生物能源的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及研究進(jìn)展,生物技術(shù)論文

生物能源的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及研究進(jìn)展,生物技術(shù)論文盡管如今新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但化石燃料還是當(dāng)前主要能源來源之一?；剂闲枰f年甚至上億年才能生成，其不可再生性質(zhì)是顯而易見的。當(dāng)前全世界對(duì)化石燃料的過度開采，大量消耗，帶來的化石燃料的供給量缺乏現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，世界范圍的能源危機(jī)迫在眉睫[1],這已經(jīng)不是危言聳聽的預(yù)言。據(jù)預(yù)測(cè)，以當(dāng)前的開采和利用速度，化石燃料在將來50~200余年，將被耗盡。近百年來溫室效應(yīng)不斷加重，其原因就是溫室氣體二氧化碳的大量產(chǎn)生和排放。而火力發(fā)電奉獻(xiàn)了很大部分的二氧化碳排放量。國(guó)際能源署估計(jì)到2030年仍有85%的能源是化石燃料[2].怎樣化解能源需求與環(huán)境保衛(wèi)之間的矛盾，是亟待解決的問題。正因如此，新能源產(chǎn)業(yè)遭到了廣泛的歡迎。當(dāng)前新的能源發(fā)展比擬成熟的包括風(fēng)力能源和水力能源，除此之外還有核能。1.1風(fēng)力發(fā)電當(dāng)前世界很多國(guó)家都在開發(fā)風(fēng)力資源，由于風(fēng)力發(fā)電既不需要消耗化石等燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或造成空氣污染。當(dāng)前的風(fēng)車技術(shù)，大約只需要3m/s的微風(fēng)速度，就能夠進(jìn)行發(fā)電[3].但是風(fēng)力發(fā)電也有一些缺點(diǎn)，如可能干擾鳥類生活生存。如美國(guó)堪薩斯州的松雞在風(fēng)車出現(xiàn)之后，已漸漸消失。人們也研究了很多解決方案，如在海上開發(fā)離岸發(fā)電，但是離岸發(fā)電成本較高，不過效率也較高。再如使用小型垂直風(fēng)力發(fā)電，這種風(fēng)力發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)是能夠架設(shè)在住家的屋頂或后院。當(dāng)然在部分地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電并不經(jīng)濟(jì)，由于很多地區(qū)的風(fēng)力是間歇性的，如臺(tái)灣等地在電力需求較高的夏季及白天正是風(fēng)力缺乏的時(shí)段。同時(shí)興建大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備需要占用大量土地，才能夠獲得比擬多的能源。還有，大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)出很大的噪音，所以設(shè)立地點(diǎn)必須遠(yuǎn)離住家，或使用低噪音小型機(jī)種[4-5].1.2水力發(fā)電水力發(fā)電是是利用水的位能轉(zhuǎn)化為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)，進(jìn)而得到電力。如隨著三峽大壩、葛洲壩等水壩的建成，水力發(fā)電在能源生產(chǎn)中占領(lǐng)了一席之地。但是水利發(fā)電也有著眾多缺陷。如水力發(fā)電蓄水的水庫(kù)會(huì)導(dǎo)致上游大面積土地被水淹沒，棲息地細(xì)碎化，毀壞生物多樣性，失去生產(chǎn)力較高的低地、草原，毀壞生態(tài)價(jià)值高的濕地、河谷及森林。而下游同樣會(huì)受影響，本來會(huì)流至下游的沉積物在有水力發(fā)電站后會(huì)大幅減少，這是由于發(fā)電機(jī)組所排出的水中含有的沉淀物非常少，使下游河床被沖刷，又失去沉淀物的補(bǔ)充，導(dǎo)致水土流失，最終下游的原有地貌會(huì)逐步被侵蝕，河堤、三角州會(huì)受影響，肥沃的沖積土減少。并且會(huì)阻礙水中生物遷徙，影響其繁衍，部份物種可能因此絕種，減少了物種多樣性。水庫(kù)還會(huì)使水溫上升，因此導(dǎo)致魚群數(shù)量及種類減少。而且這些毀壞是永久性、不能逆轉(zhuǎn)的[6].從當(dāng)代技術(shù)上看來，核能發(fā)電被廣泛以為是取之不盡用之不竭的能源，故而廣受青睞。