生物燃料與生物柴油

1、 生物燃料(biofuel)泛指由生物質(zhì)組成或萃取的固體、液體或氣體燃料 是可再生能源開發(fā)利用的重要方向第一代生物燃料：使用糖類和淀粉類等原料進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生生物乙醇制得的燃料，還包括從以用做生物柴油的種子油緩解化石燃料供應(yīng)可循環(huán)、可持續(xù)污染小但是。生產(chǎn)生物燃料的農(nóng)作物往往需要土地、大量水資源和化學(xué)肥料。第二代生物燃料也分為二代：一代主要用甜高粱、木薯等非糧食農(nóng)作物進(jìn)行提取，優(yōu)點(diǎn)是淀粉及糖含量高，能替代玉米、小麥等糧食作物，而下一代則以纖維素為主要原料，例如植物的莖葉、農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物等都可以轉(zhuǎn)化為燃料，非糧作物乙醇、纖維素乙醇和生物柴油第三代生物燃料：利用以天然氣為原料的發(fā)電廠排出的二氧化

2、碳養(yǎng)殖可以轉(zhuǎn)化為生物柴油或生物乙醇的藻類第一代生物燃料First generation biofuels 第一代生物燃料是使用糖類和淀粉類等糧食作物原料進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生生物乙醇制得的燃料，還包括從以用做生物柴油的種子油。第二代生物燃料 第二代生物燃料以非糧作物乙醇、纖維素乙醇和生物柴油等為代表，原料主要使用非糧作物，秸稈、枯草、甘蔗渣、稻殼、木屑等廢棄物，以及主要用來生產(chǎn)生物柴油的動(dòng)物脂肪、藻類等。生物乙醇 生物乙醇是指通過微生物的發(fā)酵將各種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料酒精。它可以單獨(dú)或與汽油混配制成乙醇汽油作為汽車燃料。 第一代生物乙醇是以糧食作物為原料的。 第二代生物乙醇是以木質(zhì)纖維素為原料的。生物乙醇的

3、優(yōu)勢 一是乙醇辛烷值極高，可以取代污染環(huán)境的含鉛添加劑來改善汽油的防爆性能； 二是乙醇含氧量高，可以改善燃燒，減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃燒污染物排放。 三是汽油中只需摻入10%，總體熱值減少不顯著，且不需要改造發(fā)動(dòng)機(jī)即可以使用。 四是纖維素乙醇商業(yè)化生產(chǎn)后生產(chǎn)成本低。生物乙醇的劣勢第一代生物乙醇是以糧食作物為原料的，從長遠(yuǎn)來看具有規(guī)模限制和不可持續(xù)性。生產(chǎn)纖維素乙醇的前期投資較大。生產(chǎn)生物乙醇需要額外的土地在一定程度上會(huì)占用耕地、消耗糧食和破壞生態(tài)環(huán)境。生物柴油的優(yōu)劣優(yōu)良的環(huán)保特性，可調(diào)和性，可降解性，可再生性較好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能生物柴油的潤滑性能比柴油好實(shí)用簡便，無須改動(dòng)相

4、關(guān)器械，具經(jīng)濟(jì)性具有優(yōu)良的燃燒性能較好的安全性能 含水率較高，水分有利于降低油的黏度、提高穩(wěn)定性，但降低了油的熱值 具有“老化”傾向，保存條件高 在國家 “四不”政策下，生產(chǎn)原料的收集難，且成本較高。 酯交換方法合成生物柴油的缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜、能耗高、設(shè)備投入大；化產(chǎn)物難于回收，回收成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放總體來說 第二代生物燃料主要使用非糧作物，秸稈、枯草、甘蔗渣、稻殼、木屑等廢棄物，以及主要用來生產(chǎn)生物柴油的動(dòng)物脂肪、藻類等，減弱與糧食的競爭。 在環(huán)境保護(hù)方面，第二代生物燃料的表現(xiàn)也遠(yuǎn)較第一代出色第二代生物燃料的表現(xiàn)遠(yuǎn)較第一代出色Although most biofuels reduce

5、 greenhouse gas emissions relative to gasoline, many, including soy (top right) and corn (top left), do not fare well in terms of other environmental impacts. Second-generation biofuels produced from non-food plants such as switchgrass (bottom) may perform better in environmental terms.盡管大多數(shù)生物燃料相對于汽

6、油減少了溫室氣體排放,但很多,包括大豆(右上角)和玉米(左上),在其他環(huán)境方面的影響并不是表現(xiàn)得很好。第二代生物燃料從非食品植物生產(chǎn)出來，如柳枝稷(底部)，可能在環(huán)境保護(hù)方面表現(xiàn)得更好。生產(chǎn)第二代生物乙醇的催化酶技術(shù)未來幾年成本還將快速下降，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的可行性非常強(qiáng)秸稈等纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物（即生產(chǎn)原料）大量存在在減少碳排放等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢Global biomass volumes required to achieve a 50% reduction in greenhouse gas emissions by 2050. A wide range of densification

