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：BI913班级号：F1703404 姓名：王川远 学号：517021910512专业：电子科学与技术 课程小论文 植物发电：为未来提供燃料的 题目 得分 生物能源 植物发电：为未来提供燃料的生物能源 王川远 (上海交通大学电子信息与电气学院，上海，200240) 摘要：本文通过对燃料乙醇、生物柴油和沼气三大生物燃料生产平台的比较， 得出用木制纤维素生物质生产乙醇能得到更高的净能量增益和更低的生产成本的 结论。接着从生物技术方面来说生物能源作物生产中的挑战，依此为：木质素改 性、非生物抗逆性、营养利用、细胞壁消化酶的植入表达、生物质生产、原料的 建立、转基因的生物抑制、代谢工程和基础研究。 关键词：生物能源：生物技术：燃料乙醇：代谢工程 Plants to power:bioenergy to fuel the future Chuanyuan Wang (School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:By comparing the three biofuel production platforms of fuel ethanol,b iodiesel and biogas,this paper draws the conclusion that higher net energy gain and lower production cost can be obtained by using lignocellulosic biomass to pr
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：F1703404 姓名： 王川远 学号： 517021910512 专业： 电子科学与技术 课程小论文 题目 植物发电：为未来提供燃料的 生物能源 得分 植物发电：为未来提供燃料的生物能源 王川远 （上海交通大学电子信息与电气学院，上海，200240） 摘 要：本文通过对燃料乙醇、生物柴油和沼气三大生物燃料生产平台的比较， 得出用木制纤维素生物质生产乙醇能得到更高的净能量增益和更低的生产成本的 结论。接着从生物技术方面来说生物能源作物生产中的挑战，依此为：木质素改 性、非生物抗逆性、营养利用、细胞壁消化酶的植入表达、生物质生产、原料的 建立、转基因的生物抑制、代谢工程和基础研究。 关键词：生物能源；生物技术；燃料乙醇；代谢工程 Plants to power: bioenergy to fuel the future Chuanyuan Wang (School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: By comparing the three biofuel production platforms of fuel ethanol, b iodiesel and biogas, this paper draws the conclusion that higher net energy gain and lower production cost can be obtained by using lignocellulosic biomass to pr
oduce ethanol.Then,from the perspective of biotechnology,the challenges in the production of bioenergy crops are as follows:lignin modification,non-biological stress resistance,nutrient utilization,cell wall digestive enzyme implantation exp ression,biomass production,raw material establishment,biological inhibition of g enetically modified,metabolic engineering and basic research. Keywords:Bioenergy;Biotechnology;Fuel ethanol;Metabolic engineering 在面对潜在的能源危机以及化石燃料的开采燃烧对环境造成了大量污染的事 实下，世界各国都在探索如何兼顾经济和环境的可持续性。此时，生物质能源作 为唯一能大规模替代石油燃料的能源产品出现在人们的视线中。 生物质能源作为可再生、污染极小的能源，有很多优势：燃烧过程对环境污 染小，大量使用生物质能源对环境可持续发展十分有利。生物质能源在湿润、半 湿润地区储量巨大，且属于可再生能源。生物质能源比起化石能源更容易获取和 储存、运输。生物质能源中挥发组分高，炭活性高，易燃。使用生物质能源来代 替化石能源将减少环境污染、减少碳排放，有利于经济、环境的可持续发展。现 在全球已有很多国家在使用生物质能源了，但是在成本阻碍了生物质能源的发展， 所以急需在原料作物的挑选和生物技术上的突破来降低成本以扩大生产。 