生物燃料的优势
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生物燃料的优势范文第1篇
文章编号：1005－6629(2008)10－0043－02中图分类号：O623.411文献标识码：E
生物质包括各种速生的能源植物、农业废弃物、林业废弃物、水生植物以及各种有机垃圾等[1]。生物质能源的开发利用不受地理条件限制，利用形态和传统能源的利用形态相似，将现有机器设备稍加改造即可使用，推广价值巨大。各国对发展生物质能源有不同的考虑，但能源替代和环境保护两个主要的原因相同。中国发展生物质能源相对滞后，但在国家政策的扶持下，大力发展燃料乙醇及生物柴油等生物质能源作为实施替代能源[2]。特别是2008年奥运会在北京召开，其倡导的“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的理念将促进中国生物质能源的全面发展。
1 生物质燃料乙醇的应用和效益
生物质燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物质能源，联合国工业发展组织曾在维也纳乙醇专题讨论会上提出：“乙醇应该被当作燃料和化工原料永久的和可供选择的来源”[3]。据清洁发展机制（CDM）项目咨询机构测算，每吨生物燃料乙醇能够产生2吨的二氧化碳减排量。因此，许多国家将发展生物燃料乙醇列为实现温室气体减排的重要途径。我国已成为仅次于巴西、美国的第三大燃料乙醇生产和使用国。燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水，再加上适量变性剂制成。目前，中国试点推广的E10乙醇汽油是在汽油中掺入10％纯度达99.9％以上的乙醇制成[4]。乙醇燃烧值仅为汽油的三分之二，但其分子中含氧，抗爆性能好，取代传统MTBE为汽油抗爆、增氧添加剂，避免了其毒害性(致癌，地下水污染)，具有优良能源、环保效益。如汽油中乙醇添加量≤l5％时，对机动车行驶性能无明显影响而尾气中温室气体的含量可降低30％-50％。添加10％，其辛烷值可提高2-3倍，还可清洁机动车引擎，减少机油替换并使其动力性能增加[3]。
与其他可再生能源和石油替代能源相比，燃料乙醇在中国发展最早，并经过系统有序的试点，市场规模较大，在政策法规、组织管理、生产供应、市场销售以及技术服务等方面都取得了宝贵的经验，而且在能源替代、环境保护和振兴农业三方面都具有突出作用。 既有现实基础，又具有综合发展价值，燃料乙醇得到了国务院能源领导小组的高度认可，并最终确定为中国中长期新能源战略中的重点发展方向[5]。根据我国《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》，“十一五”期间，我国将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨，生物柴油100万吨；到2020年，生产2000万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇1500万吨。
2 生物质燃料乙醇的代价和制约
原料保证是生物质燃料乙醇的关键限制，它影响成本和规模生产的可行性。生产1吨燃料乙醇，耗水30m3左右，耗电200kwh左右，约耗标准煤0.6吨左右。大约需要3.3吨玉米或7吨木薯、10吨红薯、15-16吨甜高粱[6]。
中国人均耕地面积已降至1.39亩，不足世界平均水平的40%。粮食安全至关重要。发展生物质燃料乙醇一定要在确保国家粮食安全基础上稳步推进。生物质能源的发展不能依靠对粮食的占有和生产面积的挤压来实现， 也不能以破坏自然生态环境为代价[7]。2007年6月，国家发改委全面叫停粮食乙醇的开发，要求今后生物燃料的发展必须满足不占用耕地、不消耗粮食和不破坏生态环境为前提。中国生物质能源的发展结束了以玉米等粮食为原料的时代，开创了以木薯等非粮生物质能源产业的新时代，非粮生物质能源产业的优势日益凸显。
3 木薯酒精的优势
实践证明我国过去以粮食为原料生产燃料乙醇，不符合国情，利用木薯作为燃料乙醇生产原料，符合国家“非粮替代”的要求。木薯属非粮食农产品，是中国主要的热带作物之一，它对土质的要求低，耐旱、耐瘠薄，符合“不争粮，不争（食）油，不争糖，充分利用边际性土地（指基本不适合种植粮、棉、油等作物的土地）”的国家粮食发展战略，同时发展燃料乙醇也很符合当前国家生物质能源发展战略，有利于保障国家粮食安全和能源安全。种植木薯还有利于拉动农业，改善农村贫困人口的生产生活状况，可形成农业产业化和生态经济、循环经济的模式，促进区域经济的发展。
根据全国土地资源调查办公室统计，我国有荒草地7.39亿亩、盐碱地1.53亿亩，总量占耕地面积的一半。利用这些土地种植耐干旱、耐贫瘠的薯类、高粱、秸秆作物等，对发展非粮燃料的乙醇生产，潜力巨大。木薯是可再生资源，通过推广良种，木薯产量已由过去的亩产1.3吨提高到现在的亩产2～3吨，最高还可以达到5～7吨。
4 木薯酒精的生产及前景
