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篇1

【關鍵詞】微生物燃料電池，研究，應用

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。

一、作用原理

參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種：（1） 微生物將氧化還原反應產生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極；（2）介體能進入到微生物體內，參加反應被還原，從微生物體內出來后再將電子傳遞給電極；（3） 微生物吸附在電極表面，它將反應產生的電子傳遞給在細胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。

二、研究目的和意義

目前，我國工業化進程發展迅速。在工業化快速推進過程中，對能源的需求和依賴日益增長。然而，目前支撐著工業和經濟發展的化石燃料已經難以為繼。因此，發展新能源和可再生能源，減少對國際石油市場的依賴，已經成為我國重要的戰略性布局。微生物電池不僅用于產生清潔能源，還能凈化污水。污水處理費時費錢還消耗大量能量，基本是個只投入不產出的行業，也是讓各國政府頭疼的一大難題。因此，又能凈化水質，又能發電的微生物燃料電池一旦出現，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產業。微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）是一種以產電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。雖然目前已發現很多產電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產生從而有利于電能輸出，而且堿性廢水是工業廢水的重要組成部分。產電微生物如何將有機物代謝產生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產電機制對MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國科學院成都生物研究所應用與環境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。

三、研究內容與方法：

1、微生物燃料電池的菌種群落的培養

產電細菌是微生物燃料電池的核心構件。產電細菌的電化學活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對于微生物燃料電池中的微生物， 不論是自身具有電化學活性，還是進行種間電子傳遞，對于它們構成的生物群落的研究剛剛開始。本項目將依托舟山地區得天獨厚的自然地理環境和豐富的微生物群落，通過對海底沉積物的選取和以及細菌培養，以期能夠發現新型產電細菌，提高海底微生物燃料電池的功率密度， 并研究其產電機理。

2、海洋沉積物微生物燃料電池系統的設計和優化

微生物燃料電池系統主要包括三個要素：陽極，陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環境中，海水中含有高濃度的鹽分，工作環境惡劣，這將對海洋沉積物燃料電池的構件提出了更高的要求。另外，微生物燃料電池的造價也會直接影響微生物燃料電池的實用化進程。在微生物燃料電池的使用中，一般使用氧氣做電子受體，碳擔載的貴金屬納米粒子（Pt）作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用，提高了微生物燃料電池的成本，并且，海水中的氯離子會對Pt催化劑產生毒化作用，這將會造成微生物燃料電池的效率損失。因此，本項目將設計一種新型的微生物燃料電池系統，采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物，利用水離解產生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質，隔絕海水中氯離子對陰極催化劑的毒化作用這是本項目的技術關鍵。

四、研究目標與結果

第一部分為對原有燃料電池的改造：本實驗室原有燃料電池反應器多個，但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細菌，需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長的密閉培養室。

第二部分為培育和優化產電菌種群落：本項目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物，在燃料電池細菌培養室內培養，啟動并測試微生物燃料電池的功率密度，以期能夠得到高功率，非硫還原的產電菌種。

篇2

【關鍵詞】生物降解；天然；高分子；藥物緩釋

近年來，高分子材料被越來越多地應用于生物醫藥領域，其中尤以可生物降解高分子材料最為引人關注。這類材料不僅具備可生物降解性和生物相容性，還能在體內降解成小分子化合物，從而被基體代謝、吸收或排泄，對人體無毒副作用[1]。生物降解高分子材料被廣泛用于藥物緩釋載體、醫用手術縫合線、骨內固定材料、組織工程材料等，其中尤以用作藥物緩釋載體的研究最為廣泛而深入。

藥物緩釋就是將小分子藥物與高分子載體以物理或化學方法結合，在體內通過擴散、滲透等方式，將小分子藥物以適當的濃度持續的釋放出來。藥物緩釋體系有利于提高藥物療效、降低毒副作用，使藥物能在指定時間內按預定的速度釋放到指定的部位，使藥物在體內能夠保持有效濃度，減小或消除副作用[2]。目前，用于充當藥物緩釋載體的生物降解高分子材料主要包括天然高分子與合成高分子兩大類。本文主要綜述了天然生物降解高分子材料在藥物緩釋領域的應用，并將其分為以下幾類：