1三大生物能源产品 1.1燃料乙醇 第一代燃料乙醇是由糖质和淀粉质作物为原料生产的。其工艺流程为：液化、 糖化、发酵、蒸馏、脱水。第二代燃料乙醇是以木质纤维素质为原料生产的。其 工艺流程为：预处理、水解、发酵、蒸馏、脱水。淀粉乙醇由于将导致能源和粮 食供应之间的竞争、净能量平衡低和二氧化碳平衡高不利于经济和环境可持续发 展，所以未来能源将由淀粉基生物燃料向木制纤维素燃料转变。木制纤维素原料 可以从专用生物质作物或者林业和农业残渣中获得。生产木制纤维素燃料的关键 障碍就是细胞壁抗破坏。 1.2生物柴油 生物柴油是一种混合柴油燃料，来自植物种子、藻类或者其他生物源的油脂 与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。相比燃料乙醇的生产，生物 柴油的生产是一种加工简单得多的生物燃料生产方式
oduce ethanol. Then, from the perspective of biotechnology, the challenges in the production of bioenergy crops are as follows: lignin modification, non-biological stress resistance, nutrient utilization, cell wall digestive enzyme implantation exp ression, biomass production, raw material establishment, biological inhibition of g enetically modified, metabolic engineering and basic research. Keywords: Bioenergy; Biotechnology; Fuel ethanol; Metabolic engineering 在面对潜在的能源危机以及化石燃料的开采燃烧对环境造成了大量污染的事 实下，世界各国都在探索如何兼顾经济和环境的可持续性。此时，生物质能源作 为唯一能大规模替代石油燃料的能源产品出现在人们的视线中。 生物质能源作为可再生、污染极小的能源，有很多优势：燃烧过程对环境污 染小，大量使用生物质能源对环境可持续发展十分有利。生物质能源在湿润、半 湿润地区储量巨大，且属于可再生能源。生物质能源比起化石能源更容易获取和 储存、运输。生物质能源中挥发组分高，炭活性高，易燃。使用生物质能源来代 替化石能源将减少环境污染、减少碳排放，有利于经济、环境的可持续发展。现 在全球已有很多国家在使用生物质能源了，但是在成本阻碍了生物质能源的发展， 所以急需在原料作物的挑选和生物技术上的突破来降低成本以扩大生产。 1 三大生物能源产品 1.1 燃料乙醇 第一代燃料乙醇是由糖质和淀粉质作物为原料生产的。其工艺流程为：液化、 糖化、发酵、蒸馏、脱水。第二代燃料乙醇是以木质纤维素质为原料生产的。其 工艺流程为：预处理、水解、发酵、蒸馏、脱水。淀粉乙醇由于将导致能源和粮 食供应之间的竞争、净能量平衡低和二氧化碳平衡高不利于经济和环境可持续发 展，所以未来能源将由淀粉基生物燃料向木制纤维素燃料转变。木制纤维素原料 可以从专用生物质作物或者林业和农业残渣中获得。生产木制纤维素燃料的关键 障碍就是细胞壁抗破坏。 1.2 生物柴油 生物柴油是一种混合柴油燃料，来自植物种子、藻类或者其他生物源的油脂 与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。相比燃料乙醇的生产，生物 柴油的生产是一种加工简单得多的生物燃料生产方式
1.3沼气 沼气是由各种有机废物包括植物秸秆气化产生，包括甲烷、氢气和一氧化碳。 按照现有技术在气化时系统净能量平衡低，所以实用性可能很低，]。 2原料作物的选择 2.1净能量平衡(NEB) 生物能源作物能分为以下四类：传统谷类作物、传统制糖作物、专用木制纤 维素生物质原料和用于生物柴油的油料作物。净能量平衡(NEB)是选择生物能 源产品时的一个重要衡量标准。积极的NEB被认为在经济和环境上是可持续的。 从玉米生产乙醇和从大豆生产生物柴油，虽然NEB都比较高，但是短期经济优势 往往被农业上对环境的有害做法所抵消。 2.2碳平衡 在最近对玉米、柳枝稷、大豆、首蓿、杂交杨树和芦苇的研究中，只有杨树 和柳枝稷的碳平衡为负)。第二代乙醇燃料比第一代有更低的碳平衡，所以生产第 二代乙醇燃料比第一代对全球气候变暖更有好处。 2.3产品价格 在2005年的美国，当汽油价格为每升0.46美元时，玉米生产的乙醇价格为 每升0.48美元，而大豆生产的柴油为每升0.55美元4。尽管全球原油价格的上涨 让生物能源有利可图，但传统的以作物为基础的生物燃料生产已导致能源与粮食 之间的直接竞争，其结果就是，原油价格上涨导致粮食、饲料和相关产品的成本 价格上涨。迫切需要转向以木制纤维素为基础的生物燃料平台。 3降低成本的新型生物技术 3.1木质素生物合成的改性 王存文，段晓玲，王为国等人在实验中得到木质素影响水解过程的方式：1) 木质素含量越大，纤维素的结晶度越大，纤维素的非晶化越困难，从而影响了纤维 素的水解：2)原木质素不溶于反应体系且在酸性条件下相对稳定，富木质素层的木 质素阻碍反应物与产物扩散，使富木质素层内的纤维素、半纤维素水解速率降低：3) 木质素含量越高，木质纤维素的富木质素层越厚、强度越大，水解时难以从颗粒表 面脱落，进一步降低水解速率)。 降低木质素生物合成可以降低抗阻性，提高糖化效率。如果木质素含量低于
