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生物能源:新工业革命

发布时间:2016-10-10 点击量:2871

能源问题从未像现在这样紧迫,化石燃料来源枯竭正在逐渐逼近,石油价格普遍上扬,化石燃料残余物排放引发的温室效应也让人忧心忡忡。回望历史,大规模使用新能源曾直接引发了*和第二次工业革命,使人类先后进入“蒸汽时代”和“电力时代”。现在历史是否又到了一个相似的十字路口呢? 

生物能源可能是一个未来的主要选择。尽管将生物有机质转化为燃料的构想早在内燃机诞生之日就有了,围绕生物燃料的各种探索也从未间断过。但直到现在,生物能源的应用才有了广泛的实践,相关技术也开始日益成熟。

乙醇是目前应用广泛的生物能源

乙醇是生物发酵的产物,也是目前应用*广泛的生物能源。现有技术可以让它转化为氢气,整个反应只需50毫秒,因此被用来制作氢电池,但目前乙醇主要还是被作为燃料应用。

早在1908年,美国人就设计并制造出了使用纯乙醇的汽车,但在汽油中混合乙醇则始于20世纪30年代。70年代第二次石油危机之后,世界各国为减少对石油的依赖,纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领跑者是美国和巴西,巴西更是在全国范围内使用乙醇汽油的国度。

美国生产乙醇的主要原料是玉米淀粉,主要使用的乙醇汽油是E85,由85%的乙醇和15%的汽油混合而成。2005年美国参议院更进一步通过了一项能源法案,明确要求2005-2012年期间,石油供应商每年应当添加80亿加仑的乙醇到汽油中。巴西生产乙醇的主要原料是甘蔗,汽油中乙醇含量为20%~25%。

我国也极为重视乙醇汽油的发展。早在“八五”期间,由交通部领衔的各科研机构就系统研究了乙醇汽油的性能,石油企业也进行了22%乙醇汽油和5%乙醇柴油的运营实践。2001年,郑州、洛阳和南阳成为推广乙醇汽油的试点城市,2004年又扩展到东北、华北、华中和华东的10个省份。目前,已制订了“变性燃料乙醇”和“车用乙醇汽油”两个我国标准,用以规范乙醇汽油市场。中石油和中石化也制订了一系列企业标准,为企业提供了技术规范方面的支持。

生物能源仍面临诸多问题

推广使用生物乙醇可以缓解石油紧缺和环境污染的压力,也是推动农业产业化的一个新途径。但生物能源要大规模地推广并*终完全替代石油,还存在着许多障碍。阻力主要来自传统能源企业。因为除了更新技术设备需要耗费不菲的成本之外,花费在现有设施上的已支付成本耗费也是一个沉重的负担,这包括更新现有的内燃机、为聚合材料工业寻找新的原料以替代石油产品等等。但更重要的是,生物能源长期以粮食作物为原料,极有可能影响到正常的粮食供应。

来自美国康奈尔大学和加州大学伯克利分校的研究人员指出:使用玉米、黄豆和其它一些农作物来生产乙醇和生物柴油是得不偿失的,因为生产所需的能源大于生物燃料产品提供的能源。但美国农业部和国立农业科学实验室的科学家们却提出截然相反的意见。造成这种分歧的原因可能是双方在研究中对于生产中能源损耗的测量标准和方法不同。

油价也是发展生物能源必须要考虑的因素。目前生物能源所引发的关注很大程度上是由于油价的上涨,而油价并不一定长期维持在高水平。比如上世纪80年代的石油危机中,油价在持续了3年的高水平之后出人意料的下降。如果油价下降,生物燃料价格的竞争性必将受到冲击,因此开发出更有效率的生物燃料生产工艺是未来一个明确的努力方向。

生物技术适时登场 

以上困难为生物技术的运用提供了广阔的舞台,也推动了生物技术日新月异的发展,以木质纤维作物为原材料的技术就是一个典型的例子。木质纤维的来源是回收的废纸、树木或秸秆,其成分是纤维素、半纤维素和木质素,其中对我们有用的是纤维素。目前可以降低木质素的比例或改变其构成的基因技术已经被开发出来。还有一些技术可以让玉米秸秆自身产生微生物木质素酶,从而在生物提炼之前分解木质素。此外,让植物产生纤维素酶,降解自身的纤维素也是一种提高提炼效率的途径,这种技术也日渐成熟。

生物技术还有一个努力的方向是增加植物所含有可转化为能量的物质,即总体生物量(biomass)。这有3种可采用的方式:操控调节植物生长的因素、提高植物光合作用的效率、延迟或避免植物开花,以便节省能量开支用于生长。

通常植物的光合作用只吸收转化了不到2%的太阳光能,这是因为植物体内还进行着一个与之竞争二氧化碳的氧化反应,导致光合作用转化效率低下。但如果运用转基因技术,把来源于蓝细菌的无机碳运输蛋白基因添加到植物基因组中,则会让光合作用更有效率。

操控调节植物氮代谢的基因也是增加生物量的重要途径,一项关于转基因白杨树的研究表明,带有谷胺合成酶基因的白杨树平均高度是普通白杨树的141%。此外植物遗传学家们还把目光投向树木的结构,试图通过设计合理的树冠和树叶结构,大限度地吸收光能。同时减少树根的延展,增加地面以上部分的生物量。

微生物学家也为生物技术的发展做出了巨大贡献。他们试图培养出能发酵所有常见糖类(如葡萄糖、木糖和甘露糖等)的微生物。目前他们已经发现了几种发酵能力出众的细菌,但可惜的是它们都没有酵母菌那样强的耐受能力,不能在苛刻的工业生产环境中高效工作。于是有些科学家转而研究酵母菌,希望能让酵母菌具备转化葡萄糖和木糖并产生乙醇的能力,但想培养出这样的“超级酵母”尚须时日。

生物技术除了在应对粮食安全问题方面取得重大进展之外,在降低生物能源的生产成本、提高生物能源生产效率和替代石油衍生产品方面也取得了巨大的成就。运用生物精炼工艺可以提炼出生物量中的香精、调料和可用于医疗保健的营养物质。残余的生物量可以被分解后做成生物材料,目前广受关注的聚交酯酸就是来源于生物材料的塑料,它安全环保且可水解降解,因此被广泛应用于食品包装和服装制造。一些生物材料还可以替代现有的化工原料,免除了石油衍生材料所需的昂贵的氧化处理步骤。

生物能源替代传统化石能源是正在发生的历史,它以生物技术为核心,牵涉到每一个地区、每一个人,很有可能引发一场新的“工业革命”。但与以往历次重大变革不同,生物能源所引发的改变不能立竿见影地让终端用户得到实惠。使用乙醇的汽车也许不会比使用传统汽油的汽车速度更快,不会再现以往工业革命的一些压倒性优势,比如蒸汽机车和马车、内燃机车和蒸汽机车速度上的巨大差异。但它的优势在于可持续发展,在于会引发全球性的技术变革,必将重塑国际关系格局。


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