1、蛋白質類

（1）絲素蛋白

絲素蛋白是一種源于蠶絲的天然高分子材料，其性質穩定、無毒、廉價易得，具有良好的生物降解性和生物相容性。目前，絲素蛋白作為藥物緩釋載體的研究主要集中于絲素微球、絲素凝膠以及絲素膜三類。

絲素蛋白與其他天然高分子材料可以復合制得緩釋微球/微囊。韓龍龍等[3]研究了絲素蛋白-海藻酸鹽緩釋微膠囊的結構和釋藥性能。研究發現，復合微囊中的絲素蛋白與海藻酸鹽分子間有靜電和氫鍵作用，交聯劑戊二醛對微囊外層的絲素蛋白也有交聯固化作用，使得絲素蛋白與藥物間的物理交聯作用加強，藥物包封率提高。

水凝膠藥物釋放系統中，藥物通常以包埋或吸附的方式固定在凝膠中。當環境（如溫度、pH值或離子強度等）改變時，凝膠表面的孔洞變大，藥物便能從孔洞中釋放出來[4]。盧敏等[5]制備出具有交聯結構的絲素蛋白/聚氨酯（SF/PU）水凝膠。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到SF/PU水凝膠具有多孔結構，藥物釋放時間達到10h以上。馬曉曄等[6]通過自由基聚合的方法合成制備了自膨脹PAAS-SF semi-IPN水凝膠（聚丙烯酸鈉-絲素半互穿網絡水凝膠），發現隨著水凝膠中絲素蛋白含量的增加，凝膠的膨脹率增大，壓縮強度減小，藥物釋放速率加快。

絲素蛋白膜是一種多孔網狀結構的天然聚氨基酸膜。吳莉[7]以鹽酸利多卡因為模型藥物，絲素蛋白為膜材，制備了鹽酸利多卡因絲素蛋白雙層膜。實驗證明，雙層絲素膜比單層膜有更明顯的緩釋作用。陳建勇等[8]研究認為離子化藥物在絲素膜上的滲透性對外部溶液的pH值有良好的響應性能。當絲素膜荷電與藥物離子荷電不同時，藥物的滲透速度變慢；當絲素膜的荷電與藥物荷電相同時，藥物的透過速度加快。因此，可將絲素膜制成藥物滲透速度調控膜。

（2）膠原

膠原是人體內含量最豐富的蛋白質，膠原具有生物相容性和弱的免疫原性，并且具有高度親水性、透氧性等優點，因此是優良的藥物載體。膠原膜可解決非水溶性藥物的局部給藥問題，可將非水溶性藥物顆粒均勻分散在膠原基質中，制成混合藥膜。

廖紅勝等[9]制備了納米羥基磷灰石/膠原材料復合硫酸慶大霉素緩釋系統（nano-HA/C-GM-DDS），并觀察其體內釋藥效力。研究證實，nano-HA/C-GM-DDS在體內有較好的緩慢釋放效應，是一種較好的治療骨組織感染的生物材料。梁興宇等[10]采用煅燒掛漿法制備了膠原緩釋微球復合硫酸鈣/凍干骨支架，并且研究該種植體的細胞相容性。結果發現，制得的支架能促進成骨細胞的生長，并且發現細胞有向空隙內部長入的趨勢，經過表面修飾后的支架較原來的細胞相容性有了明顯提高。

（3）纖維蛋白

纖維蛋白粘合劑是由多種血漿蛋白成分組成的一種復合制劑，其主要成分為纖維蛋白原/ 凝血Ⅷ因子（主體膠）和凝血酶（催化劑），經過簡單處理后便可形成纖維蛋白凝膠。該凝膠為三維網狀結構，網眼可以形成儲藥庫，將治療用的藥物包合在凝膠內[11]。隨著凝膠被逐漸吸收和降解，藥物便可緩慢釋放，從而產生理想的藥物定向緩釋作用。