1.3 沼气 沼气是由各种有机废物包括植物秸秆气化产生，包括甲烷、氢气和一氧化碳。 按照现有技术在气化时系统净能量平衡低，所以实用性可能很低[1,2]。 2 原料作物的选择 2.1 净能量平衡（NEB） 生物能源作物能分为以下四类：传统谷类作物、传统制糖作物、专用木制纤 维素生物质原料和用于生物柴油的油料作物。净能量平衡（NEB）是选择生物能 源产品时的一个重要衡量标准。积极的 NEB 被认为在经济和环境上是可持续的。 从玉米生产乙醇和从大豆生产生物柴油，虽然 NEB 都比较高，但是短期经济优势 往往被农业上对环境的有害做法所抵消。 2.2 碳平衡 在最近对玉米、柳枝稷、大豆、苜蓿、杂交杨树和芦苇的研究中，只有杨树 和柳枝稷的碳平衡为负[3]。第二代乙醇燃料比第一代有更低的碳平衡，所以生产第 二代乙醇燃料比第一代对全球气候变暖更有好处。 2.3 产品价格 在 2005 年的美国，当汽油价格为每升 0.46 美元时，玉米生产的乙醇价格为 每升 0.48 美元，而大豆生产的柴油为每升 0.55 美元[4]。尽管全球原油价格的上涨 让生物能源有利可图，但传统的以作物为基础的生物燃料生产已导致能源与粮食 之间的直接竞争，其结果就是，原油价格上涨导致粮食、饲料和相关产品的成本 价格上涨。迫切需要转向以木制纤维素为基础的生物燃料平台。 3 降低成本的新型生物技术 3.1 木质素生物合成的改性 王存文, 段晓玲, 王为国等人在实验中得到木质素影响水解过程的方式:1) 木质素含量越大,纤维素的结晶度越大,纤维素的非晶化越困难,从而影响了纤维 素的水解;2)原木质素不溶于反应体系且在酸性条件下相对稳定,富木质素层的木 质素阻碍反应物与产物扩散,使富木质素层内的纤维素、半纤维素水解速率降低;3) 木质素含量越高,木质纤维素的富木质素层越厚、强度越大,水解时难以从颗粒表 面脱落,进一步降低水解速率[5]。 降低木质素生物合成可以降低抗阻性，提高糖化效率。如果木质素含量低于
临界阈值，就不需要预处理可以直接进行酶糖化和发酵步骤，从而提高效率。更 均匀的木质素结构有利于细胞壁的降解，从而提高效率。 3.2在植物中表达纤维素酶和纤维素体 植物细胞壁可以被单独的纤维素酶降解，也可以被一系列纤维素酶组成的纤 维素体降解。活性酸-热分解纤维素酶E1玉米和烟草中已经能够成功载瘤表达， 并且有助于提高玉米植株的生物质转化效率，且对典型环境下的植物没有有害影 响。浙江大学的王炜在转基因水稻种子里也成功表达生产了纤维素酶阿。 3.3改进非生物胁迫抗性 耐压特性对于不适合粮食作物生长的边际或次边际土地上生产原料十分重 要。干旱胁迫、金属胁迫、盐胁迫、冷胁迫和热胁迫都会在植物体中产生特定的 反应，每一种胁迫都会引起一种不同的基因。所以改进非生物胁迫抗性是十分重 要的。 3.4提高生物质生产和产量 柳枝稷的矮化能让木质素的所占比例下降，提高生物质产量。柳枝稷茎秆中 的木质素含量大于叶片中的木质素含量，所以矮化柳枝稷能相对降低木质素含量， 从而提高生物质产量。 此外，推迟开花和细胞壁的遗传修饰也能提高生物质产量。 3.5雄性不育来防止转基因流动 雄性不育是个理想的特点。诱导雄性不育是限制转基因流动的一种方法。在 植物中，雄性不育可以通过消除花粉发育过程中重要基因的表达，也可以通过抑 制主要代谢基因的花粉特异性沉默来诱导。另一种防止转基因流动的方法是通过 花粉特异性重组酶活性切除花粉中的转基因。 3.6代谢工程 在生物柴油领域可以改变种子的含油量和成分。通过诱导外源性关键脂质生 物合成基因的表达，可以增加脂质的产量。在乙醇生产的糖和淀粉产量也能有所 提升。细菌蔗糖异构酶在液泡中的过表达可以使甘蔗蔗糖产量翻倍。 4结论 生产木制纤维素原料时水回用效率更好，有更大的净能量增益，降低顽抗， 增强非生物压力、耐性和提高生态效益，如更好的碳固定和水土保持。所以未来 的生物能源领域可以以木制纤维素生产燃料乙醇为主流。植物生物技术将会发挥
临界阈值，就不需要预处理可以直接进行酶糖化和发酵步骤，从而提高效率。更 均匀的木质素结构有利于细胞壁的降解，从而提高效率。 3.2 在植物中表达纤维素酶和纤维素体 植物细胞壁可以被单独的纤维素酶降解，也可以被一系列纤维素酶组成的纤 维素体降解。活性酸-热分解纤维素酶 E1 玉米和烟草中已经能够成功载瘤表达， 并且有助于提高玉米植株的生物质转化效率，且对典型环境下的植物没有有害影 响。浙江大学的王炜在转基因水稻种子里也成功表达生产了纤维素酶[6]。 3.3 改进非生物胁迫抗性 耐压特性对于不适合粮食作物生长的边际或次边际土地上生产原料十分重 要。干旱胁迫、金属胁迫、盐胁迫、冷胁迫和热胁迫都会在植物体中产生特定的 反应，每一种胁迫都会引起一种不同的基因。所以改进非生物胁迫抗性是十分重 要的。 