生物技術(shù)與能源姓名：XXX目錄CONTENTS生物柴油02微生物燃料電池06生物乙醇04國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀01生物沼氣05

生物制氫03

4生物乙醇生物乙醇一、生物乙醇行業(yè)研究現(xiàn)背景煤炭、石油等能源的日益枯竭；環(huán)境污染日益嚴(yán)重以及全球氣候的改變；石油替代能源的開發(fā)生物燃料乙醇的開發(fā)受到關(guān)注和重視。石油價(jià)格大幅波動(dòng)，再次將開發(fā)生物能源推到前沿陣地。生物乙醇甲基叔丁基醚生物燃料乙醇優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)成本低、辛烷值高無鉛、無污染。幫助汽油完全燃燒，減輕污染；原料來源廣泛缺點(diǎn)神經(jīng)性毒物、致癌；高水溶性，污染水源；不易被微生物分解；成本較高汽油添加劑：甲基叔丁基醚生物燃料乙醇生物乙醇未來我國汽車汽油保有量將保持7%~9%左右的速度增長，到2023年我國生物燃料乙醇的市場需求約為1700萬噸左右，缺口將到達(dá)1500萬噸。以中國企業(yè)目前的產(chǎn)能來看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來國內(nèi)對(duì)燃料乙醇的需求，燃料乙醇裝置產(chǎn)能擴(kuò)張不可防止。二、生物乙醇行業(yè)研究現(xiàn)狀美國歐盟中國玉米——乙醇汽油生產(chǎn)原料為甜菜和小麥等作物生物燃料乙醇的研究和發(fā)展上還有待進(jìn)一步提高。21世紀(jì)初，“十五”計(jì)劃綱要明確將生物乙醇產(chǎn)業(yè)作為一項(xiàng)改善民生、改善環(huán)境的重要項(xiàng)目，國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批生物燃料乙醇的科技公司，生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用范圍也在進(jìn)一步擴(kuò)大。現(xiàn)階段生物燃料乙醇的研究重心轉(zhuǎn)移到以纖維素等為原料的生產(chǎn)工藝中。2007年，歐洲國家推出能源政策，計(jì)劃將生物燃料混合汽油的使用的市場占有率提升到10%。國際上成熟的乙醇路線是六糖路線，但存在較為嚴(yán)重的原料供給瓶頸。纖維素(五糖)路線是燃料乙醇開展的最終路線，但目前缺乏高效五糖轉(zhuǎn)化菌種以及纖維素酶高效生產(chǎn)工程化技術(shù)。燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)：六糖路線原料主要為經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，分淀粉類作物和糖類作物；五糖路線原料為秸稈等纖維素，經(jīng)降解和發(fā)酵產(chǎn)生木糖，進(jìn)而生產(chǎn)乙醇。三、制造生物乙醇原理六糖路線：主要以玉米、小麥或甘蔗、甜高粱等為原料。管囊酵母乙醇釀酒酵母纖維素酶（糖化）水解殘?jiān)庖毫姿崴馓鸶吡恢泻蜐饪s三、制造生物乙醇原理過程：主要包括預(yù)處理、糖化、發(fā)酵等；優(yōu)點(diǎn)：形成了根本上封閉的碳循環(huán)，沒有二氧化碳凈排放，有利于減輕溫室效應(yīng)；五糖路線：木質(zhì)纖維素〔硬木、軟木、秸稈、甘蔗渣和樹皮〕生產(chǎn)燃料乙醇。河南省是全國糧食主產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量全國第三位，年產(chǎn)約4250萬噸，僅陳化糧160萬噸。南陽市是河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，全市糧食產(chǎn)量500萬噸左右，并還有不在糧食方案范圍的薯干100萬噸以上，原料來源充足。四、實(shí)際工程應(yīng)用案例一：河南天冠集團(tuán)在燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)上，擁有目前全國最大的20萬噸生產(chǎn)裝置〔目前，國內(nèi)無水酒精都是1-5000噸小裝置，許多廠家實(shí)際上只是最近才在實(shí)驗(yàn)裝置上接觸無水酒精〕，并且擁有目前國際最先進(jìn)的低本錢脫水技術(shù)〔通過組團(tuán)對(duì)美考察也可得以驗(yàn)證〕四、實(shí)際工程應(yīng)用案例一：河南天冠集團(tuán)四、實(shí)際工程應(yīng)用案例一：河南天冠集團(tuán)四、實(shí)際工程應(yīng)用案例二：山東龍力生物科技公司從2005年開始研發(fā)纖維素燃料乙醇的生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過多年不懈努力，在產(chǎn)品研發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生物質(zhì)綜合利用、產(chǎn)業(yè)集群和地域、生產(chǎn)技術(shù)等方面取得了明顯的競爭優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了纖維素燃料乙醇規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，被國家發(fā)改委列入“高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程〞，獲得2023年國家技術(shù)創(chuàng)造獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。四、實(shí)際工程應(yīng)用工藝流程圖酶解發(fā)酵添加金屬腐蝕抑制劑、2%-5%的汽油混配四、實(shí)際工程應(yīng)用我國燃料乙醇的工業(yè)開展現(xiàn)狀代次第1代燃料乙醇第1.5代燃料乙醇第2代燃料乙醇產(chǎn)品糧食乙醇非糧乙醇纖維素乙醇原料玉米、小麥木薯、紅薯、甜高粱農(nóng)產(chǎn)品廢棄物林產(chǎn)廢棄物核心技術(shù)將淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，然后發(fā)酵制取乙醇將淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖或直接將可發(fā)酵糖類發(fā)酵原材料預(yù)處理；高效纖維素酶制取；將纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖；糖化發(fā)酵制取乙醇的工藝。優(yōu)點(diǎn)工藝簡單成熟工藝相對(duì)成熟不與人畜爭糧、不與糧林爭地、資源豐富缺點(diǎn)與人畜爭糧，資源有限與糧林爭地、資源有限目前尚未普及從2023

