生物柴油的研究进展

收稿日期: 2006 08 17 修回日期: 2006 09 22 * 通讯作者, 电子信箱: sqin@ m s. qd io. ac. cn
尾气中有毒有机物的 排放量仅为普通柴 油的 10% , 颗 粒物为 20%, 且生物柴油本身的生物降解率高达 95% 以上, 加之其燃点为 150 左右, 比 普通柴油在使用、 运输、处理和储藏方面都更加安全 [ 6~ 8] 。目前各国大多 使用 20% 生物柴油与 80% 石油柴油混配, 这种混配的 燃油适用于任 何柴油发动 机, 并能直接 利用现有 的油 品储存、运输和分销设施。 1. 2 生物柴油对我国能源安全的意义
( 3 中国科学院大连化学物理研究所 大连 116023)
摘要 生物柴油是重要的新型可再生能源。阐述了生物柴油的主要特性及其对环境保护、能源 安全、农业生产的意义。由于我国耕地有限, 所以完全效仿国外的模式不符合我国的国情。并且 原料油成本过高一直是制约生物柴油产业化发展的瓶颈, 所以我国应该对生物柴油原料进行多 方面研究。因此就生物柴油原料展开了详细地分析, 并展望了我国生物柴油的发展前景。 关键词 生物柴油 可再生能源 原料 前景 中图分类号 Q819
利用油菜籽、大豆、花生以及各种油料作物所提取 的油脂为原料。其中以油菜籽制取的生物柴油中不饱 和脂肪酸甲酯 含量较多 [ 15]。目前, 基因工程 改造油菜 籽已取得了初 步的进展, 这 是因为油菜 作为我国 最主 要的油料作物, 它与模式植 物拟南芥同 属十字花 科芸 苔属, 亲缘关系非常相近, 拟南芥功能基因可直接应用 于油菜的表达调控。目前利用油菜制造生物柴油技术 已有较为成熟 的生产工艺, 特别是我国 运用具有 自主 知识产权的 ∀ 底物竞 争 #基因调 控技 术育成 反义 PEP ∀超油 #油菜, 大幅度提高了油菜含油量。由此可见, 利 用如 油 菜等 油 料 作 物 进 行 生 物 柴 油 的 生 产 将 大 有 可为。
生物柴油的原料来源极其广泛。在我国与农业生 产直接相关的主要包括各种植物油脂和微生物油脂的 获得。广大农民可以通过种植木本油料植物或油料作 物为生产生物 柴油提供丰 富的可再生 原料, 或者 通过 微生物发酵法利用和转化各种农林废弃木质纤维素原 材料获取微生物油脂等 [ 10]。这不仅能改善油料作物的
美国最近提出的使生物能源产量在十年内增长三 倍的新政策大大推动了各种生物能源的研究。按照国 际能源组织的规划, 在有足够的 作物耕地供 给的情 况 下, 美国的近期目标是以生物能源替代掉 6% 的石化石 油 [11] 。美国在利用生物技术开发油料植物方面投入了 很大科研力量, 开始 通过基因工 程方法研究 高油含 量 的植物。美国主要利用 高产转基 因大豆, 发 展以大 豆 为原料的生物柴油产业。 2. 2 欧 盟
3 国内生物柴油的研究进展
我国生物柴油的生产在政府的鼓励和支持下正蓬 勃兴起, 中国科 学院及各大 专院校纷纷 开始从事 相关 课题的研究。我国 的耕地面积 有限, 大 面积种植 产油 植物势必与粮食争地, 不 太符合我 国的国 情。并 且按 常规的植物油 转酯化的方 法生产生物 柴油, 那么 原料 成本将高达总成本的 75% 。成本过高一直是生物柴油 发展的瓶颈问 题, 所以应该 在降低原料 成本上作 出更 大的努力, 展开 以各种生物 质为原料的 生产途径 的研 究, 以期最大限度降低原料成本, 增加生物柴油大规模 产业化的可行性。我国就各种生物质原料作了一些初 步的研究, 并取得了一定的进展。 3. 1 以植物油脂为原料制取生物柴油
随着经济的 迅速发展, 全球 性的能源短 缺及环 境 污染问题日趋严重 [ 1] 。我国人均化石资源贮量十分有 限, 但能源需求 量却与日俱增。开 发和利用 立足于 本 国的可再生能源, 是 保障我国社 会经济可持 续发展 的 重大战略措施之一。
