国扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的问题与建议[J].国际石油经 济,2018,26(09):83-86. [12].乙醇汽油推广乏力 难以实现全覆盖[J].乙醛醋酸化工,2019(04):40-41. [13]刘强,邱敬贤,彭芬,何曦.生物航空煤油的研究进展[J].再生资源与循环经济,2018,11(05):20-23. [14]伍赛特.生物制氢技术的未来前景展望[J].能源与环境,2019(03):83-84+87