年到2023

年，在宏觀政策調(diào)控下我國玉米價(jià)格指數(shù)一直居高不下，這也導(dǎo)致糧食乙醇企業(yè)只能依靠國家財(cái)政補(bǔ)貼才能維持生存，而從2023

年開始，財(cái)政部下達(dá)通知要求下調(diào)對(duì)燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的財(cái)政補(bǔ)貼。G1、G1.5、G2

代生物質(zhì)燃料乙醇的補(bǔ)貼均有所下調(diào)，糧食燃料乙醇更是從2005

年的1883

元/噸降至2023

年的無補(bǔ)貼；以木薯為原料的非糧乙醇也會(huì)在2023

年被取消財(cái)政補(bǔ)貼，而纖維素乙醇的補(bǔ)貼雖未全部取消，但下滑至600

元/噸，未來也處于觀望狀態(tài)。四、實(shí)際工程應(yīng)用五、優(yōu)點(diǎn)及研究開展趨勢(shì)生物乙醇汽油的應(yīng)用能夠使汽油充分燃燒，減少汽車尾氣中CO的排放;乙醇的辛烷值高;在生產(chǎn)過程中使用的是有機(jī)纖維素、植物等，這些作物在成長過程中吸收大氣中的CO2等有毒有害氣體，相對(duì)于其他礦物原料例如石油和煤炭等CO2凈排放者，生物乙醇的生產(chǎn)過程是一個(gè)環(huán)境友好的循環(huán)系統(tǒng)。(一)減少有毒有害氣體排放，利于環(huán)境保護(hù)石油被稱為“工業(yè)的血液〞，作為一種不可再生的能源，其被廣泛應(yīng)用于化工、建筑、醫(yī)藥、汽車等行業(yè)，新型可替代能源的應(yīng)用就十分重要，生物乙醇的生產(chǎn)是依靠自然界的有機(jī)生物，主要是植物，通過不斷的種植，可以實(shí)現(xiàn)可循環(huán)使用，第二代、第三代生物乙醇生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，將原有當(dāng)做廢物處理的莊稼的秸稈、麻類、農(nóng)作物的邊角余料等作為原料，使生物乙醇的循環(huán)使用性日漸增強(qiáng)。(二)替代傳統(tǒng)能源模式，利于持續(xù)開展第一代生物乙醇是以玉米為原料，伴隨生物乙醇行業(yè)的興盛，人們也漸漸產(chǎn)生了分歧，主要原因在于，世界上很多人還處于饑餓的狀態(tài)，如果仍舊大規(guī)模地開展生物乙醇工業(yè)，將產(chǎn)生與民爭糧的情況。因此，以玉米為原料的生物乙醇生產(chǎn)工程陸續(xù)被淘汰。第二代生物乙醇是以麥稈、玉米稈等原料生產(chǎn)乙醇，減少與人爭糧、與人爭土地的問題，科學(xué)家們將“超級(jí)酵母菌〞應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。第三代生物乙醇以海藻為原料，這樣既不需要占用僅有的土地，也不需要淡水資源，該研究現(xiàn)階段正處于實(shí)驗(yàn)室階段，我國在這方面也投入了較大的精力，仍處于研發(fā)階段。(三)開展新型產(chǎn)業(yè)模式，利于糧食平安