但近年來日本福島大地震所帶來的核災(zāi)難在普通民眾心目間留下了不良的印象。這使得核能的進(jìn)一步發(fā)展受阻。2生物能源如上所述，在以后50~200年內(nèi)，一些化石燃料十分是石油，很可能耗盡。因而，迫切需要發(fā)展替代能源。最大的需求將來自地?zé)?、核能、太?yáng)能、水和風(fēng)能。但是，生物燃料產(chǎn)生可能會(huì)變得更重要，十分是它能提供液態(tài)和氣態(tài)兩種燃料。重要的是這些燃料是用可再生原料生產(chǎn)的，如培養(yǎng)的農(nóng)作物形式的植物生物量、天然植物、農(nóng)業(yè)、家庭和工業(yè)廢物等。當(dāng)今有兩種從可再生能源衍生的主要微生物燃料產(chǎn)物，即甲烷和乙醇，但這些不是微生物能夠產(chǎn)生的唯一燃料。其他液體和氣體能源包括氫、丙烷、甲烷、丁烷等，電能可以以由微生物體系產(chǎn)生。所謂生物質(zhì)能〔biomassenergy〕,是指生物通過光合作用將太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用，這是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，同時(shí)也是唯逐一種可再生的碳源。例如，利用微生物學(xué)發(fā)酵生產(chǎn)燃料沼氣、乙醇、氫氣和制備燃料電池等[7].近年來，美、英、日、俄、巴西、瑞士等國(guó)紛紛投入大量人力、財(cái)力、物力對(duì)生物質(zhì)能進(jìn)行開發(fā)研究。例如，當(dāng)前德國(guó)通過補(bǔ)助的方式支持興建沼氣發(fā)酵池，并立法鼓勵(lì)沼電上網(wǎng)、沼氣并入燃?xì)饩W(wǎng)等有效鼓勵(lì)措施，使利用農(nóng)副產(chǎn)品、垃圾廢棄物的沼氣生產(chǎn)得到快速發(fā)展。但是按當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究水平來看，離燃料電池、氫動(dòng)力的大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離。而利用生物產(chǎn)生乙醇代替石油的研究較為成熟，世界多數(shù)地區(qū)傳統(tǒng)上都是使用當(dāng)?shù)乜衫玫脑仙a(chǎn)酒精飲料。如今某些國(guó)家同樣使用發(fā)酵酒精生產(chǎn)燃料級(jí)或化學(xué)原料酒精。世界每年的乙醇生產(chǎn)量中大約70%是發(fā)酵生產(chǎn)的，其余的主要是通過催化裂解乙烯生產(chǎn)。發(fā)酵乙醇中大約12%是飲料酒精，20%用于各種工業(yè)，剩下的68%是燃料乙醇。乙醇是一種很好的燃料，由于它能夠單獨(dú)使用，可以以與其他液體燃料混合，如酒精-汽油混合燃料，這是一種10%~22%〔v〔乙醇〕∶v〔汽油〕〕的乙醇與汽油的混合物[8].本文對(duì)這方面的研究成果做一扼要的介紹。2.1來自于糧食的生物乙醇現(xiàn)前階段有效的生物能源大部分是生物乙醇，這是指微生物將各種生物物質(zhì)通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化為燃料酒精。近兩年來，世界各大能源消費(fèi)國(guó)競(jìng)相尋求新的石油替代能源。美國(guó)和歐洲均選擇了生物乙醇作為主要的替代運(yùn)輸燃料。例如，美國(guó)每年的玉米用量占全球玉米消費(fèi)量的比重持續(xù)增加，從1980及1981年0.28%增至2018及2018年21.25%,幾乎增加了100倍。華而不實(shí)乙醇玉米占玉米用量的比重從0.77%增至68.66%,也幾乎增加了100倍[9].對(duì)美國(guó)農(nóng)業(yè)部報(bào)告中的世界玉米供需平衡表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，近期10年全球玉米食品、乙醇和工業(yè)用消費(fèi)量年均遞增3.34%,高于飼料玉米和總玉米消費(fèi)量的年遞增率〔分別為2.8%和3.27%〕.同能源問題一樣，糧食問題也日趨嚴(yán)重。世界糧食生產(chǎn)地區(qū)極為不平均。發(fā)達(dá)國(guó)家人口僅占世界人口的1/4,生產(chǎn)的糧食卻占世界糧食產(chǎn)量的1/2.發(fā)展中國(guó)家人口占世界人口的3/4,生產(chǎn)糧食只占世界糧食產(chǎn)量的1/2,因而人均產(chǎn)糧少、糧食消費(fèi)少。由于發(fā)展中國(guó)家人口增長(zhǎng)速度過快，很多國(guó)家缺糧問題日趨嚴(yán)重[10].當(dāng)大量的糧食被制作成燃油，而某些國(guó)家的人民仍然承受著饑餓的苦難，這使得由玉米、高粱等作物而生產(chǎn)的燃料在輿論方面承受著越來越大的壓力。