張宏偉等[12]探討了在大鼠坐骨神經損傷后，局部應用纖維蛋白凝膠（FG）-他克莫司（FK506）藥物緩釋系統對神經再生的影響。研究證明，FG-FK506藥物緩釋系統在大鼠坐骨神經再生中起到明顯促進作用。Kawasaki等[13]在生物膠緩釋作用的體外實驗中發現，膠內所含抗腫瘤藥物的釋放與膠內外藥物的濃度差密切相關。白波等[14]認為纖維蛋白凝膠的濃度及含水量對藥物的釋放有影響，凝膠濃度過高，則網孔越致密，藥物貯存效果降低，影響藥物的釋放速度和時間。

2、殼聚糖類

殼聚糖是一種天然的生物高分子線形多糖，其廣泛存在于低等植物菌類、藻類的細胞，節肢動物蝦、蟹、昆蟲的外殼，貝類、軟體動物的外殼中，是地球上僅次于植物纖維的第二大生物資源。殼聚糖具有良好的生物相容性、降解性、低毒性，在藥物載體方面得到大量的應用與研究。目前，殼聚糖緩釋體系主要分為：殼聚糖微球、殼聚糖納米粒子、殼聚糖緩釋膜、殼聚糖緩釋凝膠四種類型。

曲鳳華等[15]采用乳化-化學交聯法制備殼聚糖微球及殼聚糖-明膠復合物微球。在對殼聚糖藥物緩釋的研究基礎上，對殼聚糖復合明膠后，對藥物緩釋的影響情況進行了研究探索，研制出阿司匹林殼聚糖-明膠微球，為阿司匹林提供了一種理想的緩釋載體。吳永軍[16]用紅色無定形納米硒，輔以殼聚糖、玉米淀粉，合成出了納米硒-殼聚糖復合顆粒，在模擬消化液中研究了復合物的硒緩釋行為，考察了模擬消化液酸堿值、緩釋溫度、緩釋時間對硒釋放率的影響，得到了含硒復合物的最佳緩釋條件。董亮等[17]以殼聚糖和羧甲基殼聚糖混合物作為基質，采用溶劑揮發法制備丹皮酚藥膜，以體外釋放法研究藥膜對丹皮酚的控釋能力。結果發現以1∶1的殼聚糖和羧甲基殼聚糖混合為溶質（甘油含量為2%）制備的藥膜具有較理想的物理性質和藥物緩釋能力。林友文等[18]研究了不同配比、不同pH對殼聚糖/甘油磷酸鈉（CS/GPS）水凝膠的溫敏性及載藥凝膠緩釋性能影響，發現一定配比CS/GPS體系在37℃具有快速凝膠化特性，證實了溫敏性載藥凝膠對藥物具有緩釋作用。

3、淀粉類

淀粉作為一種可生物降解的高分子材料，來源豐富，價格低廉，具有良好的可降解性和生物相容性，尤其是支鏈淀粉天生具有螺旋狀孔洞結構，可作為藥物載體制成淀粉微球、淀粉膜等形式。

李仲謹等[19]以可溶性淀粉作為原料，N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，采用包埋法制備了氟苯尼考淀粉微球，采用體外動態釋藥法評價其釋藥特征。研究發現，氟苯尼考淀粉微球體外釋藥規律符合一級釋放方程和Korsmeyer-Peppas模型方程。李增和等[20]將聚乙烯醇（PVA）溶解后與淀粉（St）共混制得聚乙烯醇/淀粉復合膜，并考察了m（St）∶m（PVA）、反應溫度、增塑劑、交聯劑用量、反應時間對薄膜性能的影響，優化了實驗條件，最終制得拉伸強度、斷裂伸長率較大，吸水率和透NH4+率均較低，共混體系的相容性好的薄膜。

4、展望

天然高分子材料相比合成高分子材料，具有更好的生物相容性、低毒性、可降解性。未來在天然高分子材料在藥物緩釋方面的研究將側重于多種材料的復合改性（包括與無機材料復合、天然高分子之間復合、與合成高分子復合等）、緩釋載體構建以及臨床應用研究。隨著科技的不斷進步，天然高分子必將在醫藥領域發揮更積極的作用。