到“十一五”末期，乙醇汽油将占我国汽油消费量的一半以上，形成以“非粮”原料为主、以技术进步为动力、经济效益为中心、缓解能源供应紧张压力和保护环境为目的的生物液体燃料产业链。 作为我国第一个非粮燃料乙醇试点项目，广西中粮生物质能源有限公司年产20万吨木薯燃料乙醇。主要采取生物法：纤维素、半纤维素，酸解或酶解或发酵单糖(五碳、六碳糖)， 化学、 酶催化及微生物发酵乙醇。生物法具有选择性高、活性好、反应条件温和等优点，但原料利用率低、反应时间长、产物浓度低及酶、微生物活性易受影响且纤维素降解和单糖转化所需酶、微生物适于不同反应条件，不能很好耦合。其制约因素是成本和寻找高效、廉价的催化剂、酶和合适微生物的开发等关键技术。
随着大力发展生物质能源，木薯作为燃料乙醇的最佳原料，需求量将会不断扩大。木薯酒精生产面临着原料市场不稳定的困难，还存在着木薯种植缺乏组织性，种植粗放，且品种单一、单产低等困难。木薯生产企业的核心竞争力和发展动力在于搞好木薯产业资源的循环利用，充分利用厌氧发酵技术，实现资源的循环利用，走循环经济发展之路。用鲜木薯生产1吨酒精约生成11m3的酒糟醪液，约含660的COD；经厌氧发酵处理可生成约350m3沼气；350m3沼气约等于0.54吨煤。经厌氧后的酒糟废水其COD指标可以达标用于直接农灌，废渣可作有机肥料还田或作食用菌的培养基生产食用菌。合浦当地的农民用木薯渣与鸡粪混合再发酵后作蛋白合成饲料喂猪，已取得良好的经济效益。
5结语
燃料乙醇直接打通了第一产业和第二产业。农民成了“新能源”提供者，这为几千年来以农为本的中国提供了一个新能源由梦想成为现实的可能。以木薯为原料生产燃料乙醇是一条资源消耗低、综合利用率高、环境污染少、经济效益好的可持续健康发展道路，在促进农业和农村发展，提高农民收入方面具有显著的社会效益。
参考文献：
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[5]张远欣. 燃料乙醇的发展状况 [J].甘肃科技, 2005, (4):127-128.
生物燃料的优势范文第2篇
关键词：第二代生物燃料；纤维素乙醇；纤维素汽油；草油
文章编号：1005-6629(2011)12-0067-03 中图分类号：TK6 文献标识码：E
1 第二代生物燃料的由来
石油是主要的化石能源之_，―直以来都推动着工业和社会的发展。然而，地球上蕴藏的可开发石油资源却只剩下几十年的寿命，而且使用石油资源所带来的环境问题也日益突出：石油燃烧会产生大量的含碳氧化物及少量含硫、含氮化合物，这些化合物要么是温室气体，要么能产生酸雨，不仅造成环境污染更能伤害人体健康。因此，积极寻找一种石油的替代资源就势在必行，于是生物质能就渐渐进入了人们的视Wo所谓生物质能就是储存于生物质资源中的能量，这些生物质能源主要是指可再生的有机物质资源，主要包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等，可以储存由光合作用产生的能量，因此，生物质能也是太阳能的一种转化形式，也具有可再生、应用潜力大等特点，科学家们需要做的就是，将这些能量进行开发并加以应用。
20世纪30年代，巴西最早使用甘蔗进行发酵，生产出乙醇燃料，用以驱动汽车，像巴西这种以可食用作物(主要包括玉米、大豆、甘蔗等)为原料制造出的生物质能被称为第一代生物燃料，其代表产品是通常所说的生物乙醇和生物柴油，前者由富含单糖、寡糖或淀粉的生物质原料经过发酵、蒸馏、脱水等步骤制成，后者为以动植物油脂为原料，经过酯交换反应(碱、酸、酶催化或超临界条件下)加工而成的脂肪酸甲酯或乙酯燃料。虽然第一代生物燃料已在许多发达国家推广使用，但第一代生物燃料并非长久之计，原因有二。其一，没有足够的耕地以满足发达国家10％的液态燃油原料需求，比如在2008年，由于生产第一代生物燃料而对粮食作物的额外需求使得粮食价格大幅上涨；其二，原料成本太高，特别是生物柴油，原料构成了其成本的70％，这也使得第一代生物燃料的价格高于石油，远离了人们所期望的对替代石油具有积极影响的能源形式。
20世纪90年代，美国可再生能源实验室研究开发利用纤维素废料生产乙醇的技术，这也标志着第二代生物燃料的诞生。所谓第二代生物燃料是指以非粮作物和农业废弃物为原料的可再生替代能源，这些原料包括玉米秸秆、木材废料及草本类能源作物。与第一代生物燃料的原材料(粮食作物)相比，这些原料作物成本低、量大，更关键的是这些作物的种植生产不会干扰和危及粮食生产。第二代生物燃料的诸多优势使其具有更加明朗的发展前景，其代表产品主要有纤维素乙醇和纤维素汽油两种。
2 第二代生物燃料的生产
2.1纤维素乙醇的生产技术
第一代生物燃料的原料(甘蔗、玉米等)本身富含糖类，将其转化为乙醇的生产工艺较为简单，而第二代生物燃料主要以纤维素质材料为原料，其炼制过程比第一代生物乙醇的合成多了两个步骤：生物质原料的预处理和纤维素、半纤维素的降解，这也是目前纤维素乙醇生产的难点之一，而整个炼制过程则涉及多个生物催化反应，它们可以按照多个方式组合形成不同的工艺路线。目前已建有示范装置的纤维素乙醇生产技术主要有4种：硫酸／酶水解一发酵技术、硫酸水解一发酵技术、酸水解―发酵一酯化一加氢技术和酶水解一发酵技术。这4种技术最大的不同点在于纤维素水解方式的差异：前3种均采用酸水解，而第4种采用生物酶水解。实际工业生产中，用酶替代酸水解纤维素，可以在比较缓和的条件下操作，可以减少糖的降解，提高乙醇收率，因此酶水解、发酵技术路线(见图1所示)是纤维素乙醇生产的发展方向，此项技术由美国可再生实验室开发。