2.2來自于纖維素的生物燃料纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，是組成植物細(xì)胞壁的主要成分。棉花、亞麻、苧麻、黃麻等植物含有大量?jī)?yōu)質(zhì)的纖維素，棉花的纖維素含量接近100%,為天然的最純纖維從來源。一般木材中，纖維素含量占40%~50%,還有10%~30%含量的半纖維素和20%~30%含量的木質(zhì)素。除此之外，麻、麥稈、稻甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。纖維素是一種復(fù)雜的多糖，由8000至10000個(gè)葡萄糖殘基通過-1,4-糖苷鍵連接而成。天然纖維素為無味的白色絲狀物。纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物，占植物界碳含量的50%以上[11].如能有效利用，纖維素乙醇的前景特別廣闊。纖維素乙醇能夠以玉米芯、玉米秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物提取完功能糖之后的生物殘?jiān)鲈?，因而與玉米乙醇等由糧食轉(zhuǎn)化而來的燃料相比，屬于廢物利用而來的乙醇產(chǎn)品，在原料方面更有保證。具有資源豐富、綠色環(huán)保、低碳節(jié)能等眾多優(yōu)勢(shì)。國(guó)際上，如美國(guó)環(huán)境保衛(wèi)局已經(jīng)施行了2007年可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)〔RFS〕,即必須使用一個(gè)百分比的可再生燃料的產(chǎn)品，否則將面臨處理懲罰。美國(guó)已經(jīng)大力推動(dòng)用纖維素取代玉米的乙醇生產(chǎn)。意大利首座纖維素燃料乙醇工廠在克雷申蒂諾正式投產(chǎn)。據(jù)悉，其前期研發(fā)及建設(shè)投入總計(jì)約1.5億歐元，估計(jì)年產(chǎn)量將達(dá)7500萬升。在石油資源日益減少的今天，纖維素燃料乙醇為人們尋找石油替代能源指引了方向。作為植物的主要組成部分，纖維素成分是世界上最豐富的可再生資源之一，將其作為原料生產(chǎn)燃料乙醇的產(chǎn)出比可達(dá)20%[12].2.2.1分解纖維素纖維素廢棄物的主要有機(jī)成分包括半纖維素、纖維素和木質(zhì)素三個(gè)主要部分。前二者都能被水解為單糖，單糖再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇，而木質(zhì)素不易被水解，且在纖維素周圍構(gòu)成保衛(wèi)層，影響纖維素水解[13-14].用木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)乙醇可有不同的工藝選擇，但都需要解決下面幾個(gè)的問題：〔1〕纖維素和半纖維素能否被高效地水解為可溶性糖；〔2〕水解得到的糖液發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的水平，由于糖液中包括有五碳糖和六碳糖，以及對(duì)發(fā)酵有害的組分，這些問題都需要解決；〔3〕降低工程能耗的先進(jìn)工藝經(jīng)過設(shè)計(jì)；〔4〕高效地利用木質(zhì)素成分[15].將植物纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的基本工藝步驟包括：分離纖維素、轉(zhuǎn)化成糖以及糖轉(zhuǎn)化為乙醇3個(gè)步驟；基本的生產(chǎn)工藝流程能夠分為預(yù)處理、水解、發(fā)酵和純化4部分[16].纖維素生產(chǎn)乙醇工藝有酸水解，酶水解，微生物發(fā)酵水解等方式方法。下面主要介紹一些有關(guān)酶水解和微生物發(fā)酵水解方面的研究現(xiàn)在狀況。2.2.1.1纖維素酶纖維素酶的來源很廣泛，真菌、細(xì)菌、放線菌等均有產(chǎn)生纖維素酶的報(bào)道。細(xì)菌中的很多種屬都能夠降解纖維素，如好氧菌中的芽孢桿菌屬〔Bacillus〕、假單胞菌屬〔Pseudomonas〕、厭氧發(fā)酵菌中的梭狀芽孢桿菌屬〔Clostridium〕、滑行細(xì)菌中的嗜纖維菌〔Cytophaga〕、多囊菌〔Polyangium〕等。近年來發(fā)現(xiàn)，粘細(xì)菌〔Myxobacteria〕中的纖維堆囊菌屬〔Sorangiumcellulosum〕也具有纖維素降解能力。放線菌主要有玫瑰色放線菌〔A.Roseus〕和鏈霉屬放線菌等。當(dāng)前最主要的還是利用真菌來發(fā)酵產(chǎn)生纖維素酶，華而不實(shí)研究得比擬多的是木霉屬和曲霉屬的絲狀真菌。