生物柴油是 一种清洁的 可再生能源, 其 化学成 分 主要为长链脂肪酸的甲酯或乙酯。生物柴油一般是采 用可再生的油脂资源 ( 如动物、植物或 微生物油脂, 以 及餐饮废油等 )经过酯化或转酯化工艺制得的、是性质 与普通柴油 非常相似的 液体燃油 [ 2, 3]。作为 一种极 具 潜力的化石能源替 代品, 生物柴 油的开发和 应用正 受 到世界各国的普遍重视 [ 4]。
能源安全就是实现一个国家或地区国民经济持续 发展和社会进步所必需的能源保障。我国现有的能源 远远不能满足 国民经济的 快速发展和 可持续发 展, 为 了改善能源危机现状, 必须尽快寻找新的能源来源, 生 物质是可再生资源, 利用生物质生产生物柴油, 可以保 证能源的稳定供应。我国人均占有可开采石油资源十 分贫乏, 大约只有世界平均水平的 12% [ 9], 但能源的需 求总量却增势强劲, 是石 油净进口 国。 生物柴油 属于 可再生能源的一种, 更重要的是其来源具有稳定性, 因 而可长期缓解 对化石资源 的依赖, 并保 障社会和 经济 的可持续发展。 1. 3 生物柴油对我国农业生产的意义
从含油酵母中提取油脂制取生物柴油。据报道国 内已进行了广谱碳源产油酵母菌的筛 选 [ 16] , 其中油 脂 含量最高可达菌体干重的 70% 以上。这些产油酵母菌 能高效 利 用 和 转 化 各 种 农 林 废 弃 木 质 纤 维 素 原 材 料 [10] 。本实验室研究 表明, 产油酵母可利用海洋滩 涂 耐盐植物大米草的水解液转化产生微生物油脂 [17] 。微 生物油脂发酵周期 短, 不受场地、季节、气候 变化等 的 影响, 并且所利用的原料价格低廉。可见, 利用微生物 发酵法获得油脂原料制取生物柴油具有非常大的发展 潜力。
从含油的藻类中提取油脂制取生物柴油。含油藻 类同样是潜在的油脂生产者。据报道异养培养小球藻 ( Ch lorella protothecoid es) 的 含 油 量 可 达 藻 体 干 重 的 57 2% , 经快速热解可获 得生物油脂 [18] 。但微藻属 于 低等植物, 在基因工 程改造以及 进行高密度 培养等 技 术上还要克服很大的困难。国内外仍然有许多科学家 在探索并研制 ∀工程微藻 #, 希望能实现规模化养殖, 降 低成本, 为获取油脂资源提供一条可靠的途径。 3. 3 利用餐饮废油制取生物柴油
利用木本油料植物制取生物柴油。我国产油林木 种类丰富, 常见的产油林木有油棕、麻疯树、光皮树、油
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沈 等: 生物柴油的研究进展
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茶等, 我国有很多科研单位正在相继开展这方面工作, 其中建立了良种 供应基地 的有 10 种 左右。这些产 油 林木可以大面积广泛种植, 既营造了良好的生态环境, 也带来了经济效益。
以植物油为 原料生产生 物柴油成本 偏高, 而将 餐 饮业废油脂进行回收生产生物柴油则是一个相对较好 的方案 [ 19] 。这样既节省了能源, 又使废物资源化, 减少 了污染。但餐饮废油脂 是含有杂 质的高酸 值油脂, 含 有游离脂肪酸、聚合 物、分解物等 杂质, 在酯 交换反 应 之前, 必须对其进行预处理, 包括废油脂物力精炼和甲 醇预酯化 [ 20] 。其操作 简单, 较易进行大规模工业化 生 产。但值得注意的是餐饮废油的利用存在资源总量有 限, 供应不稳定, 原料组成及性能变化大等影响因素。
1 生物柴油的特性及开发意义
1. 1 生物柴油的特性和对环境保护的意义 与传统柴油相比, 生物柴油具有环境友好、润滑性
