摘要 加强对生物质能的利用已经成为各国解决目前所面临的能源危机和环境污染问题的一项重要的解决办法。本文简述了发展生物质能源的战略地位，以及目前国内外生物能源技术的研究进展和利用现状，并进一步分析了生物能源技术面临的挑战和未来的发展趋势。
1 生物质能源的重要战略地位
随着世界人口的快速增长，各国经济突飞猛进，工业化进程不断深入，能源危机已经成为世界性的问题。传统的化石能源储量不断下降，同时使用化石能源所造成的严重的环境污染以及治理污染所需的不菲的成本，都使得人们迫切得需要一种新型的、环境友好的、可再生的绿色能源。目前已经进入人们视线的新能源有太阳能、风能、水能以及新兴的生物质能源。
生物质能源是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料。从而减少对传统矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。生物质能源通常包括：各种速生的能源林、薪炭林、经济林、用材林灌木林，木材及森林工业废弃物；农业生产和加工剩余物；水生植物；油料植物；城市和工业有机废弃物；动物粪便等[1]。
从能源的消费变化来看，人类最终会过度到可再生能源的持久利用，生物质能通常被认为是世界上最大可再生能源资源，其研究和开发成为世界各国可再生能源发展的热点和焦点。
美国计划到2020年使生物质能源和生物质基产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%，2050年达到50%。2000年，欧盟委员会在其发布的“欧盟能源发展战略白皮书”中指出，2015年生物质能将由目前占总能源消费量的2%左右提高到15%，其中大部分来自生物沼气、农林废弃物及能源作物的利用；到 2020年生物质燃料将替代 20%的化石燃料。德国生物质能源的发展处世界前列，生物质能源占一次性能源消费的2.3% （电力占 0.6%，供热1.4%，动力燃料0.3%），占可再生能源市场的份额超过60% 。2004年 ，交通领域能源消费中生物质能源所占份额为1.6%。2010年所占市场份额将从2004年的1.6%升到 4%，2020年和2030年将分别达到10%和18%。加拿大计划到2020年使再生能源（不计水电）特别是生物质能增加56%。预计2010年，生物质能的利用将增加14%。日本通产省已启动一项名为“新阳光工程”的新能源研究计划，主要研究植物生物量的高效转化利用；巴西实施了“乙醇能源计划”，主要是促进甘蔗燃料乙醇的生产和研究开发。
多年来我国政府非常重视新能源，把生物质能源等可再生能源的发展提高到了能源战略的高度，先后签署了《里约宣言》、《气候变化框架公约》等国际公约，在十届全国人大第四次会议通过了《国民经济和社会发展“十一五”规划纲要》，确定了可再生能源的发展目标（其中生物质能源为重要组成部分），即到2020年可再生能源（不包括传统生物质）占到能源总消费比例由 2006年的8%提高到15%，要实现这一目标，开展生物质能源产业化开发是必由之路[2]。
2 生物质能源主要转化技术[3]
各种生物质能源在利用时均需转化，由于不同生物质资源在物理化学方面的差异，转化途径各不相同，除人畜粪便的厌氧处理以及油料与含糖作物的直接提取外，多数生物质能要经过转化过程。生物质能源转换技术的研究开发工作主要包括物理、化学和生物等三大类转换技术，将可再生的生物质能源转化为洁净的高品位气体或者液体燃料，作为化石燃料的替代能源用于电力、交通运输、城市煤气等方面。生物质能源转换的方式涉及到固化、直接燃烧、气化、液化和热解等技术。其中，直接燃烧是生物质能源最早获得应用的方式。生物质的热解气化是热化学转化中最主要的一种方式。在这里我们主要讨论生物化学方法转化生物质能源技术的发展现状。
2.1 生物质水解技术 生物质制取乙醇最主要的原料是：糖液、淀粉和木质纤维素等。生物技术制备乙醇的生产过程为先将生物质碾碎，通过化学水解（一般为硫酸）或者催化酶作用将淀粉（或者纤维素、半纤维素）转化为多糖 ,再用发酵剂将糖转化为乙醇，得到的乙醇体积分数较低 5 %～15 % 的产品，蒸馏除去水分和其他一些杂质，最后浓缩的乙醇（一步蒸馏过程可得到体积分数为95 %的乙醇）冷凝得到液体。木质纤维素生物质（木材和草）的转化较为复杂，其预处理费用昂贵，需将纤维素经过几种酸的水解才能转化为糖，然后再经过发酵生产乙醇。这种化学水解转化技术能耗高，生产过程污染严重、成本高，缺乏经济竞争力。目前正开发用催化酶法水解，但是因为酶的成本高，尚处于研究阶段。