綠色木霉和黑曲霉被以為是產(chǎn)生纖維素酶最穩(wěn)定和無毒安全的菌種，而且產(chǎn)生的是胞外酶，這對(duì)酶的分離純化都更為有利[17].根據(jù)其催化反響功能的不同，可將纖維素酶分為內(nèi)切型的葡萄糖苷酶〔來自真菌的簡(jiǎn)稱EG,來自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cen〕,外切型的葡萄糖苷酶〔來自真菌的簡(jiǎn)稱CBH,來自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cex〕和纖維二糖酶〔簡(jiǎn)稱BG〕.大多數(shù)纖維素酶都由一個(gè)或幾個(gè)催化構(gòu)造域〔catalyticdomain,CD〕和纖維素結(jié)合構(gòu)造域〔cellulosebingdingdomain,CBD〕組成，并由一段柔性的連接肽〔lingkerpeptide〕連接CD與CBD.連接肽的存在賦予酶靈敏的空間構(gòu)象，并且使CD有更多的時(shí)機(jī)接觸纖維素鏈。由于連接肽易暴露于水中，容易遭到蛋白酶的水解，所以這段肽鏈常被糖基化[17].關(guān)于纖維素酶的作用機(jī)制學(xué)者們提出了各種不同的模型。Reese等人早在1950年就提出了C1-CX假講。該假講以為C1酶先將結(jié)晶纖維素降解成無定形纖維素，然后由CX酶將無定形纖維素降解成纖維二糖，最后由-D-葡萄糖苷酶將纖維二糖水解成葡萄糖[18].實(shí)際上纖維素酶的作用機(jī)理遠(yuǎn)比上面所述要復(fù)雜得多，由于當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與纖維素酶水解有關(guān)的基因就達(dá)20多個(gè)，它們的表示出產(chǎn)物均起到了一定的作用，也就是講需要更多的相關(guān)酶的作用，才有可能高效地將纖維素徹底水解成單糖。纖維素酶水解條件溫和，無污染，無腐蝕，但反響速度慢，酶制劑成本高是利用纖維素分解制造乙醇的缺陷。生產(chǎn)成本高是由于纖維素酶活力較低造成的，纖維素酶與其他糖苷水解酶類相比，比活力至少要低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。如濾紙降解酶的比活力為1IU/mg左右，CMC降解的比活力約為10IU/mg,這是兩個(gè)限制纖維素酶應(yīng)用的瓶頸問題，也是纖維素酶研究的熱門與難點(diǎn)。通過傳統(tǒng)的菌種誘變和基因工程技術(shù)能夠較大幅度地提高纖維素酶蛋白的表示出量，進(jìn)而提高酶的發(fā)酵水平。如諾維信公司與美國(guó)能源部合作研究，已使纖維素乙醇制造中的酶制劑成本由每加侖5美元降低到18美分。另外，還能夠通過改善發(fā)酵條件和工藝，如采用固體發(fā)酵來大幅度降低發(fā)酵成本[19].但是提高酶降解天然纖維素的效率仍需要深切進(jìn)入研究，十分是研究纖維素酶的構(gòu)造與功能之間的關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)基因水平的改造。當(dāng)然可以以通過挑選新的產(chǎn)酶菌種，發(fā)現(xiàn)具有開發(fā)潛力的新酶源。2.2.1.2纖維素分解菌的利用當(dāng)前發(fā)現(xiàn)自然界很多微生物都具有分解纖維素的能力，在腐殖質(zhì)豐富的落葉層中含量豐富，包括真菌、細(xì)菌、放線菌等[20].從自然環(huán)境中分離的天然纖維素分解菌的酶活性很低，導(dǎo)致纖維素降解速度慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)。但是有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維素分解菌與其它霉菌等菌種共生時(shí)，纖維素分解速率會(huì)提高。如在廢棄物堆肥分解時(shí)，接種纖維素分解菌，細(xì)菌和放線菌數(shù)目明顯減少，而真菌和纖維素分解菌的數(shù)量增加3~4倍，這是由于垃圾接種纖維素分解菌劑后，加強(qiáng)了微生物的活性，使堆溫上升快，高溫維持時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而使嗜溫性細(xì)菌和放線菌的生長(zhǎng)繁衍遭到抑制。但是同時(shí)接種EM菌〔EffectiveMicroorganisms〕和纖維素分解菌后，菌種之間的協(xié)同作用，受抑制影響較少，所以各種菌均可維持在一個(gè)較高水平上共同分解有機(jī)物，快速完成堆肥經(jīng)過[21].當(dāng)前，能源問題是人們所關(guān)注的話題，生物能源作為現(xiàn)行的新的能源開發(fā)項(xiàng)目，有著極為廣闊的前景，怎樣利用自然界大量存在而又能夠并易于再生的生物質(zhì)能，是我