上海交通大学通识教育立项核心课程 AO TONG UN 课程名称：生物技术与人类课程号：B913班级号： F1515005 姓名： 黄犇 学号：515111910053专业：食品科学与工程 课程小论文 题目编号 生物技术与生物质能源 得分 生物技术与生物质能源 黄彝 (上海交通大学农业与生物学院，东川路800号) 摘要：生物质能源己成为当前化石燃料的重要替代品之一。本文主要阐述了生物 质转化为能源的几种关键技术，包括生物乙醇、生物柴油、生物气以及生物质热 解，并对未来生物质能源的应用提出了前景展望。 关键词：生物质，能源，转化技术 Biotechnology and Biomass Energy Ben Huang (School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiao Tong University,800 Dongchuan Road,P.R.China) Abstract:Biomass energy has become one of the most important alternatives to fossil fuels.This article mainly discusses several key technologies for converting biomass into energy,including bioethanol,biodiesel,biogas,and biomass pyrolysis,and presents prospects for the future application of biomass energy. Key Words:Biomass;Energy sources;Transformation technology
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： F1515005 姓名： 黄犇 学号： 515111910053 专业： 食品科学与工程 课程小论文 题目编号 生物技术与生物质能源 得分 生物技术与生物质能源 黄犇 （上海交通大学农业与生物学院，东川路 800 号） 摘要：生物质能源已成为当前化石燃料的重要替代品之一。本文主要阐述了生物 质转化为能源的几种关键技术，包括生物乙醇、生物柴油、生物气以及生物质热 解，并对未来生物质能源的应用提出了前景展望。 关键词：生物质，能源，转化技术 Biotechnology and Biomass Energy Ben Huang (School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, 800 Dongchuan Road, P. R. China) Abstract: Biomass energy has become one of the most important alternatives to fossil fuels. This article mainly discusses several key technologies for converting biomass into energy, including bioethanol, biodiesel, biogas, and biomass pyrolysis, and presents prospects for the future application of biomass energy. Key Words: Biomass; Energy sources; Transformation technology
1.引言 随着世界社会和经济的显著发展，工厂生产的工业化以及机动车辆的快速增 长，能源消耗大幅增加[1]。其中大部分能源消耗（约80%）来自石油燃料2]。使 用化石燃料的问题是它们的不可再生性并未来终将被耗尽。根据英国“世界能源 统计年鉴”的最新统计，全球化石燃料在当前生产力水平下的全部储量用尽期限 如下：煤-2169年，石油-2066年，天然气-2068年[3]。化石燃料的使用还会导致 环境问题，例如由于释放有害气体（如NOx和SO2)导致的酸雨和排放温室气体 导致的全球变暖[4]。 因此，包括中国在内的许多国家正在采取行动，推动更多地使用可再生能源 作为化石燃料的替代品。在众多可再生能源中，清洁与可再生的生物质具有广泛 前景和成本效益，己受到广泛的关注5]。与传统矿物燃料相比，可再生能源是碳 中和能源，更便宜，最大限度地减少对传统电力的过度依赖，减少垃圾填埋场中 的废物量并创造不同的产品[6]，因此，生物质能源必将成为化石燃料的完美替代 品。 生物质可通过包括物理，化学和生物转化在内的不同转化技术转化为生物燃 料，热能或化学品（如图1所示）。 物理转换 ·固体成型燃料 酯交换 一生物柴油 一热气流 直接燃烧 ·高压蒸汽 。木煤气 化学转换 气化 。甲醇 合成 一氢气 一燃料油 直接液化 生物质 热化学转换 一化工产品 液化 一氢气 甲醇 间接液化 一二甲醚 乙醇 一木炭 木焦油、木醋液 热解 一燃料油 一木煤气 水解 一乙醇 发酵 一甲烷气 生物转换 酶法合成 一生物柴油 光合 一氢气 图1各种生物质转化技术