3.4 提高生物质生产和产量 柳枝稷的矮化能让木质素的所占比例下降，提高生物质产量。柳枝稷茎秆中 的木质素含量大于叶片中的木质素含量，所以矮化柳枝稷能相对降低木质素含量， 从而提高生物质产量。 此外，推迟开花和细胞壁的遗传修饰也能提高生物质产量。 3.5 雄性不育来防止转基因流动 雄性不育是个理想的特点。诱导雄性不育是限制转基因流动的一种方法。在 植物中，雄性不育可以通过消除花粉发育过程中重要基因的表达，也可以通过抑 制主要代谢基因的花粉特异性沉默来诱导。另一种防止转基因流动的方法是通过 花粉特异性重组酶活性切除花粉中的转基因。 3.6 代谢工程 在生物柴油领域可以改变种子的含油量和成分。通过诱导外源性关键脂质生 物合成基因的表达，可以增加脂质的产量。在乙醇生产的糖和淀粉产量也能有所 提升。细菌蔗糖异构酶在液泡中的过表达可以使甘蔗蔗糖产量翻倍。 4 结论 生产木制纤维素原料时水回用效率更好，有更大的净能量增益，降低顽抗， 增强非生物压力、耐性和提高生态效益，如更好的碳固定和水土保持。所以未来 的生物能源领域可以以木制纤维素生产燃料乙醇为主流。植物生物技术将会发挥
核心作用在下一代生物能源的选择和提高的产量。而可供研究的生物技术主要有： 木质素改性、非生物抗逆性、营养利用、细胞壁消化酶的植入表达、生物质生产、 原料的建立、转基因的生物抑制、代谢工程和基础研究。 参考文献 [1]Bo'rjesson,P.and Berglund,M.Environmental systems analysis of biogas systems-part 1: fuel-cycle emissions[J].Biomass,Bioen,2006,30:469-485. [2]Bo'rjesson,P.and Berglund,M.Environmental systems analysis of biogas systems-part II:the environmental impact of replacing various reference systems[J].Biomass.Bioen.2007,31:326-344. [3]Adler,P.R.et al.Life-cycle assessment of net greenhouse-gas flux for bioenergy cropping systems[J].Ecol.Appl,2007,17:675-691. [4]Hill,J.et al.Environmental,economic,and energetic costs and benefifits of biodiesel and ethanol biofuels[J].Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.2006,103:11206-11210. [⑤王存文，段晓玲，王为国，等.秸秆中木质素对其超低酸水解过程的影响.生物质化学工程， 2013,47(1)19-26. [6]王炜.在转基因水稻种子里表达生产纤维素酶D1.浙江大学，2007
核心作用在下一代生物能源的选择和提高的产量。而可供研究的生物技术主要有： 木质素改性、非生物抗逆性、营养利用、细胞壁消化酶的植入表达、生物质生产、 原料的建立、转基因的生物抑制、代谢工程和基础研究。 参考文献 [1] Bo¨rjesson, P. and Berglund, M. Environmental systems analysis of biogas systems–part 1: fuel-cycle emissions[J]. Biomass, Bioen,2006,30:469-485. [2] Bo¨rjesson, P. and Berglund, M. Environmental systems analysis of biogas systems–part II: the environmental impact of replacing various reference systems[J]. Biomass. Bioen. 2007, 31:326-344. [3] Adler, P.R. et al. Life-cycle assessment of net greenhouse-gas flux for bioenergy cropping systems[J]. Ecol. Appl, 2007,17: 675-691. [4] Hill, J. et al. Environmental, economic, and energetic costs and benefifits of biodiesel and ethanol biofuels[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2006,103: 11206-11210. [5] 王存文, 段晓玲, 王为国, 等. 秸秆中木质素对其超低酸水解过程的影响[J]. 生物质化学工程, 2013, 47(1):19-26. [6] 王炜. 在转基因水稻种子里表达生产纤维素酶[D]. 浙江大学, 2007