7、options are possible, but even the most effective will still require several times the biomass-handling capacity that the commodity grain system uses today.全球生物質(zhì)量需要在2050年實(shí)現(xiàn)到如今溫室氣體排放的50%減少量。廣泛的密集化選擇是可能的,但即使是最有效的方法仍然需要如今商品糧系統(tǒng)好幾倍的生物量處理能力。同時(shí)，也有缺陷無法擺脫生物燃料的致命缺陷，即能源密度低如此使得生產(chǎn)生物燃料的企業(yè)不得不保持巨大的能源供應(yīng)腹地，而運(yùn)輸這些原材料的能

8、耗到底能不能被產(chǎn)生的燃料完全對沖還是一個(gè)未知數(shù)還有，原本應(yīng)該返回土地圈的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物被用來制造能源可能會(huì)對生態(tài)產(chǎn)生影響，這種影響也許會(huì)導(dǎo)致生態(tài)的不平衡第三代生物燃料微藻隨著能源需求的劇增，世界正進(jìn)入衰退的不可再生能源時(shí)代，找到一個(gè)穩(wěn)定清潔的可替代品來滿足世界能源需要是十分必要的。在此背景下生物柴油應(yīng)運(yùn)而生。生物柴油（Biodiesel）來源有三大類：動(dòng)植物油脂，細(xì)菌及真菌油脂，廢棄油脂。目前最為廣泛的生物柴油來源是動(dòng)植物油脂，其中又以植物油脂更為普及。美國的微型曼哈頓計(jì)劃 2007年，美國推出微型曼哈頓計(jì)劃，其宗旨是向海洋藻類要能源，以幫助美國擺脫嚴(yán)重依賴進(jìn)口石油的窘境。能以“微型曼哈頓計(jì)

9、劃”命名，其重要性可見一斑。 微型曼哈頓計(jì)劃由美國點(diǎn)燃燃料公司倡導(dǎo)發(fā)起，以美國國家實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)家的聯(lián)盟為主體，到2010年實(shí)現(xiàn)藻類產(chǎn)油的工業(yè)化，達(dá)到每天生產(chǎn)百萬桶生物原油的目標(biāo)。為此，美國能源部以圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室牽頭，組織十幾家科研機(jī)構(gòu)的上百位專家參與這一宏偉工程。新一代生物柴油原料微藻 微藻是遍布全球水體的浮游植物，微藻把光合作用產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為油儲(chǔ)藏起來，在細(xì)胞內(nèi)形成油滴。將這些油通過轉(zhuǎn)酯化后可轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅峒柞ィ瓷锊裼?。某些微藻能夠合成長鏈烯烴，也具有發(fā)展生物燃料的潛力。 微藻和高等植物的油屬于三?；视王?，都可作為生物柴油的生產(chǎn)原料。為什么關(guān)注微藻？ 采用微藻作為生物柴油的來源具有以下優(yōu)點(diǎn)

10、： 來源廣泛 易于采集 生命周期短，可全年不間斷培養(yǎng) 產(chǎn)油能力高于其他綠色油料植物 培養(yǎng)條件較低，易于進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)殖 能在淡水海水等非農(nóng)業(yè)用地里培養(yǎng)，不與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)競爭土地資源，減少了農(nóng)藥帶來的環(huán)境污染 有利于廢水的凈化，減少空氣中二氧化碳的含量，能緩解全球變暖，等等。利用微藻制取生物燃料目前用于生產(chǎn)藻類型的生物燃料的方法主要有光合反應(yīng)器法、封閉環(huán)路系統(tǒng)法和開放池法。三者各有利弊。目前，養(yǎng)殖微藻的研究主要集中在封閉式光生物反應(yīng)器。大規(guī)模養(yǎng)殖的微藻種類主要有螺旋藻、小球藻、鹽藻、柵藻等。作物特點(diǎn) 藻類作物 微藻 種類繁多、分布極其廣泛； 生長周期短、幾乎不需要特別養(yǎng)分； 環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng) 可在缺氮等