首先，将经研磨后的生物质原料(玉米秸秆、玉米芯等)进行预处理(见图2上半部)，其目的是将原料“解封”进而得到纤维素、半纤维素和木质素，再将这些成分进行增溶和分离，为水解变为可发酵的糖做好准备。实际上在植物体内，长长的纤维素构筑了植物细胞(见图2，直线型为纤维素，曲线型为半纤维素)，纤维素分子被半纤维素和木质素环绕，因此，科学家必须先用酸、碱或加热等方法进行预处理，以解开植物细胞内的“矩阵”。最新研究表明，用氢氧化钠的水一乙醇溶液进行预处理，得到的纤维素是一种纳米级的海绵体，可使4～6nm直径的酶进入纤维素中进行酶解，能把生产纤维素乙醇的预处理成本由50美分／加仑降至4～5美分／加仑，可与用玉米淀粉生产第一代乙醇的预处理成本2美分／加仑竞争。
接着，用酶将“降解”得到的纤维素、半纤维素进行水解从而得到葡萄糖和戊糖单体。不同的纤维素原料和不同的预处理工艺应采用不同类型和数量的酶，所以酶的生产成本就成为纤维素乙醇生产的第一项核心。起初，在20世纪90年代末，酶的生产成本很高，约在5美元／加仑以上，目前，酶的生产成本已降至原来的1／30，使生产纤维素乙醇用酶的成本降至10～18美分／加仑，为纤维素乙醇生产技术的产业化奠定了基础。
最后，用酵母菌将葡萄糖、戊糖进行发酵得到发酵液，再将发酵液进行产品分离便得到纤维素乙醇。
2.2纤维素生物汽油生产技术
纤维素乙醇的能量密度较低，单位体积的能量只有常规汽油的66％，不适合大量与汽油调和使用，同时乙醇含氧量高，会腐蚀管道，还会吸收管道中的水分和杂质，难以保证乙醇汽油质量。因此，在开发纤维素乙醇的同时又在开发纤维素生物汽油，目前已进行试验装置实验的技术有快速热解一加氢改质技术(如图3所示)。
首先，采用快速热加工催化裂解技术将生物质原-料转化为用以生产汽油的芳香烃分子。所谓生物质热裂解技术是生物质在惰性气氛下受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体(一般为CO、H2、CH4等的混合气体)、液体(焦油)及固体(木炭)的热加工过程。生物质热裂解液化是在中温(500～650℃)、高加热速率(104～105℃/s)和极短气体停留时间(小于2s)条件下，将生物质直接热裂解，产物经快速冷却，可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到高产量的生物质液体油(热解油)。此种技术分两步进行：第一步将纤维素(已预处理)用热砂快速加热，在循环流化床反应器中无氧存在的条件下加热到500℃，不到2秒，纤维素就被分解成富含氧的四到六个碳的有机小分子；第二步用复杂的三维催化剂催化分解含氧小分子，催化剂将氧原子从中移出并生成碳环，然后快速冷却，大约得到65％～75％(质量分数)的芳香烃分子(热解油)和少量不冷凝的气体(CO2、CO、H2O)与焦炭(可用作燃料)。
接着，再将热解油进行两段加氢除去氧和水，转化为运输燃料。其中第一段使氢和氧结合生成水，以蒸汽
形态脱除；第二段使热解油部分转化并改质为纤维素生物汽油。
3 第二代生物燃料的展望
生物燃料正在由第一代向第二展。第一代生物燃料的生产工艺已经较为成熟，美国、欧盟和巴西等一些国家已经形成了较完善的产业链。相反，目前第二代生物燃料的生产技术还未获得关键性的突破，大规模的商业化生产还有待时日。表1简要列举了两代生物燃料发展的特点对比。
目前第二代生物燃料的发展面临着生产技术与生产成本两大难题。就生产技术而言，在生产纤维素乙醇时，原料大多要经过强酸处理，以便从木质素中去除碳水化合物。经过酸处理的原料还要接受碱处理，目的是中止酸化过程。被水浸泡后木质素会被水稀释，不能直接用作燃料，除非人们把木质素与水分离，但这个过程要投入大量能源，势必增加生产成本；就生产成本而言，以秸秆为例，秸秆是向农民收购的，当没有生产纤维素生物燃料时，秸秆是农业废弃物可以轻易获取，但是一旦开始生产，农民就会向你要钱了，原料的价格很可能会随之上涨，势必会增加生产成本。
虽然第二代生物燃料的发展遇到了_一些阻碍，但毕竟只是刚刚起步。从长远来看，随着生物质资源的合理利用、相关技术水平的提高和产品生产规模的扩大，第二代生物燃料的成本将会逐渐降低，而石油等化石燃料价格出现大幅回落的可能性不大，第二代生物燃料有望成为具有成本优势的替代燃料之一。于是各国纷纷将目光转向第二代生物燃料的研究开发，其中，美国政府于2008年2月宣布提供为期4年总额为3380万美元的资助，重点开发将纤维素生物质转化为糖类的酶系统；英国政府于2007年“英国生物质战略”，提出要通过立法鼓励生物燃料领域的技术创新，支持第二代生物燃料的开发；中国政府也于2007年底启动了“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”重大项目，重点用于突破木质纤维素生产燃料乙醇的技术瓶颈。
实际上，第二代生物燃料的原料多为富含纤维素、生长迅速的草本植物及其废弃物，若将英文汽油单词(gasoline)中前缀“gas”去掉，引入"grass”(草)就组成了一个形象生动的专有名词“草油”(grassoline)。随着各国在“草油”生产工艺中的大量投入，在未来5～15年生物质转换技术将逐步从实验室走向市场，使用第二代生物燃料为动力的汽车数量也将迅速增长，即将到来的“草油”时代必将从根本上改善我们的世界。
参考文献：
[1]魏学锋，张小云，易婕等.生物质燃料的开发利用现状与展望[J].节能，2004，(8)：14～17.