2.2 厌氧发酵技术 厌氧发酵是指在隔绝氧气的情况下，通过细菌作用进行生物质的分解。将有机废水（如制药厂废水、人畜粪便等）置于厌氧发酵罐（反应器、沼气池）内，先由厌氧发酵细菌将复杂的有机物水解并发酵为有机酸、醇、H2和CO2等产物，然后由产氢产乙酸菌将有机酸和醇类代谢为乙酸和氢，最后由产CH4菌利用已产生的乙酸和H2、CO2等形成CH4 ，可产生CH4 (体积分数为55 %～65 %)和CO2 (体积分数为30 %～40 %)气体混合物。
许多专性厌氧和兼性厌氧微生物，如丁酸梭状芽孢杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等，能利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。厌氧发酵制氢的过程是在厌氧条件下进行的，氧气的存在会抑制产氢微生物催化剂的合成与活性。由于转化细菌的高度专一性，不同菌种所能分解的底物也有所不同。因此，要实现底物的彻底分解并制取大量的氢气，应考虑不同菌种的共同培养。厌氧发酵细菌生物制氢的产率较低，能量的转化率一般只有33 %左右。为提高氢气的产率，除选育优良的耐氧菌种外，还必须开发先进的培养技术才能够使厌氧发酵有机物制氢实现大规模生产。
4生物质的生物转化技术发展趋势
4.1 非粮物质的生物转化和利用> 生物质能开发利用的原料中，除了能源植物和农作物外，生物质废弃物也是一类重要来源。“不与人争粮，不与粮争地”是发展生物质能源的
必然趋势，突破秸秆等劣质生物质资源的利用技术是根本途径。其中，利用植物纤维素资源生产燃料乙醇在技术上是可行的。2006年，中国科学院过程工程研究所与山东泽生生物技术有限公司合作，建立起了年产3000万吨的秸秆乙醇示范工程[7]。我国应该大力研发非粮食原料的生物转换，综合利用生物质资源，延长产品，提高附加值，从而真正解决生物质能源发展面临的资源紧缺和效益不佳等问题。
4.2 关键酶的改进和微生物代谢的调控> 由于纤维素酶及其作用底物的复杂性，其酶解效率远低于淀粉酶，在很大程度上影响了纤维素酶的大量生产和广泛应用。近年来，许多细菌和真菌的纤维素酶基因已经被分离提纯，特别是里氏木霉（Trichoderma> reesei）的纤维素酶基因的克隆研究最深入，并在大肠杆菌和酵母菌中成功地克隆和表达。由于酶的耐热性在生产中具有实用意义，所以耐热细菌的纤维素酶基因的克隆表达也受到了人们的关注[8]。
代谢工程的发展使微生物的底物利用范围逐渐拓宽，五碳糖、纤维素、半纤维素等的降解利用成为研究的热点。酿酒酵母（Saccharomyces> cerevisiae）是具有良好工业生产性状的乙醇生产菌株，但只能利用木质纤维素水解后产生的葡萄糖，不能利用木糖。将酿酒酵母所缺少的木糖代谢途径有关基因引入到酿酒酵母中，可以使其利用木糖进行生物转化。然而由于重组菌株发酵木糖产生的乙醇副产物较多，未进入实际应用。
4.3> 生物转化过程集成化和生物质资源的综合利用> 生物质转化产品的过程中，一般需要许多个生产环节，才能得到目的产品。生物转化过程集成化技术就是要将反应或分离步骤中的不同方法集成在一个反应器或一个工艺步骤中，简化工艺流程、提高生产效率[9]。目前，生物转化过程集成化技术的主要研究内容包括：> 1> 同步糖化水解发酵的集成；2> 构建有集成趋势的新菌种；3> 生物反应与分离过程的集成；4> 生物反应与过程模型化和控制的集成。
在生物质的生物转化过程中，往往只注重开发主发酵产品，而忽略了发酵过程的副产物的利用，如果能将这些副产物加工成高附加值产品出售，将显著提高整个发酵生产的经济效益。以秸秆的生物转化为例，经过蒸汽爆破预处理，溶于水洗液中的半纤维素可用来制取低聚木糖，得到的纤维素经过疏分机分级，长纤维用来造纸，短纤维用来发酵，发酵剩余物还可进一步转化为生物油燃料和纳米二氧化硅。（生物谷Bioon.com）
参考文献
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