5生物沼氣生物燃?xì)猓卜Q生物天然氣，是指從生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來的燃?xì)猓ㄕ託狻⒑铣蓺夂蜌錃狻Ｄ壳爸挥姓託饩哂斜惧X優(yōu)勢(shì)，所以一般所說的生物燃?xì)庵饕侵刚託狻Ｉ镎託?/p>

任何有機(jī)物在無氧條件下，都可發(fā)生微生物厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生沼氣，再經(jīng)過凈化和提純，就成為與常規(guī)天然氣完全同質(zhì)的生物天然氣，又稱生物甲烷。一、生物沼氣研究現(xiàn)背景據(jù)國際能源署統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，化石能源目前仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，并且占據(jù)總能源耗量的80%。然而，化石能源的過度使用會(huì)造成溫室效應(yīng)、酸雨、水體污染等嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，為了滿足全球的能源需求同時(shí)又不增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，生物質(zhì)為代表可再生能源獲得了世界各國的青睞。技術(shù)相對(duì)成熟、設(shè)備簡單;相比液體燃料，生物沼氣具有易壓縮儲(chǔ)存、平安性較高的優(yōu)點(diǎn);生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)兼具節(jié)能與減排的雙重意義.

生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的生物燃料主要包括生物乙醇、生物柴油及生物沼氣等。其中，通過微生物細(xì)菌的厭氧發(fā)酵方式生產(chǎn)生物沼氣技術(shù)具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì):〔一〕國內(nèi)沼氣工程開展現(xiàn)狀二、生物沼氣行業(yè)研究現(xiàn)狀中國的生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)沼氣技術(shù)己擁有多年的開展歷史：上世紀(jì)50年代開始推廣用戶規(guī)模的沼氣集中供熱技術(shù)；90年代引入了歐洲先進(jìn)的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，建立了假設(shè)干畜禽養(yǎng)殖場為依托的大中型沼氣工程；到了2000年，保障了用戶沼氣工程的順利投產(chǎn)，開創(chuàng)了沼氣開展的新階段。中國總的政府補(bǔ)貼和用戶沼氣工程數(shù)量發(fā)酵原料多農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵工藝中溫濕法發(fā)酵缺陷及現(xiàn)狀容積產(chǎn)氣率普遍不高；受周圍環(huán)境的影響較大，導(dǎo)致在冬季時(shí)由于溫度過低而停止產(chǎn)氣；沼氣的發(fā)酵速率低，導(dǎo)致設(shè)備投資巨大，運(yùn)行效率低下，投資回收期長。與國內(nèi)的戶用中小型沼氣工程數(shù)量相比，國外的沼氣工程大多以規(guī)模化的大中型城市有機(jī)垃圾、污水污泥等厭氧沼氣工程為主，技術(shù)己經(jīng)較為成熟且發(fā)酵液中的固體濃度較高，通常高于15%，屬于半干法發(fā)酵范疇。。〔二〕國外沼氣工程開展現(xiàn)狀二、生物沼氣行業(yè)研究現(xiàn)狀瑞典美國發(fā)酵方式：高溫發(fā)酵利用：沼氣作為車用燃料技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ託夤こ痰难芯扛⒅赜诨A(chǔ)研究，而相應(yīng)的工程應(yīng)用的研究較少，偏重于新技術(shù)的研發(fā)。