[2]仉磊，章晓庆译，将草炼成油[J].环球科学，2009，(8)：18～20.
生物燃料的优势范文第3篇
生物燃料的技术革新能否克服环境污染的缺憾？革新的突破口在哪里？答案似乎已经找到。根据业界的预测，未来第四代生物燃料可以“完美”解决“绿色”燃料带来的污染问题。
说到第四代技术，还得先从最基本的概念说起。 生物燃料泛指由生物资源经过一系列物理、化学变化过程而获得的燃料乙醇、燃料丁醇、生物柴油等可再生燃料。它起源于上世纪70年代，由于受传统能源价格提高、环保意识加强和全球气候变化等因素影响，美国、巴西、欧盟以及中国等成为积极发展这一技术的主角。
生物燃料依据其使用的原料和技术可分为四代。第一代的代表产品为生物乙醇和生物柴油；第二代的代表产品是纤维素乙醇，它由以麦秆等农林废弃物为主的生物质原料经过预处理、酶降解和糖化、发酵等步骤制成；第三代是指以微藻为原料生产的各种生物燃料，也称为微藻燃料；第四代主要利用代谢工程技术改造藻类的代谢途径，使其直接利用光合作用吸收二氧化碳合成乙醇、柴油或其他高碳醇等，这是当前最新技术。虽然该技术尚处于实验室研究阶段，但在环保、成本等方面的优势已经可以预期：
首先是燃料的生产途径。传统技术要分解生物质生产乙醇，而第四代技术则采用微藻，直接通过光合作用，将温室气体二氧化碳转变成乙醇。
其次是工艺对环境的影响。传统技术在生产生物燃料的过程中，会产生大量的有害气体、固体废弃物，且排放大量二氧化碳，而第四代技术不仅不会产生任何废弃物，而且能吸收大量的二氧化碳，有助于碳减排。
再次是对粮食安全的影响。第一、二代技术会消耗大量的粮食，且占用大面积耕地，进而在世界范围内引发对粮食安全的担忧，而第四代技术根本不需要农作物和农场，建厂灵活性高，生产环节很少，与传统技术多达20个环节相比，第四代技术只需要简单的三四个环节。
生物燃料的优势范文第4篇
关键词:环保;生物燃料电池;污水同步处理发电
收稿日期:2010-07-28
作者简介:陈丁丁(1982―),男,江西武宁人,助理工程师,主要从事环境工程方面研究。
中图分类号:Tk01
文献标识码:C
文章编号:1674-9944(2010)08-0207-03
1 引言
环保生物燃料电池并非刚刚出现的一项技术。1910年英国植物学家马克•比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流,于是他用铂作电极放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里,成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。1984年美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池,使用的燃料为宇航员的尿液和活细菌,不过放电率极低。传统的燃料电池是利用氢气发电,但从来没有尝试使用富含有机物的污水来发电。环保生物燃料电池是一种特殊的燃料电池,以自然界的微生物或酶为催化剂,直接将燃料中的化学能转化为电能。
2 环保生物燃料电池的工作原理
环保生物燃料电池(Microbial Fuel Cell MFC)是以微生物作为催化剂将碳水化合物中的化学能转化为电能的装置,由阳极区和阴极区组成,中间用质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分开,如图1所示。环保生物燃料电池的工作过程分为几个步骤:在阳极区,微生物利用电极材料作为电子受体将有机底物氧化,这个过程要伴随电子和质子(NADH)的释放;释放的电子在微生物作用下通过电子传递介质转移到电极上;电子通过导线转移到阴极区,同时,由NADH释放出来的质子透过质子交换膜也到达阴极区;在阴极区,电子、质子和氧气反应生成水,随着阳极有机物的不断氧化和阴极反应的持续进行,在外电路获得持续的电流[1],其反应式如下:
阳极反应:
C.6H.12O.6 + 6H.2O 6CO.2 + 24H++24e-,
E.0=0.1014V
阴极反应:
6O.2+24H++24e-12H.2O,
E.0=1.123V
图1 生物燃料电池结构示意图
3 环保生物燃料电池的利用领域
3.1 废水同步的处理与发电
3.1.1 单一槽设计