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關鍵詞：催化劑；生物燃料電池；能源短缺

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.243

隨著人口的不斷增加，能源短缺的問題也日益暴露，尋找新的綠色能源已經迫在眉睫。生物燃料電池則是應用微生物或者酶作為催化劑，把燃料中的化學能轉化成電能，這種生物燃料電池原料易得，擁有非常高的能量轉化率，對環境產生的危害更小，可以廣泛的應用在很多行業之中。

1 生物燃料電池優勢

生物燃料電池和其他電池有著很大的不同，它主要是通過生物原料經過催化劑的催化從而生成氫離子，生成的氫離子又與空氣中的氧氣或者其他氧氣中的氧相結合從而生成電流[1]。以葡萄糖分子為例，完全氧化葡萄糖分子的過程中能夠讓24個電子生成電流，通過光合作用產生的葡萄糖在氧化過程中碳元素不會發生變化，更有利于對環境的保護。而且生物燃料電池的原料非常易得，可以是有機物、無機物還可以利用污水。相對于其他類型的電池，生物燃料電池在操作的時候只需要在一般的溫度和壓力的環境下操作就可以，因為生物電池的催化劑一般采用的是酶或微生物，所以不需要創造額外的環境和條件。此外，生物燃料電池還能夠通過和人體內的葡萄糖、氧氣相結合，幫助被移植在人體中的人造的器官產生電能。

2 工作原理與分類

2.1 微生物電池

微生物電池是將燃料放置在陽極室內，微生物不斷的發生代謝和氧化反應，在外電路的連接下電子達到陰極，而質子則是利用交換膜到達陰極，已經發生了氧化的物質受到催化劑的影響在陰極室發生氧化還原反應[2]。在最理想的操作狀態之下，每包含 0. 4 g 濕微生物細胞（相當于 0.1g干細胞） 的電池能夠輸出電壓0. 4 V輸出電流0. 6 mA。因為電子轉移形式的不同微生物燃料電池又被分為兩種，其中燃料在電極上直接發生氧化反應的是直接微生物電池，燃料在其他地方發生氧化反應并通過一些特定的途徑將電子傳遞在電極上的為間接微生物電池。

2.2 酶生物電池

微生物電池雖然在工作期間比較穩定，催化燃料的程度比較徹底，但是將化學能轉化為電能的轉化率可能會因為在傳輸過程中受到生物膜的影響而大大降低。但是酶生物電池就能夠克服這一問題。因為酶催化劑擁有非常高的濃度，在電能傳輸的過程中能夠不收到生物壁壘的影響，所以能夠輸出更多的電流和電壓。它的工作原理為，葡萄糖被氧化輔酶進行催化從而變化為葡萄糖酸，利用介質將產生的電子進行轉移，并由氫離子利用隔膜進行擴散。在陰極中獲得電子的過氧化氫經過催化劑催化和與氫離子進行反應，從而產成水。

3 研究現狀與應用

現在對生物燃料電池的研究還處于不斷探索的階段，生物燃料電池還存在著電能轉化和輸出效率低，使用的時間較短等問題[3]。有研究表明，科學家利用從菠菜葉葉綠體中分解出來的多種蛋白質放入特殊導電裝置進行電池的制作，但是這樣的電池使用壽命僅有21天，將光能轉化成電能的轉化率僅僅只有12%，但是電能的轉化了率可能會隨著科技的不斷發展，提高為 20% ，到那時這種生物燃料電池的能量轉換率就將超過太陽能硅電池，所以這項研究也吸引了很多的關注，相關的研究人員也在一直積極的探索者這種電池對環境變化的適應情況。可以預見生物燃料電池在很多領域都能得到應用。