11、條件下存活，并可大量積累油脂，含油量可高達(dá)70名稱基本工作原理利弊開放池塘法在池塘、湖面等封閉水域養(yǎng)殖藻類簡便易行、成本較低，但存在易被污染、占地 面積大、難以對水體和溫度 進(jìn)行調(diào)節(jié)從而生產(chǎn)不穩(wěn)定等 缺點(diǎn)。封閉環(huán)路系統(tǒng)法在閉合的人造水渠中進(jìn)行，含有藻類的液體在其中循環(huán)，循環(huán)過程中將藻類進(jìn)行新陳代謝所需的二氧化碳和養(yǎng)分引入到水渠的液體中。操作簡單，培養(yǎng)條件、 參數(shù)易控制，條件穩(wěn)定，成品質(zhì)量高，可實(shí)現(xiàn)全年無菌純種培養(yǎng)，能較大幅度地提高微藻細(xì)胞密度，其生長速率和生物量大幅度提高，近些年已應(yīng)用于微藻的商業(yè)性、高密度大規(guī)模培養(yǎng)生產(chǎn)。但封閉式光生物反應(yīng)器在規(guī)模培養(yǎng)過程中的生產(chǎn)成本相對較高，成本為開放式池塘

12、培養(yǎng)法的10 倍以上。固化反應(yīng)器法用一些透明管道裝滿工廠排出的廢水和廢氣，管道內(nèi)的藻類吸收廢氣中所含的二氧化碳，用于光合作用。同時(shí)，藻類排出氧氣，生成用于提煉燃料的物質(zhì)。微藻熱解制備生物燃料技術(shù) 目前利用微藻制備生物燃料技術(shù)主要由生物化學(xué)轉(zhuǎn)化與熱化學(xué)轉(zhuǎn)化兩種。 生物化學(xué)轉(zhuǎn)化包括發(fā)酵和厭氧消化。發(fā)酵法被廣泛應(yīng)用于酒精工業(yè)當(dāng)中，由酶將富含糖類淀粉的底物轉(zhuǎn)化為乙醇等。厭氧消化可直接將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主要由甲烷和二氧化碳組成的可燃?xì)怏w，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于有機(jī)廢水的生物處理方面，是生產(chǎn)沼氣的基礎(chǔ)。 熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)是目前將生物量轉(zhuǎn)化為生物只能得主要技術(shù)手段之一，根據(jù)最終產(chǎn)物的不同可以將熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)分為熱解碳化燃燒

13、氣化與液化等幾種不同的轉(zhuǎn)化過程。 熱解是指在絕氧條件下將生物量加熱到500度左右，導(dǎo)致生物量分解轉(zhuǎn)化為其他液、固、氣組分的過程。由于熱解較其他方法得到更多液體生物油，因此熱解是目前最有希望來制取生物油的技術(shù)之一。熱解包括快速熱裂解與慢速熱裂解兩種。兩者的比較如下：熱解對藻類的組成較不敏感，對它的品質(zhì)要求較低，產(chǎn)量極高。然而熱解油的顯著特點(diǎn)是相對于汽油與柴油其含氧量較高，熱值較低，如果想利用熱解油代替柴油用于內(nèi)燃機(jī)，還必須對它進(jìn)行處理、如催化加氫等，以改善其品質(zhì)。展望 目前利用微藻制取生物燃料有大量問題需要解決。生產(chǎn)成本過高是主要問題。解決途徑有以下三種：從生物學(xué)角度篩選和培育優(yōu)良藻種；通過化學(xué)

14、方法改善微藻產(chǎn)油的品質(zhì)；設(shè)計(jì)微藻培養(yǎng)環(huán)境與收集方法來降低其生產(chǎn)成本。 在眾多生物質(zhì)中，藻類具有生物量大，生長周期短，易培養(yǎng)，脂類物質(zhì)多等優(yōu)點(diǎn)。利用微藻生產(chǎn)生物柴油、制備熱裂解油作為新一代的生物燃料具有廣闊的發(fā)展前景。Biodiesel生物柴油定義？ 由動(dòng)植物油脂（脂肪酸甘油三酯）與醇（甲醇或乙醇）經(jīng)酯交換反應(yīng)得到的脂肪酸單烷基酯。主要成分生物柴油與石化柴油對比第一代生物柴油酯交換法生產(chǎn)脂肪酸甲酯（FAME），同時(shí)產(chǎn)生副產(chǎn)物甘油改進(jìn)一用乙醇代替甲醇進(jìn)行酯交換生物 柴油生物 柴油文冠果 文冠果是我國特有的一種優(yōu)良木本食用油料樹種。文冠果種子含油率為30%-36%，種仁含油率為55%67%。其中不飽