电池装置和氢燃料电池有点相似,是一个圆柱形的树脂玻璃密闭槽。微生物燃料电池是单一反应槽,里面装有8条阳极石墨棒,围绕着一个阴极棒,密闭槽中间以质子交换膜间隔。密闭槽外部以铜线组成的闭合电路,用作电子流通的路径。当污水被注入反应槽后,细菌酶将污水中的有机物分解,在此过程中释放出电子和质子。其中电子流向阳极,而质子则通过槽内的质子交换膜流向阴极,并在那里与空气中的氧以及电子结合生成干净的水。从而完成对污水的处理。与此同时,反应槽内正负极之间的电子交换产生了电压,使该设备能够给外部电路供电。单一反应槽是微生物燃料电池设计的创新。大部分燃料电池的设计以两反应槽为主,分别为阳极槽和阴极槽,在阳极槽中以厌氧方式维持微生物生长;阴极槽中则需维持在有氧环境下,使电子与氧结合并且与质子形成水分子。而单一反应槽以质子交换膜连接两槽,其功能不仅可分开两槽水溶液,还可以避免氧气扩散至另一槽内。两槽式的电解槽,需以外力方式提供溶氧至阴极,而单一槽微生物燃料电池可以以连续注水方式将空气带入阴极,从而减少通氧设备的花费。在发电量方面,在实验室里,该设备能产生72W的电流,可以驱动一个小风扇。虽然目前产生的电流不多,但该设备改进的空间很大。从提交发明报告到现在,已经把该燃料电池的发电能力提高到了350W,这一数值最终能达到500~1000W。技术成熟后,可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将获得很大提高,可以产生500kw的稳定电流,大约是300户家庭的用电量。
3.1.2 不间断上流微生物燃料电池
华盛顿大学的研究人员日前称,他们把利用废水发电的微生物燃料电池技术又向前推进了一步。去年他们已研究出了这一利用废水发电的新技术,现在,他们又把新技术的发电量比去年提高了10倍。如果利用这一技术能使发电量再提高10倍的话,食品和农业加工厂就有望能安装这种设备用于发电,并能为附近居民提供清洁和可再生电能[2]。华盛顿大学环境工程学项目成员、化学工程助教拉思安晋南特博士在“环境科学技术”网站上介绍了这种不间断上流微生物燃料电池(UMFC)的设计以及工作原理。同过去那些让微生物在含有营养液的封闭系统中工作的实验不同的是,安晋南特为微生物提供的是源源不断的废水。由于食品和农业加工中会不停排放废水。因此,安晋南特的技术更容易在这些工厂得到应用。利用废水发电的微生物燃料电池技术,是在阳极室内安装价格低廉的U型质子交换膜,将阳极和阴极分开。废水中含有的有机物,可为细菌群提供丰富食物,使其得以生存和繁衍。这些细菌在电池阳极电极上形成生物膜,同时在食用废水中有机物时向阳极释放电子,电子通过与阳极和阴极相连的铜导线移动到阴极,废水中的质子则穿过质子交换膜回到阴极,同电子和氧原子结合生成水。而电子在导线中的运动过程就形成了人们所需要的电流。继2005年首次完成了废水发电的微生物燃料电池设计后,安晋南特新推出的U型设计增加了质子交换膜的面积、缩短了两极距离,因此降低了因阻力引起的能耗,使电池发电能力提高了10倍,每立方米溶液的发电量从3W/m3增加到了29W/m3。如果微生物燃料电池系统能够维持20W/m3的电力输出,就可以点亮小功率的灯泡。
3.1.3 利用太阳能和光和细菌的环保生物燃料电池
Noguera与土木与环境工程教授Marc Anderson、助理教授Trina McMahon,细菌学教授Timothy Donohue,研究员Isabel Tejedor Anderson,以及研究生Yun Kyung Cho和Rodolfo Perez合作发展出一种能在污水处理厂应用的大规模微生物燃料电池系统。目前,研究人员们把微生物封装在密闭的无氧测试管中,测试管的形状被做成类似电路的回路。当处理废物时,先把有机废水通入管中,作为副产品电子向阳极移动,然后通过回路流到阴极。另外一种副产品质子通过一块离子交换膜流到阴极。在阴极中,电子和质子与氧气发生反应形成水。一块微生物燃料电池理论上最大可以产生1.2V电压。但是可以像电池一样把足够多的燃料电池并联和串联起来产生足够高的电压来作为一种有实际应用的电源。目前该研究小组正在利用他们在材料科学、细菌学和环境工程方面的优势来最优化微生物燃料电池的结构。
3.2 新型的环保燃料电池
英国牛津大学科研人员研制出一种新的环保生物电池,这种环保生物电池装有一种生化酶,可以吸收空气中的氢和氧来发电。这种生化酶是从一种需要氢气来维持新陈代谢的细菌中分离出来的。这种酶的独特之处在于可以与那些如一氧化碳和硫化氢等常规的电池催化剂并存。这种酶是“生长型”的,因此能够以价格低廉、可再生等特点取代传统价格昂贵的铂基催化剂。这种电池消耗的是大气中的氧气和氢气。所使用的酶是从自然界中利用氢气进行新陈代谢的细菌中分离出来的。这种酶的特性是具有高选择性,能够忍受对传统的燃料电池催化剂具有毒害作用的气体,例如一氧化碳和硫化氢。研究人员表示,由于这种酶能够生长,所以对比于其他的氢燃料电池所使用昂贵的铂催化剂而言,这是一种廉价的、可更新的环保燃料电池。
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3.3 生物医学的应用