3.1 交通運輸供能方式更換

現階段的交通運輸采用的能源主要是利用一些化石燃料燃燒所產生的能量，最主要的就是應用石油。但是化石燃料的燃燒會對環境產生極大的危害而且不便于攜帶儲存量較小。但是應用生物燃料電池，就能夠應用其他材料作為能源，有效的緩解化石燃料燃燒造成的不好影響，減輕相關的環境問題研究證實1L 濃縮的碳水化合物溶液可以驅動一輛車行駛 25～30km。

3.2 可植入的能量來源

生物燃料電池能夠在生物的身體內進行工作，而且產生電能所需要的氧和燃料能夠直接從生物體內獲得，應用在醫學中，能夠為移植在人體內的醫學裝置提供能量。比如說，葡萄糖生物傳感器就可以應用生物燃料電池，其中葡萄糖氧化酶為陽極，一個細胞色素 C 的最為陰極，為裝置提供電能。

3.3 污水處理

廢水也可以作為生物燃料電池原料的來源，產生電能。這樣一來不僅能夠獲得能源，同時也能將廢水中的有機化合物提出出去，對污水起到凈化的作用。有研究表明150000 人口的城鎮的廢水如果效率為100%的話甚至能夠產生2.3Mwof 的能量。

4 前景展望

生物燃料電池原料來源廣泛，操作方便的同時對環境的危害也很小，是一N新型的優質可再生的綠色能源。雖然現階段生物燃料電池還存在著不夠穩定，電能轉化率低等問題，但是隨著科技的不斷進步，生物燃料電池將被不斷的發展和完善，在今后的智能電網發電體系中發揮出重要的作用。同時還需要加強對材料穩定性、增加生物催化效率以及電子轉移等相關知識的研究，配合生物燃料電池的探究和開發。

5 結束語

生物燃料電池是一種新的能源，雖然對生物燃料電池的研究還處于初級階段，但是可以預見生物燃料電池未來會在污水處理、智能電網建設、交通、醫療等方面發揮出巨大的作用，對我們的生活和環境產生巨大的影響。

參考文獻：

[1]葛小萍，劉財鋼，石琰Z.微生物燃料電池在污水處理方面的應用研究進展[J].科學技術與工程，2010，10（14）：3419-3424.

篇4

關鍵詞:環保;生物燃料電池;污水同步處理發電

收稿日期:2010-07-28

作者簡介:陳丁丁(1982―),男,江西武寧人,助理工程師,主要從事環境工程方面研究。

中圖分類號:Tk01

文獻標識碼:C

文章編號:1674-9944(2010)08-0207-03

1 引言

環保生物燃料電池并非剛剛出現的一項技術。1910年英國植物學家馬克•比特首次發現了細菌的培養液能夠產生電流,于是他用鉑作電極放進大腸桿菌和普通酵母菌培養液里,成功制造出了世界第一個微生物燃料電池。1984年美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池,使用的燃料為宇航員的尿液和活細菌,不過放電率極低。傳統的燃料電池是利用氫氣發電,但從來沒有嘗試使用富含有機物的污水來發電。環保生物燃料電池是一種特殊的燃料電池,以自然界的微生物或酶為催化劑,直接將燃料中的化學能轉化為電能。

2 環保生物燃料電池的工作原理

環保生物燃料電池(Microbial Fuel Cell MFC)是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學能轉化為電能的裝置,由陽極區和陰極區組成,中間用質子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分開,如圖1所示。環保生物燃料電池的工作過程分為幾個步驟:在陽極區,微生物利用電極材料作為電子受體將有機底物氧化,這個過程要伴隨電子和質子(NADH)的釋放;釋放的電子在微生物作用下通過電子傳遞介質轉移到電極上;電子通過導線轉移到陰極區,同時,由NADH釋放出來的質子透過質子交換膜也到達陰極區;在陰極區,電子、質子和氧氣反應生成水,隨著陽極有機物的不斷氧化和陰極反應的持續進行,在外電路獲得持續的電流[1],其反應式如下:

陽極反應:

C.6H.12O.6 + 6H.2O 6CO.2 + 24H++24e-,

E.0=0.1014V

陰極反應:

6O.2+24H++24e-12H.2O,

E.0=1.123V

圖1 生物燃料電池結構示意圖

3 環保生物燃料電池的利用領域

3.1 廢水同步的處理與發電

3.1.1 單一槽設計

電池裝置和氫燃料電池有點相似,是一個圓柱形的樹脂玻璃密閉槽。微生物燃料電池是單一反應槽,里面裝有8條陽極石墨棒,圍繞著一個陰極棒,密閉槽中間以質子交換膜間隔。密閉槽外部以銅線組成的閉合電路,用作電子流通的路徑。當污水被注入反應槽后,細菌酶將污水中的有機物分解,在此過程中釋放出電子和質子。其中電子流向陽極,而質子則通過槽內的質子交換膜流向陰極,并在那里與空氣中的氧以及電子結合生成干凈的水。從而完成對污水的處理。與此同時,反應槽內正負極之間的電子交換產生了電壓,使該設備能夠給外部電路供電。單一反應槽是微生物燃料電池設計的創新。大部分燃料電池的設計以兩反應槽為主,分別為陽極槽和陰極槽,在陽極槽中以厭氧方式維持微生物生長;陰極槽中則需維持在有氧環境下,使電子與氧結合并且與質子形成水分子。而單一反應槽以質子交換膜連接兩槽,其功能不僅可分開兩槽水溶液,還可以避免氧氣擴散至另一槽內。兩槽式的電解槽,需以外力方式提供溶氧至陰極,而單一槽微生物燃料電池可以以連續注水方式將空氣帶入陰極,從而減少通氧設備的花費。在發電量方面,在實驗室里,該設備能產生72W的電流,可以驅動一個小風扇。雖然目前產生的電流不多,但該設備改進的空間很大。從提交發明報告到現在,已經把該燃料電池的發電能力提高到了350W,這一數值最終能達到500~1000W。技術成熟后,可以批量生產的微生物燃料電池的發電能力將獲得很大提高,可以產生500kw的穩定電流,大約是300戶家庭的用電量。

3.1.2 不間斷上流微生物燃料電池

華盛頓大學的研究人員日前稱,他們把利用廢水發電的微生物燃料電池技術又向前推進了一步。去年他們已研究出了這一利用廢水發電的新技術,現在,他們又把新技術的發電量比去年提高了10倍。如果利用這一技術能使發電量再提高10倍的話,食品和農業加工廠就有望能安裝這種設備用于發電,并能為附近居民提供清潔和可再生電能[2]。華盛頓大學環境工程學項目成員、化學工程助教拉思安晉南特博士在“環境科學技術”網站上介紹了這種不間斷上流微生物燃料電池(UMFC)的設計以及工作原理。同過去那些讓微生物在含有營養液的封閉系統中工作的實驗不同的是,安晉南特為微生物提供的是源源不斷的廢水。由于食品和農業加工中會不停排放廢水。因此,安晉南特的技術更容易在這些工廠得到應用。利用廢水發電的微生物燃料電池技術,是在陽極室內安裝價格低廉的U型質子交換膜,將陽極和陰極分開。廢水中含有的有機物,可為細菌群提供豐富食物,使其得以生存和繁衍。這些細菌在電池陽極電極上形成生物膜,同時在食用廢水中有機物時向陽極釋放電子,電子通過與陽極和陰極相連的銅導線移動到陰極,廢水中的質子則穿過質子交換膜回到陰極,同電子和氧原子結合生成水。而電子在導線中的運動過程就形成了人們所需要的電流。繼2005年首次完成了廢水發電的微生物燃料電池設計后,安晉南特新推出的U型設計增加了質子交換膜的面積、縮短了兩極距離,因此降低了因阻力引起的能耗,使電池發電能力提高了10倍,每立方米溶液的發電量從3W/m3增加到了29W/m3。如果微生物燃料電池系統能夠維持20W/m3的電力輸出,就可以點亮小功率的燈泡。