三、生物沼氣系統(tǒng)從生物質(zhì)收集儲(chǔ)運(yùn)到產(chǎn)品及沼液沼渣資源化利用的生物沼氣整個(gè)系統(tǒng)的邊界。該生物沼氣厭氧發(fā)酵系統(tǒng)考慮了多種發(fā)酵原料、多個(gè)單元過程如；收集預(yù)處理、厭氧發(fā)酵、沼氣的利用及沼液沼渣的處理。其中沼氣的利用方式也考慮了并網(wǎng)、車用燃料及燃料電池等，而對(duì)沼液沼渣那么考慮了堆肥處理。三、生物沼氣系統(tǒng)生物處理法：主要分為厭氧及好氧處理法，通常是通過生物酶的作用實(shí)現(xiàn)。物理處理法：通過球磨機(jī)及切割機(jī)等機(jī)械設(shè)備對(duì)秸稈進(jìn)行物理破碎處理、壓塊處理等方式。化學(xué)處理學(xué)：采用酸、堿以及新型溶劑對(duì)纖維素進(jìn)行破壁處理，以提高其在厭氧發(fā)酵過程中的降解性能，保證獲得更高的甲烷產(chǎn)氣率。沼氣沼渣處理沼氣利用厭氧發(fā)酵生物質(zhì)預(yù)處理生物質(zhì)的收集與儲(chǔ)運(yùn)三、生物沼氣系統(tǒng)通過調(diào)控一系列影響因素：發(fā)酵原料的種類、厭氧發(fā)酵級(jí)數(shù)、溫度、固含量、碳氮比C/N、水力停留時(shí)間、接種物的量等來獲得優(yōu)化的沼氣及甲烷的產(chǎn)氣率。沼氣沼渣處理沼氣利用厭氧發(fā)酵生物質(zhì)預(yù)處理生物質(zhì)的收集與儲(chǔ)運(yùn)三、生物沼氣系統(tǒng)作為燃料用作固體燃料電池通過燃?xì)獍l(fā)電并產(chǎn)生熱量通過鍋爐的燃燒對(duì)用戶進(jìn)行供熱沼氣沼渣處理沼氣利用厭氧發(fā)酵生物質(zhì)預(yù)處理生物質(zhì)的收集與儲(chǔ)運(yùn)通過提純方式用作車用燃料或并入天然氣管網(wǎng)三、生物沼氣系統(tǒng)生物沼氣的利用四、生物沼氣的應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，2023至2023年間報(bào)廢的沼氣工程共10082處，以2007年末的沼氣工程為基數(shù)的報(bào)廢率為38%。從數(shù)量來看，沿海地區(qū)沼氣工程報(bào)廢數(shù)量大，其次為中部地區(qū)。因此，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來看，我國的沼氣工程的沼氣容積產(chǎn)氣率較低，保溫條件較差導(dǎo)致產(chǎn)氣不穩(wěn)定易受季節(jié)氣候影響，自動(dòng)化控制程度較低，此外，相應(yīng)的政策及配套的法律法規(guī)尚不完善，導(dǎo)致生物沼氣產(chǎn)業(yè)化的入不敷出，其規(guī)模化利用依然任重道遠(yuǎn)。四、生物沼氣的應(yīng)用沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣固體燃料電池沼氣提純制備生物甲烷主要是通過凈化和提純兩個(gè)步驟，凈化是去除沼氣中微量的有害組分，提純是去除沼氣中的二氧化碳，以提高燃?xì)獾倪m應(yīng)性和熱值。一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。四、生物沼氣的應(yīng)用沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣固體燃料電池沼氣提純制備生物甲烷就系統(tǒng)的能量效率而言，三種不同沼氣利用方式系統(tǒng)的能效大小為：沼氣提純＞沼氣SOFCs＞沼氣CHP。就系統(tǒng)綠色度變化量而言，三種不同沼氣利用方式系統(tǒng)的綠色度變化量大小為：沼氣SOFCs＞沼氣CHP＞沼氣提純。就系統(tǒng)的投資回收期而言，三種不同沼氣利用方式系統(tǒng)的投資回收期長短為沼氣CHP＞沼氣SOFCs＞沼氣提純。