1.引言 随着世界社会和经济的显著发展，工厂生产的工业化以及机动车辆的快速增 长，能源消耗大幅增加[1]。其中大部分能源消耗（约 80％）来自石油燃料[2]。使 用化石燃料的问题是它们的不可再生性并未来终将被耗尽。根据英国“世界能源 统计年鉴”的最新统计，全球化石燃料在当前生产力水平下的全部储量用尽期限 如下：煤- 2169 年，石油- 2066 年，天然气-2068 年[3]。化石燃料的使用还会导致 环境问题，例如由于释放有害气体（如 NOx和 SO2）导致的酸雨和排放温室气体 导致的全球变暖[4]。 因此，包括中国在内的许多国家正在采取行动，推动更多地使用可再生能源 作为化石燃料的替代品。在众多可再生能源中，清洁与可再生的生物质具有广泛 前景和成本效益，已受到广泛的关注[5]。与传统矿物燃料相比，可再生能源是碳 中和能源，更便宜，最大限度地减少对传统电力的过度依赖，减少垃圾填埋场中 的废物量并创造不同的产品[6]，因此，生物质能源必将成为化石燃料的完美替代 品。 生物质可通过包括物理，化学和生物转化在内的不同转化技术转化为生物燃 料，热能或化学品（如图 1 所示）。 图 1 各种生物质转化技术
本文将重点阐述生物乙醇、生物柴油、生物气的转化技术和生物质热解技术， 以及对生物质应用的展望。 2.生物质转化技术 2.1生物乙醇 乙醇可以使用农产品如淀粉和糖或木质纤维素生物质生产（图1(a)和(b))。 目前，全球每年从淀粉（玉米）和糖（甘蔗和甜菜）通过成熟的工业化程序（包 括淀粉水解和糖发酵)生产100亿加仑乙醇[7,8]。淀粉和糖基乙醇通常被称为第 一代生物燃料。 尽管从淀粉生产乙醇代表了美国最便捷和技术先进的生物能源选择，但它会 导致能源和粮食供应之间的严重竞争，从长远来看，这可能是不可持续的。因此， 在温带地区，如果能够缩小关键技术障碍，木质纤维素生物质生产生物燃料（尤 其是乙醇)是最好的选择。木质纤维素原料可以从专用生物质作物或林业和农业 残留物中获得。 从淀粉基转变为木质纤维素生物燃料的关键障碍是细胞壁的复杂结构，其本 质上是个分解问题。目前木质纤维素生物质的工艺包括预处理，糖化（水解）和 发酵（图1(b)[9]。改进或更换这些工艺对提高效率和降低生物燃料生产成本至 关重要。避免预处理以及同时糖化和发酵是降低木质纤维素乙醇生产成本的两个 重要因素，在技术层面上还有待完善。 Lfanocellulosic Starch biomass Methanol Plant lipid Hydrolysis Pretreatment Transesterification Glucose or fructose Disrupted biomass Biodiesel Sucrose Fermentation Hydrolysis Liquidification and pyrolysis Bioethanol Glucose,xylose and others Biomass (a) (c) Fermentation Biomass and other organic waste Bioethanol (b) Anaerobic gasification Biogases g TRENDS in Plant Science 图2用各种原料生产不同生物燃料的转化技术[10]
本文将重点阐述生物乙醇、生物柴油、生物气的转化技术和生物质热解技术， 以及对生物质应用的展望。 2. 生物质转化技术 2.1 生物乙醇 乙醇可以使用农产品如淀粉和糖或木质纤维素生物质生产（图 1（a）和（b））。 目前，全球每年从淀粉（玉米）和糖（甘蔗和甜菜）通过成熟的工业化程序（包 括淀粉水解和糖发酵）生产 100 亿加仑乙醇 [7,8]。淀粉和糖基乙醇通常被称为第 一代生物燃料。 尽管从淀粉生产乙醇代表了美国最便捷和技术先进的生物能源选择，但它会 导致能源和粮食供应之间的严重竞争，从长远来看，这可能是不可持续的。因此， 在温带地区，如果能够缩小关键技术障碍，木质纤维素生物质生产生物燃料（尤 其是乙醇）是最好的选择。木质纤维素原料可以从专用生物质作物或林业和农业 残留物中获得。 从淀粉基转变为木质纤维素生物燃料的关键障碍是细胞壁的复杂结构，其本 质上是个分解问题。目前木质纤维素生物质的工艺包括预处理，糖化（水解）和 发酵（图 1（b））[9]。改进或更换这些工艺对提高效率和降低生物燃料生产成本至 关重要。避免预处理以及同时糖化和发酵是降低木质纤维素乙醇生产成本的两个 重要因素，在技术层面上还有待完善。 图 2 用各种原料生产不同生物燃料的转化技术[10]