15、和脂肪酸中的油酸占52.8%-53.3%，亞油酸占37.8%39.4%，易被人體消化吸收。文冠果油種皮種仁果殼（主含纖維素半纖維素） （含油、皂苷、蛋白、淀粉） （主含纖維素半纖維素）油粕生物柴油高級食用油保健品皂苷類藥物精飼料產(chǎn)品植物蛋白產(chǎn)品蛋白飲料營養(yǎng)食品皂苷類藥物用于生產(chǎn)纖維素乙醇用于生產(chǎn)纖維素乙醇16 文冠果生物煉制技術(shù)SHFSSFSSCFCBP改進(jìn)二：第二代生物柴油通過動(dòng)植物油脂為原料通過催化加氫生產(chǎn)的非脂肪酸甲酯工物柴油制備方法柴油摻煉油脂直接加氫脫氧 Ni-Mo/Al2O3 Co-Mo/Al2O3油脂加氫脫氧異構(gòu)改進(jìn)三：第三代生物柴油利用非油脂類植物和微生物油脂研制生物柴油，這被

16、稱作第三代生物柴油。微生物油脂生產(chǎn)生物柴油生物質(zhì)氣化合成生物柴油微生物油脂生產(chǎn)生物柴油生物質(zhì)原料 合成氣氣化系統(tǒng)氣體反應(yīng)系統(tǒng)Fischer-Tropsch synthesis催化加氫生物柴油氣體凈化系統(tǒng)和利用系統(tǒng)生物質(zhì)氣化合成生物柴油對比反思第一代生物燃料：糧食作物 高粱、玉米第二代生物燃料：非糧作物 纖維素 第三代生物燃料：藻類作物 微藻綜述原料原料產(chǎn)品產(chǎn)品工藝工藝應(yīng)用應(yīng)用第一代第一代糧食作物糧食作物生物柴油生物柴油生物乙醇生物乙醇發(fā)酵法發(fā)酵法在發(fā)達(dá)國家在發(fā)達(dá)國家已有廣泛應(yīng)已有廣泛應(yīng)用（巴西）用（巴西） 第二代第二代非糧作物非糧作物纖維素乙醇纖維素乙醇纖維素汽油纖維素汽油催化加氫催化加氫因成

17、本問題因成本問題未能廣泛應(yīng)未能廣泛應(yīng)用用第三代第三代藻類作物藻類作物乙醇、丁醇乙醇、丁醇噴氣燃料噴氣燃料柴油柴油費(fèi)托工藝費(fèi)托工藝尚處開發(fā)階尚處開發(fā)階段段作物特點(diǎn)糧食作物 種植范圍廣，油脂含量高 “與民爭糧”、干擾糧食生產(chǎn)非糧作物 成本低廉、產(chǎn)量大 不會(huì)干擾和危及糧食生產(chǎn)生產(chǎn)工藝第一代技術(shù)純熟，簡便易操作；原料成本高第二代原料成本低廉，設(shè)備成本高開放池塘法封閉環(huán)路系統(tǒng)法固化反應(yīng)器法 對土地、淡水資源要求較低 可利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳，減少環(huán)境污染 生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益微藻單位面積的產(chǎn)率高出高等植物數(shù)十倍，但不及太陽能電池作物作物產(chǎn)油量：產(chǎn)油量：加侖加侖/ /英畝英畝谷物谷物1818棉花棉花353

18、5大豆大豆4848芥末籽芥末籽6161向日葵向日葵102102油菜籽油菜籽127127麻瘋樹麻瘋樹202202棕櫚油棕櫚油635635海藻（在海藻（在15%TAG 15%TAG 下，收獲率下，收獲率10g/m10g/m2 2/d/d）12001200海藻（在海藻（在50%TAG 50%TAG 下，收獲率下，收獲率50g/m50g/m2 2/d/d）1000010000各種原料及其產(chǎn)油潛力 在經(jīng)濟(jì)效益方面，相關(guān)學(xué)者根據(jù)以前開放型池塘微藻生產(chǎn)的研究，預(yù)測微藻生物燃油生產(chǎn)成本為39127美元/桶，按照2006年美元計(jì)價(jià)則相當(dāng)于50265美元/桶。他們分別運(yùn)行商業(yè)規(guī)模的2公頃面積的生物反應(yīng)器和開放型池塘微藻生產(chǎn)系統(tǒng)，評估生物燃油生產(chǎn)成本分別為84美元/桶和93美元/桶（2006年）。1020年后，當(dāng)世界能提供的石油快要耗盡時(shí)，微藻生物燃油作為高價(jià)石油的替代燃料（如頁巖油和瀝青砂油）具有更大的價(jià)格競爭力。如果考慮到全球變暖加劇，微藻生物燃油的價(jià)格競爭力更強(qiáng)。第三代生物燃料的應(yīng)用開發(fā)世界上首架使用純藻類生物燃料的“綠色”飛機(jī)美國能源部 2010年6月29日向三個(gè)研究財(cái)團(tuán)資助2400萬美元，以加速實(shí)現(xiàn)基于海藻的生物燃料的商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)?？沙掷m(xù)微藻生物燃料財(cái)團(tuán) 亞利桑那微藻生物燃