环保生物燃料电池还可以造出另一种重要产品,根据电信号立即测出病人血糖水平的仪器。对于向包括起博器和胰岛素生成器等在内的可植入电控医学设备供电来说,环保生物燃料电池非常有用。这些设备需要无限的电源,这是因为更换这些设备的电池可能需要外科手术。BFC从活的生物体内提取燃料(例如从血流中提取葡萄糖)来产生电流。只要生物个体是活的,这种燃料电池就可以持续起作用[5]。
2010年8月 绿 色 科 技
第8期
4 结语
尽管环保生物燃料电池经数十年研究仍距实用遥远,燃料电池研究从20世纪90年代初开始又成为热门领域,现在仍在升温阶段。几种燃料电池已经处在商业化的前夜。另外,近20年来生物技术的巨大发展,为环保生物燃料电池研究提供了巨大的物质、知识和技术储备。所以,环保生物燃料电池有望在不远的将来取得重要进展。随着生物和化学学科交叉研究的深入,特别是依托生物传感器和生物电化学的研究进展,以及对修饰电极、纳米科学等研究的层层深入,环保生物燃料电池研究必然会得到更快的发展。环保生物燃料电池作为一种绿色环保的新能源,在生物医学等各个领域的应用的理想必然会实现。
参考文献:
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The Research and Foreground of Biofuel Cell
Chen Dingding
(Wuning Environmental Protection Bareau, Wuning JiangXi 332300,China)
Abstract:Biofuel cell is a device converting chemical energy into electrical energy directly with the biocatalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction condition and goodbiology consistence. And, Biofuel cell are capable of converting chemical energy presented in organic wastewater into electricity energy with accomplishments of wastewater treatments simultaneously , which possibly captures considerable benefits in terms of environments and economics.
生物燃料的优势范文第5篇
[关键词] 生物质燃料；分散发酵；集中精馏
[中图分类号] Q939 [文献标识码] A
1 燃料乙醇被重视的程度以及代替能源的价值
燃料乙醇指以生物质为原料通过生物发酵等途径获得的可作为燃料用的乙醇，经变性后与汽油按一定比例混合可制车用乙醇汽油。
为了支持燃料乙醇的推广和生物质能源的开发利用，我国逐步颁布了《可再生能源法》、《可再生能源产业发展指导目录》、《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》以及《关于发展生物能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》等法规和配套办法和规章。同时财政部印发了《生物燃料乙醇弹性补贴财政财务管理办法》和《生物能源和生物化工非粮引导奖励资金管理暂行办法》的通知。这些政策对我国生物质燃料乙醇的发展、增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展具有极大的促进作用，
中国作为一个能源生产和消费的大国，研究、开发和生产生物质能源，积极寻找石油燃料的替代品，逐渐减轻乃至摆脱我国经济发展对矿物质能源的依赖，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。发展生物质燃料乙醇，一方面可缓解我国石油紧缺的压力，另一方面燃料乙醇作为一种清洁、可再生能源，对减少大气污染，降低汽车尾气中一氧化碳的排放量，提高中心城市的空气质量大有裨益。发展生物质燃料乙醇也是从根本上解决我国的能源问题，实现经济和社会的可持续发展、落实科学发展观、建设资源节约型社会的基本要求和战略选择。
2 燃料乙醇在中国的路程
我国在1998年决定较大规模的发展乙醇汽油，当时的初衷是为了消化一部分陈化粮，给农民增加一些收入，用部分严重挤压的粮食生产乙醇掺入汽油中以供汽车燃用。由中央财政投入国债资金418亿元人民币，在河南、安徽、吉林和黑龙江先后建设了4套总计年核准生产能力为102万吨燃料乙醇的生产装置，批准多家公司准入。至2006年9月，继国家9省区推广车用乙醇汽车后，国家发改委又计划在全国更大范围内推广燃料乙醇，但后来事态的发展却出乎意料。