三種評(píng)價(jià)指標(biāo)之間是一種權(quán)衡的關(guān)系，對(duì)沼氣提純利用方式，雖然系統(tǒng)的能效商和投資回收期短，但這是以犧牲環(huán)境綠色度為代價(jià)的。而對(duì)于沼氣SOFCs利用方式，雖然系統(tǒng)的綠色度的變化量較沼氣提純方式高，但是能效和經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。四、生物沼氣的應(yīng)用三種不同沼氣利用方式下系統(tǒng)的環(huán)境、能量及經(jīng)濟(jì)綜合比較四、生物沼氣的應(yīng)用杭州新能源環(huán)保四、生物沼氣的應(yīng)用公司從一開始就擬定采用厭氧沼氣工藝處理餐廚垃圾，產(chǎn)生沼氣用于發(fā)電或作燃料，沼渣沼液做成高效肥料。

6微生物燃料電池在1910年，學(xué)者發(fā)現(xiàn)將鉑電極放在大腸桿菌和酵母菌的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生電流，由此拉開了微生物燃料電池研究的序幕。生物技術(shù)產(chǎn)電能——微生物燃料電池微生物燃料電池(microbialfuelcell，MFC)是近年來剛剛興起的一種綠色產(chǎn)能技術(shù)，它以微生物作為催化劑，直接將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。這一現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)并未引起關(guān)注，至此微生物燃料電池的研究在很長一段時(shí)間內(nèi)停滯不前2002年后，人們發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌可以直接將電子傳遞給固體導(dǎo)體，如陽極，由此提出了無需外加電子傳遞介體的微生物燃料電池，使微生物燃料電池的研究又進(jìn)一步有了突飛猛進(jìn)地開展。20世紀(jì)80年代末期，采用電子傳遞介體的微生物燃料電池的研究全面開展。介體比較昂貴且局部具有一定的毒性，限制了微生物燃料電池的飛躍開展。MFC的原理微生物燃料電池示意圖MFC的產(chǎn)電性能根據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，以乙酸鹽為底物、氧氣為電子受體的MFC系統(tǒng)，最大理論電壓值為1.105V。目前，MFC能到達(dá)的開路電壓值與傳統(tǒng)燃料電池相近，但輸出功率水平仍然較低，使得MFC的研究大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還不能得到大規(guī)模應(yīng)用。影響因素：MFC的產(chǎn)電效果主要取決于電子的傳遞速率。MFC的產(chǎn)電性能微生物對(duì)底物的氧化；電子從微生物到電極的傳遞；外電路的負(fù)載電阻；向陰極提供質(zhì)子的過程；氧氣的供給和陰極的反響。影響電子傳遞速率的主要因素有：具體影響因素：產(chǎn)電菌種、反響器構(gòu)型、電極材料、底物類型等。優(yōu)點(diǎn)：在微生物的催化下，生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能，理論轉(zhuǎn)化效率高;生物質(zhì)廉價(jià)且來源廣泛，無需特殊的預(yù)處理過程;使用微生物取代貴金屬催化劑降低了燃料電池的根底投資，使建造廉價(jià)的大規(guī)模MFC成為可能;常溫常壓pH中性條件下運(yùn)行，生物相容性好;產(chǎn)物無毒無害，是碳中性的綠色產(chǎn)能技術(shù)。MFC的開展的制約因素人們將MFC由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大時(shí)，功率密度大規(guī)模降低。考慮到實(shí)際應(yīng)用，在構(gòu)型設(shè)計(jì)、電極材料選擇等方面還存在很多問題，MF