2.2生物柴油 生物柴油是一种生物燃料，与乙醇所需的相比，需要的加工技术更简单。生 物柴油是柴油燃料与来自植物种子，藻类或其他生物来源的油的混合物。各种植 物物种目前用于生物柴油生产，包括大豆，油菜籽和油菜籽，向日葵和棕榈。从 植物器官中提取油后，酯交换，生成生物柴油甲酯或乙酯作为产物（图1(c))。 生物柴油的其他潜在选择包括直接使用来自Copaifera物种('柴树')的萜类产物作 为生物柴油，或者设计植物萜类途径以产生大量的倍半萜烯和二萜。作为柴油的 替代品，生物柴油在当前的运输燃料系统中已经占据了一席之地，并被广泛使用， 但生产量相对较低。生物柴油的来源和形式是多种多样的，重要的是要考虑适用 于生产不同类型生物柴油的不同环境和经济因素。例如，原料与大豆和烹饪油脂 废物一样多样化。将原料加工成燃料相对简单，导致生产范围广泛但质量参差不 齐。 2.3生物气 生物能源的第三个现代选择是沼气，它是由各种有机废物（包括植物秸秆） 通过气化生产的（图1(d)。沼气包括甲烷，氢气和一氧化碳。使用现有技术的 气化具有较低的净能量平衡，因此其有用性可能有限。除了传统的生物沼气外， 绿藻和微生物的氢生产已被提出作为第三代生物燃料的潜在来源。与其他生物质 来源的氢气生产不同，基于藻类的氢气生产采用生物水分解反应，其中氢化酶使 用光合电子传递链来减少质子产氢。需要氢化酶工程来提高氧气耐受性和系统生 物学研究涉及氢气生产的基因和途径，以实现该平台的潜力[11]。 2.4生物质热解 在诸多转化技术中，生物质热解提供了一种生产液体燃料（热解油）的方法， 该方法在储存，运输和通用性方面具有优势。目前，热解仍处于发展的早期阶段， 需要克服一些技术问题。热解油含有许多不需要的成分，如挥发性酸，水和含氧 化合物含量高，这限制了生物油的应用。在储存期间，热解油由于老化而变得不 稳定。有两种方法可以改善热解油的不良特性，即热解油的催化升级和生物质的 直接催化热解。[12] 3.展望
2.2 生物柴油 生物柴油是一种生物燃料，与乙醇所需的相比，需要的加工技术更简单。生 物柴油是柴油燃料与来自植物种子，藻类或其他生物来源的油的混合物。各种植 物物种目前用于生物柴油生产，包括大豆，油菜籽和油菜籽，向日葵和棕榈。从 植物器官中提取油后，酯交换，生成生物柴油甲酯或乙酯作为产物（图 1（c））。 生物柴油的其他潜在选择包括直接使用来自 Copaifera 物种（'柴树'）的萜类产物作 为生物柴油，或者设计植物萜类途径以产生大量的倍半萜烯和二萜。作为柴油的 替代品，生物柴油在当前的运输燃料系统中已经占据了一席之地，并被广泛使用， 但生产量相对较低。生物柴油的来源和形式是多种多样的，重要的是要考虑适用 于生产不同类型生物柴油的不同环境和经济因素。例如，原料与大豆和烹饪油脂 废物一样多样化。将原料加工成燃料相对简单，导致生产范围广泛但质量参差不 齐。 2.3 生物气 生物能源的第三个现代选择是沼气，它是由各种有机废物（包括植物秸秆） 通过气化生产的（图 1（d））。沼气包括甲烷，氢气和一氧化碳。使用现有技术的 气化具有较低的净能量平衡，因此其有用性可能有限。除了传统的生物沼气外， 绿藻和微生物的氢生产已被提出作为第三代生物燃料的潜在来源。与其他生物质 来源的氢气生产不同，基于藻类的氢气生产采用生物水分解反应，其中氢化酶使 用光合电子传递链来减少质子产氢。需要氢化酶工程来提高氧气耐受性和系统生 物学研究涉及氢气生产的基因和途径，以实现该平台的潜力[11]。 2.4 生物质热解 在诸多转化技术中，生物质热解提供了一种生产液体燃料（热解油）的方法， 该方法在储存，运输和通用性方面具有优势。目前，热解仍处于发展的早期阶段， 需要克服一些技术问题。热解油含有许多不需要的成分，如挥发性酸，水和含氧 化合物含量高，这限制了生物油的应用。在储存期间，热解油由于老化而变得不 稳定。有两种方法可以改善热解油的不良特性，即热解油的催化升级和生物质的 直接催化热解。[12] 3. 展望