第一代燃料乙醇的生产主要来自于玉米、水稻、甘蔗、大豆等粮食作物，随着连续几年乙醇汽油推广试点范围的扩大，陈化粮早已消化殆尽，乙醇原料的来源开始转向以新粮为主。中国生产乙醇的主要原料是玉米和高粱，其既是人们的食物，也是家畜的重要饲料，随着生产乙醇对这一类粮食的大量消耗，引起粮食价格的上涨，其中之一的后果，就是引起油价上涨，进而波及其他食品价格上升，引发了一系列的连锁反应。鉴于事态的严重性，国家发改委和财政部立即发文，暂停用粮食生产乙醇燃料项目，提出非粮生物乙醇是今后的生物乙醇发展的方向，并确立了“不与人争地，不与粮争田”的原则。
在粮食安全的前提下，我国开始停止粮食乙醇燃料项目，大力发展非粮燃料乙醇。2007年底，经国家发改委批准，由中粮集团在广西北海合浦投资成立的以木薯为原料的燃料乙醇生产企业一期项目（年产能20万吨燃料乙醇）正式投产，这是我国第一家经国家批准并投入生产的以非粮作物为原料的燃料乙醇企业，也标志着我国燃料乙醇的发展路线正在真正走向“非粮化”。
在生物质一代燃料走出与粮争地的困境之后，全世界范围内的第二代生物质燃料技术研发及产业化发展也渐入佳境。国内对于二代生物燃料利用的途径也向多元化方向发展。第二代生物燃料技术是指以麦秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料，使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油的模式。业内专家一致指出，利用非粮原料将是我国发展生物燃料的根本方向。
3 生物质燃料的优势――利用废弃物代替粮食
生物质能源是可再生的且产量巨大的新型能源。中国土地面积辽阔，生物质潜在的资源量非常巨大，发展生物质燃料具有极大优势。目前，发展生物质燃料乙醇主要采用农业生物质资源，以农业秸秆、稻草和木屑等农林废弃物或藻类、纸浆废液为主要原料，使用纤维素酶或其他发酵手段将其转化为生物乙醇或生物柴油。
用可再生能源农作物秸秆逐步替代不可再生能源是未来能源总的发展趋势。生产燃料乙醇，除了它本身的经济性及对农业、能源的好处之外，还有一些明显的关联经济效应。一方面，燃料乙醇有着巨大的环保效应，随着它的推广，可以大量节省大中城市治理空气污染的费用。燃料乙醇作为一种清洁、可再生能源人所共知，其按10%的比例与车用汽油掺混，一氧化碳排放量可减少30%以上，由3万吨燃料乙醇掺混成的数十万乙醇汽油可减少一氧化碳排放量近百万吨，对改善城市，特别是中心城市的空气质量大有益处。
加快生物质燃料的开发利用，不仅能有效解决农业目前废弃秸秆处理难，禁烧难的问题，并且对于有效增加能源供应，减少煤炭等化石能源资源的消耗，保护环境，促进农村经济的发展，建设资源节约型、环境友好型社会等都具有重要的作用。
4 生物质燃料生产的困境
发展生物质燃料乙醇相比传统煤炭、石油具有极大优势，但它的规模化发展也是面临着较多问题。一个企业的发展讲究的是利润，如何把握这个合适的利润点，就要考虑各个环节生产成本的降低。
以甜高粱为例，通过对比甜高粱生产乙醇发酵试验结果可知，固体发酵法生产95%乙醇的成本比液体发酵法低284元/t，比粮食乙醇低417元/t。因此，利用甜高粱生产乙醇宜采用固体发酵法。虽然甜高粱加工建设项目的经济和社会效益显著，但运输是个大问题，据了解，每3到4吨粮食可产1吨乙醇，而同样的乙醇却需要14到16吨甜高粱秆，运输量很大，造成运输成本过高。另外，甜高粱的收割期约半个月左右，大规模的集中收割和运输会导致劳动力紧张，同时甜高粱秸秆的贮藏也一直是甜高粱燃料乙醇加工过程中存在的技术难题。由于茎秆富含糖分，含水量高，收获后极易受微生物感染，容易发生霉烂和干化，影响酒精的后续发酵。粉碎的茎秆贮藏4―6天，糖分损失高达50%。压榨后的汁液也不能长时间贮存，汁液如果贮藏不好，极易酸败，也会影响到后续的酒精发酵。为了延长加工周期，采取了冷冻、茎秆去叶切成短段冷藏、用塑料薄膜覆盖并充以二氧化硫贮藏、窖藏、气调、干燥等贮藏方法，然而对于数量巨大的甜高粱茎秆来说，这些方法不仅难以实施，更主要的是大大增加了成本和能耗。欧盟对甜高粱收获后的茎秆采用劈开、切段和整株3种方式进行贮藏试验，发现整株露天贮藏27天或25―40 cm长的切段贮藏19天，都可保持原含糖量的90%。如果劈开则必需收获后马上加工。因为发酵循环周期短，即使效果较好的整秆贮藏虽然可以延长茎秆的贮藏期，但还是无法消化完庞大的原料，不能达到生产的要求。
同时，甜高粱秸秆燃料乙醇产业链长，涉及原料生产、原料初加工和精深加工等多个环节，如果一个地方建一个几万吨乃至几十万吨的现代化大规模工厂，当地的秸秆原料就无法满足企业生产的需要，可能需要外运，就会造成运输半径大、运输量大，运输成本、耗能增加，企业产品的成本就会大幅上升，同样前期也需要大量的现代化设备投资，那就成了“高射炮打蚊子”，一边生产能源，一边浪费能源。因此，要发展这个产业必须因地制宜的解决问题，必须考虑整个产业链的发展模式。