能好、储运安全、抗爆性 好和燃烧 充分等优 良性能, 还 具有能量密度高、可再生、易生物降解以及含硫量低等 特点 [ 5] 。生物柴油中硫 含量极少, 可大大减 少含硫 物 质的污染问题, 又因其含氧量高, 一氧化碳的排放量约 为普通柴油的 10% , 二氧化碳的排放量 远低于植物 生 长过程中所吸收的 二氧化碳, 可 以很大程度 缓解与 改 善目前全球面临的温室效应。使用生物柴油所产生的
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中国生物工程杂志 China B io techno logy
Vo.l 26 N o. 11 2006
综合利用水平, 增加农民收入, 也为农村提供了许多新 的就业机会, 使农业与工业结合起来实现产业化生产, 对于农业结构调整也具有重要意义。
2 国外生物柴油的发展概况
随着石油价 格的攀升, 许多 国家都制订 了生物 柴 油研究发展计划。上个世纪全球能源的消耗增长了 17 倍, 而诸如 CO2, SO2 和 NOx 的排放物正是大气污染的 主要来源, 所以各国 开始渐渐重 视环境友好 的生物 能 源的研究与生产 [ 11] 。生物能源是在地理上比石油和核 能源分布更均衡并 且更广泛的 可再生能源, 而生物 柴 油是绿色可再生的生物能源。 2. 1 美 国
日本由于资 源匮乏加之 节能意识较 强, 所以利 用 废煎炸用油为原料 开展生物柴 油的研究, 并 已取得 一 些进展。日本还 尝试利用一 些化工废弃 物 ( 主要含 有 糖和短链脂肪酸 ) 作为培养基产 生物油脂。他们认 为
微生物被视 为比现 在广 泛研 究的 产油 微藻更 有优 越 性。因为首先微生 物的生长速 率较快, 而且能够 高密 度培养。再加上微生物能有效转化工业垃圾而累积油 脂, 实现了变废为宝的过程, 也营造了一个环保节约的 社会能源模式 [ 14] 。在巴西东北部, 适合种植 蓖麻的土 地有 200万公顷, 几年之内, 巴西蓖麻的年产量就可达 到 200万吨, 能生产 生物柴油 1. 12 亿公升, 并创造 10 万个新的就业机会 [ 12] 。为加快生物柴油和乙醇的产业 化进程, 印度 计划委员会 ( Plann ing Comm ittee) 于 2002 年 7月成 立了 生物 燃 料领 导小 组 ( C omm ittee on B io fu els) , 领导小组经过调研制订了印度生物燃料的发展 方针, 领导小组筛选麻疯树 Ja tropha curca s作为最有种 植潜力的油料作物品种, 预期 2011 ~ 2012 年末使生物 柴油的调和比例达到 20% 。
欧盟推出了 一系列政策, 鼓 励在不适合 种植粮 食 的土地上种植富油 脂的农作物 来生产生物 柴油, 一 方 面增加了种植作物 的附加值, 另 一方面也利 用了闲 置 土地 [ 12]。欧盟对生物质所转化的能源的利用近几十年 迅猛增长, 并 计划在 2010 对生 物 质能 源的 利用 达 到 6000PJ(为 1999年的三倍 ) [ 11] 。并且欧盟对生物质 的 按照欧盟 2003年 5月通过的 在交通领域促进使用生 物燃料油或其他可再生燃料油的条例 !要求, 2010 年生 物质燃料应占欧盟燃料比重的 5. 75% 。欧盟开发的代 表性的生物柴油生产技术有 C IM BR IA SKET Gm bH 开 发的生物柴油生产 技术, 采用甲 醇钠碱性催 化剂进 行 连 续 脱 甘 油 酯 交 换 工 艺 [ 13] ; Lurgi L ife S cience T echnologies Gm bH 开发的采用液体碱催化剂的二段酯 交换、分离工艺; H enkel Gm bH 开发的以液体碱为催 化 剂, 采用管式反应器和沉降槽的二段酯交换工艺。 2. 3 其它国家