净能量平衡(NEB)是选择生物能源的一个重要概念，因为只有高的NEB才 能被认为是经济和环境可持续的。这在考虑哪些作物和转化过程值得投入大量生 物技术时尤为重要。尽管玉米淀粉乙醇和生物柴油生产的经济性目前可以与汽油 竞争，但它们的NEB相对较低甚至是负值，与木质纤维素的有利NEB相反。如 果木质纤维素生物质可以有效地转化为乙醇，NEB高达600吉焦/公顷/年是一个合 理的预期，这将提供所有第一代或第二代平台的最高NEB。最近为木质纤维素生 物质处理建设生物精炼厂的努力是实现这种潜力的第一步。然而，为了实现这种 潜力，需要低不顺应性原料和新的生物催化剂来提高处理效率。 生物能源的未来将取决于突破性技术。然而，关于细胞壁生物合成，植物发 育和代谢产物生成途径和基因的基础研究的重要性不容忽视。生物燃料应用需要 系统生物学。使用“组学”技术应该有助于研究来自不同组织和不同发育阶段的 基因，蛋白质和代谢物，以将细胞壁的特征和结构与感兴趣的基因相关联，以指 导进一步的基因发现和基于生物技术的原料改进。 此外，生物能源不是，也不应局限于高等植物，尽管高等植物可以为第一代 和第二代生物燃料提供最重要的原料。有能力消化植物细胞壁的微生物研究也将 是生物能源研究的重要组成部分。另外，绿藻由于其生长速度快，应被视为潜在 的原料选择。如果通过工程突破获得更成熟的技术，生物燃料电池也可能成为一 种选择。总的来说，生物能源研究正在成为一个充满重塑人类社会能源供应机会 的领域
净能量平衡（NEB）是选择生物能源的一个重要概念，因为只有高的 NEB 才 能被认为是经济和环境可持续的。这在考虑哪些作物和转化过程值得投入大量生 物技术时尤为重要。尽管玉米淀粉乙醇和生物柴油生产的经济性目前可以与汽油 竞争，但它们的 NEB 相对较低甚至是负值，与木质纤维素的有利 NEB 相反。如 果木质纤维素生物质可以有效地转化为乙醇，NEB 高达 600 吉焦/公顷/年是一个合 理的预期，这将提供所有第一代或第二代平台的最高 NEB。最近为木质纤维素生 物质处理建设生物精炼厂的努力是实现这种潜力的第一步。然而，为了实现这种 潜力，需要低不顺应性原料和新的生物催化剂来提高处理效率。 生物能源的未来将取决于突破性技术。然而，关于细胞壁生物合成，植物发 育和代谢产物生成途径和基因的基础研究的重要性不容忽视。生物燃料应用需要 系统生物学。 使用“组学”技术应该有助于研究来自不同组织和不同发育阶段的 基因，蛋白质和代谢物，以将细胞壁的特征和结构与感兴趣的基因相关联，以指 导进一步的基因发现和基于生物技术的原料改进。 此外，生物能源不是，也不应局限于高等植物，尽管高等植物可以为第一代 和第二代生物燃料提供最重要的原料。有能力消化植物细胞壁的微生物研究也将 是生物能源研究的重要组成部分。另外，绿藻由于其生长速度快，应被视为潜在 的原料选择。如果通过工程突破获得更成熟的技术，生物燃料电池也可能成为一 种选择。总的来说，生物能源研究正在成为一个充满重塑人类社会能源供应机会 的领域
参考文献 [1]Agarwal AK.Biofuels(alcohols and biodiesel)applications as fuels for internal combustion engines.Progress in Energy and Combustion Science 2007;33(3):233-71. [2]Escobar JC,Lora ES,Venturini OJ,Yanez EE,Castillo EF,Almazan O. Biofuels:Environment,technology and food security.Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009;13(6):1275-87. [3]https://www.bp.com,2017-11-10. [4]Zhou X,Feng C.The impact of environmental regulation on fossil energy consumption in China:Direct and indirect effects.Journal of Cleaner Production 2017:142:3174-83. [5]Bridgwater T.Biomass for energy.Journal of the Science of Food and Agriculture2006;86(12):1755-68. [6]Capareda S.Introduction to Biomass Energy Conversions.CRC Press,Taylor Francis Group;2013. [7]Rass-Hansen,J.et al.(2007)Bioethanol:fuel or feedstock?J.Chem.Tech. Biotechnol.82,329-333 [8]Goldemberg,J.(2007)Ethanol for a sustainable energy future.Science 315, 808-810 [9]Ragauskas,A.J.et al.