5 分散发酵解决原料、集中精馏解决燃料成本问题
生物质燃料的发展是一个产业链如何去实行的问题，必须方方面面都要考虑到，生产成本的降低是关键，它不可能像其他行业一样通过大规模生产来取得高效益，只能去寻找它的最佳利润点，经过实践和市场调研，生物质燃料要想发展，取得好的效益，必须走分散发酵、集中精馏，发展循环经济产业之路。
5.1 建立阶梯级开发模式，走分散发酵、集中精馏之路
根据发展非粮生物燃料乙醇产业的农林业属性、多样性和地域性等特点，把产业链重心向能源植物种植和原料生产倾斜，走“分散加工转换+集中精炼调配”之路，建立化工企业带动原料初加工企业，原料初加工企业带动原料生产基地的模式，这个模式的核心就是分散发酵，集中精馏。
每个初加工企业建设的规模应以本地区所能满足的原料供应为基础，一方面通过因地制宜，减小设计规模，分散种植，计算出合理的运输半径，为将来控制企业的生产成本打好基础。根据考察和核算，以乡、镇或县为单位，以方圆15公里为半径建立一个原料初加工企业。根据企业的需要可在方圆15公里半径内建立1个粗酒加工厂、多个糖液收购站，在当地直接对秸秆进行榨汁处理，其他物质按就近处理原则加工（烘干、晾晒、贮存等），从而达到降低运输成本的目的。根据实际核算，在方圆15公里范围内可种植5 000亩甜高粱，这样就可建立一座年生产规模为2 000吨粗乙醇（55%乙醇含量）和10 000吨秸秆酒糟饲料的加工厂。另一方面，合理的运输半径可解决运输成本问题和贮存问题，我们可以就地收割贮存，一部分直接进入生产环节，消耗原材料；另一部分可以进行榨汁贮存，然后进行进一邹动物饲料，解决地方牛羊饲料困难，最后集中在一个区域精馏成为高浓度的符合要求的燃料乙醇，解决能源原料问题。若配套建立30个这样的粗酒加工厂，就可在一个地区建立一个年产3万吨规模的燃料乙醇精馏厂（龙头厂），每个粗酒厂所生产的粗酒精可运输到精馏厂进行集中精馏，达到国家所要求的燃料乙醇的标准，又进一步解决原料运输成本高和原料贮存难的问题。
5.2 开发生物质能源作物副产品，提高产业的整体经济效益
企业要想持续发展，必须走循环产业道路，把原料“吃干榨净”，发展“资源―产品―废弃物―再生资源”为主要内容的物质循环型经济发展模式。
以生物质能甜高粱产业生产燃料乙醇为例，可以把种植业、粗酒生产、养殖业和双孢菇种植、沼气工程、有机肥加工工程相结合，形成循环加工体系。种植业生产的甜高粱秸秆发酵生产粗酒；粗酒用于集中精馏；粗酒生产过程中产生的酒糟可为养殖业提供饲料；养殖业产生的粪便、养殖废水作为双孢菇工厂化种植、沼气工程的原料；利用种植双孢菇产生的菌糠和沼渣生产有机肥；有机肥和沼气工程产生的沼液进行种植甜高粱，从而形成循环经济链，使资源得到高效利用，不仅能解决当地养殖户饲料困难，还能消除废弃物排放，实现清洁生产。
6 分散发酵集中精馏利国利民利社会，促进社会和谐
采用分散发酵，集中精馏模式，即每个粗加工点实际上就是一个乡镇企业，每年不仅为国家和地方增加了财政收入，还可以保障就业，不但对“三农”的发展有拉动效益和环保效益，对国家来说还有经济效益和社会效益。
分散发酵，集中精馏，利用甜高粱发展非粮燃料乙醇产业，一方面可以把大量的小麦秸秆、玉米秸秆配合甜高粱茎秆进行综合消化，不消耗粮食，解决禁烧难的问题，而且甜高粱产业需要由农民大量种植、并参与收获、运输、初加工等环节后，形成一个完整的产业链，解决农村大量剩余劳动力的问题。这比搞几十万吨的工厂更适合中国农村的国情；另一方面也可以作为县域、乡域或村域经济的支撑点，也可以促进当地经济结构的转变，拉动相关的产业发展，调整周边和当地多元化产业的发展，推动农业产业化结构，带动农民快速脱贫致富。在促进就业的同时，也降低了产品的生产成本，增强竞争力。
分散发酵，集中精馏，发展非粮燃料乙醇不仅可以替代燃料，减少石油进口，而且还填充了粮食燃料乙醇停止发展后留下的市场空白，具有区域特色农产品工业化、科技化、产业化发展的全国示范效应。一方面符合国家和地方产业政策，既解决了燃料乙醇非粮原料短缺的问题，又可调动农民在中低产田、农村边际土地上开荒种植的积极性，是兼顾粮食安全、能源安全和促进农民增收的理想非粮燃料乙醇发展模式。另一方面可以更充分利用本地资源，稳定农业产业，发展地方产业，推动地方经济发展，促进社会和谐，对建设起一个国家级的“生物质能源基地”，发展可持续循环经济产业链起到十分重要的作用。
参考文献：
[1]吴创之，马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2003（5）.