3.1.3 利用太陽能和光和細菌的環保生物燃料電池

Noguera與土木與環境工程教授Marc Anderson、助理教授Trina McMahon,細菌學教授Timothy Donohue,研究員Isabel Tejedor Anderson,以及研究生Yun Kyung Cho和Rodolfo Perez合作發展出一種能在污水處理廠應用的大規模微生物燃料電池系統。目前,研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中,測試管的形狀被做成類似電路的回路。當處理廢物時,先把有機廢水通入管中,作為副產品電子向陽極移動,然后通過回路流到陰極。另外一種副產品質子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中,電子和質子與氧氣發生反應形成水。一塊微生物燃料電池理論上最大可以產生1.2V電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池并聯和串聯起來產生足夠高的電壓來作為一種有實際應用的電源。目前該研究小組正在利用他們在材料科學、細菌學和環境工程方面的優勢來最優化微生物燃料電池的結構。

3.2 新型的環保燃料電池

英國牛津大學科研人員研制出一種新的環保生物電池,這種環保生物電池裝有一種生化酶,可以吸收空氣中的氫和氧來發電。這種生化酶是從一種需要氫氣來維持新陳代謝的細菌中分離出來的。這種酶的獨特之處在于可以與那些如一氧化碳和硫化氫等常規的電池催化劑并存。這種酶是“生長型”的,因此能夠以價格低廉、可再生等特點取代傳統價格昂貴的鉑基催化劑。這種電池消耗的是大氣中的氧氣和氫氣。所使用的酶是從自然界中利用氫氣進行新陳代謝的細菌中分離出來的。這種酶的特性是具有高選擇性,能夠忍受對傳統的燃料電池催化劑具有毒害作用的氣體,例如一氧化碳和硫化氫。研究人員表示,由于這種酶能夠生長,所以對比于其他的氫燃料電池所使用昂貴的鉑催化劑而言,這是一種廉價的、可更新的環保燃料電池。

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3.3 生物醫學的應用

環保生物燃料電池還可以造出另一種重要產品,根據電信號立即測出病人血糖水平的儀器。對于向包括起博器和胰島素生成器等在內的可植入電控醫學設備供電來說,環保生物燃料電池非常有用。這些設備需要無限的電源,這是因為更換這些設備的電池可能需要外科手術。BFC從活的生物體內提取燃料(例如從血流中提取葡萄糖)來產生電流。只要生物個體是活的,這種燃料電池就可以持續起作用[5]。

2010年8月 綠 色 科 技

第8期

4 結語

盡管環保生物燃料電池經數十年研究仍距實用遙遠,燃料電池研究從20世紀90年代初開始又成為熱門領域,現在仍在升溫階段。幾種燃料電池已經處在商業化的前夜。另外,近20年來生物技術的巨大發展,為環保生物燃料電池研究提供了巨大的物質、知識和技術儲備。所以,環保生物燃料電池有望在不遠的將來取得重要進展。隨著生物和化學學科交叉研究的深入,特別是依托生物傳感器和生物電化學的研究進展,以及對修飾電極、納米科學等研究的層層深入,環保生物燃料電池研究必然會得到更快的發展。環保生物燃料電池作為一種綠色環保的新能源,在生物醫學等各個領域的應用的理想必然會實現。

參考文獻:

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[2] 賈鴻飛,謝 陽,王宇新.生物燃料電池[J].電池,2000,30(2):86~89.

[3] 連 靜,祝學遠.直接微生物燃料電池的研究現狀及應用前景[J].科學技術與工程,2005(22):162~163.

[4] 尤世界,趙慶良.廢水同步生物處理與生物燃料電池發電研究[J].環境科學,2006,9(9):17~18.

[5] 寶 ,吳霞琴.生物燃料電池的研究進展[J].電化學,2004,2(1):1~8.

The Research and Foreground of Biofuel Cell

Chen Dingding

(Wuning Environmental Protection Bareau, Wuning JiangXi 332300,China)

Abstract:Biofuel cell is a device converting chemical energy into electrical energy directly with the biocatalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction condition and goodbiology consistence. And, Biofuel cell are capable of converting chemical energy presented in organic wastewater into electricity energy with accomplishments of wastewater treatments simultaneously , which possibly captures considerable benefits in terms of environments and economics.