(2006)The path forward for biofuels and biomaterials. Science311,484-489 [10]Joshua S.Yuan,Kelly H.Tiller,Hani Al-Ahmad,Nathan R.Stewart,C.Neal Stewart.Plants to power:bioenergy to fuel the future[J].Trends in Plant Science,.2008,13(8). [11]Ghirardi,M.L.et al.(2007)Hydrogenases and hydrogen photoproduction in oxygenic photosynthetic organisms.Annu.Rev.Plant Biol.58,71-91. [12]Hu C,Yang Y,Luo J,Pan P,Tong D,Li G.Recent advances in the catalytic pyrolysis of biomass.Frontiers of Chemical Science and Engineering 2011;5(2):188-93
参考文献 [1] Agarwal AK. Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science 2007;33(3):233-71. [2] Escobar JC, Lora ES, Venturini OJ, Yáñez EE, Castillo EF, Almazan O. Biofuels: Environment, technology and food security. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009;13(6):1275-87. [3] https://www.bp.com, 2017-11-10. [4] Zhou X, Feng C. The impact of environmental regulation on fossil energy consumption in China: Direct and indirect effects. Journal of Cleaner Production 2017;142:3174-83. [5] Bridgwater T. Biomass for energy. Journal of the Science of Food and Agriculture 2006;86(12):1755-68. [6] Capareda S. Introduction to Biomass Energy Conversions. CRC Press, Taylor & Francis Group; 2013. [7] Rass-Hansen, J. et al. (2007) Bioethanol: fuel or feedstock? J. Chem.Tech. Biotechnol. 82, 329–333. [8] Goldemberg, J. (2007) Ethanol for a sustainable energy future. Science 315, 808–810. [9] Ragauskas, A.J. et al. (2006) The path forward for biofuels and biomaterials. Science 311, 484–489. [10] Joshua S. Yuan,Kelly H. Tiller,Hani Al-Ahmad,Nathan R. Stewart,C. Neal Stewart. Plants to power: bioenergy to fuel the future[J]. Trends in Plant Science,2008,13(8). [11] Ghirardi, M.L. et al. (2007) Hydrogenases and hydrogen photoproduction in oxygenic photosynthetic organisms. Annu. Rev. Plant Biol. 58, 71–91. [12] Hu C, Yang Y, Luo J, Pan P, Tong D, Li G. Recent advances in the catalytic pyrolysis of biomass. Frontiers of Chemical Science and Engineering 2011;5(2):188-93