生化法制备生物能源中的过程调控

第8卷第4期过程工程学报Vol.8No.42008年8月TheChineseJournalofProcessEngineeringAug.2008收稿日期：2008−07−14，修回日期：2008−07−16作者简介：王玉春(1945−)，男，吉林省舒兰市人，博士，研究员，博士生导师，从事生物化工研究，Tel:010-62561815,E-mail:ycwang45@yahoo.com.生化法制备生物能源中的过程调控王玉春1，曾建立1,2(1.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100049)摘要：对生物化学法制备生物能源过程中的过程调控进行了综述.生物化学法制备生物柴油、乙醇、氢气等生物能源易受底物、抑制物、反应条件等影响.为提高反应效率，在生物化学法制备生物能源过程中广泛采用底物预处理、反应物流加、固定化酶及细胞、减少抑制物及共培养等多种措施，对制备过程进行调控.在对现有调控总结的基础上指出，过程调控应该在全面理解分子、细胞、菌群多层次反应机理及相互关系的基础上进行全过程、多尺度的调控.关键词：生物能源；生物柴油；乙醇；氢气；生化过程；过程调控中图分类号：TQ033文献标识码：A文章编号：1009−606X(2008)04−0667−091前言生物质能是指生物体在生长过程中，直接或间接地通过光合作用将太阳能转化为化学能后固定、贮存在生物体中的所有能源.生物能源则是指生物质能经过适当处理后，能够直接使用的能源.生物质直接燃烧发电、产热是生物能源的利用形式之一.在这种利用形式下，生物质不需要经过复杂的转化，只需要进行适当的压缩成型，提高能量密度即可[1].除燃烧发电之外的其他利用形式，例如用作内燃机燃料等，就需要将生物质能从其原始状态转化成其他能源形式.以生物质为原料制备的生物能源有焦炭、生物油、生物柴油、乙醇、甲醇、二甲醚、氢气、沼气、合成气等[2].焦炭、生物油能量密度很高，便于运输，是优良的燃料，生物油经适当反应还可转化成相应的烃和醇用作汽油或柴油；生物柴油、乙醇、甲醇、二甲醚等液体燃料可直接取代部分石化柴油或汽油，用作各种车辆的燃料；氢气是一种极具发展潜力的清洁能源；沼气、合成气除用作燃料产热发电外，也是制备烃、醇等的原料.生物能源形态各异，从生物质制备生物能源的方法也较多，如通过热化学法可以制备焦炭、生物油、合成气、氢气甚至甲醇、乙醇、二甲醚等[3]；以酸、碱或酶为催化剂可以制备生物柴油[4]；通过发酵则可以制备乙醇、氢气、沼气等[5].归纳起来，这些制备生物能源的方法分两大类，即纯化学法(没有酶和生物体催化的过程)和生物化学法(酶或生物体催化的转化过程).生物化学法制备生物能源一般具有反应条件温和、能耗和水耗低、污染小等优点，是目前生物能源制备研究的重点.本文重点介绍了生化法制备生物能源的过程特点及制备过程中的过程调控，以期为生物法制备生物能源提供参考.2生物柴油生物柴油是甘油三酸酯(或脂肪酸)与甲醇、乙醇等低碳醇发生转酯化(或酯化)反应所生成的脂肪酸酯类物质.转酯化(或酯化)反应可以在酸、碱或酶催化下进行，在超临界条件下无需催化剂也能自发进行，表1列举了制备生物柴油的几种方法.表1生物柴油制备方法Table1PreparationmethodsofbiodieselMethodDescriptionCharacteristicRef.AcidcatalysisAcidcatalyst,excessivemethanol,65∼250℃,3∼5hreactiontimeSuitableformostfeedstocks,lowefficiency,acid-resistantreactornecessary,andpollutedliquiddischarge[6]AlkalicatalysisAlkalicatalyst,excessivemethanol,25∼250℃,0.5∼2hreactiontimeEffective,onlyforrefinedoil,andpollutedliquiddischarge[7]SupercriticalreactionWithoutcatalyst,elevatedtemperature(≥300℃)andpressure(≥10MPa),veryexcessivemethanol,1∼15minreactiontimeSuitableformostfeedstocks,effective,specialequipmentnecessary,andhighenergyconsumption[8,9]EnzymecatalysisEnzymecatalyst,normaltemperatureandpressure