篇5

【關鍵詞】酶技術，乙醇產業化

【中圖分類號】S5

【文獻標識碼】A

【文章編號】1672-5158（2012）12-0418-01

一、農作物秸稈制燃料乙醇的需求分析

能源是人類賴以生存和發展的重要基礎，隨著世界不可再生能源的枯竭，加快開發利用以生物燃料為代表的可再生綠色環保生物質能源，已成為人類社會可持續發展的戰略選擇和發展方向。

生物質能作為第四大能源，在可再生能源中占重要地位。開發生物質能源即可以補充常規能源的短缺，也具有重大的環境效益。

燃料乙醇和生物柴油是目前世界上應用最為廣泛的兩種生物燃料。繼美國和巴西之后，中國已經成為全球第三大燃料乙醇生產國。但是，糧食安全問題限制著我國燃料乙醇產量的增加。

乙醇燃料技術是利用生物技術（包括酶技術）把生物質轉化為乙醇液體燃料的過程。目前，乙醇生產過程中主要以淀（主要是玉米）和糖蜜原料為主，但其因為伴隨糧食主要是玉米的價格連年上漲存在生產成本走高，生產企業面臨持續虧損的問題。“十一五”期間，我國的燃料乙醇生產，利用玉米新糧在生產原料里的比冽已經上升到了80-90%左右，若進一步發展會造成“與人爭糧”、“與糧爭地”的問題。

為了能夠提高我國在新的資源競爭領域內的優勢，盡快實現非糧燃料乙醇產業化已勢在必行。結合我國資源匱乏的國情，在國內發展非糧燃料乙醇更加具有現實意義。因此，我國政府和企業迫切需要開發和建設玉米秸稈、木薯和甘蔗渣等非糧乙醇燃料產業。“十一五”末期，乙醇汽油已經占我國汽油消費量的70%，形成以“非糧”原料為主、以技術進步為動力、經濟效益為中心、緩解能源供應緊張壓力和保護環境為目的的生物液體燃料產業鏈是當務之急。

據國家權威部門統計預測，到2020年，我國將生產生物乙醇（含下游產品）2300萬噸、而我國實際晴況定位的重點產品按重要性依次為：燃料乙醇、成型燃料、工業沼氣、生物塑料和生物柴油。

據測算國家統計部門測算，“十一五”期間，我國農作物播種面積約1億公頃，每年僅農作物秸稈有7億噸，其中2億噸被作為農村燃料消耗。若將其余5億噸用來生產乙醇，可產7000萬噸乙醇。再加上木材、制糖、造紙工業下腳料和城市廢纖維垃圾，總計可得乙醇8500萬噸，比全國汽油消耗總量還要多，生物質可再生能源開發利用空間巨大。

以秸稈為原料生產乙醇的成本低于用糧食發酵，原料來源廣泛.秸稈發酵生產乙醇可有效解決原有的以糧食為原料的乙醇生產中遇到的價格和資源瓶頸問題。

二、遼寧農作物秸稈資源的現狀分析

遼寧是個農業大省，秸稈類農作物種植面積廣泛，較多。作為可再生資源用來生產生物質燃料乙醇的秸稈量大質優，非常適宜推廣，燃料乙醇作為汽車燃料生產行業適用地區廣泛，產業鏈長，無任何污染，有利于保護環境，有益于農民增收致富，調整能源消費結構，增加非化石能源比重。促進可循環經濟的持續發展。

2011年遼寧省糧食作物播種面積為4754.7萬畝。其中，玉米3163.2萬畝，水稻964.7萬畝，保守估計玉米平均畝產1000斤，水稻平均畝產800斤，全省當年所收獲的秸稈產量達3000萬噸以上。

遼寧省作為農業大省之一，長期以來作為主要農村生活能源的農作物秸稈已成為占用一定的農田面積，常年堆積的廢棄物，而被就地焚燒，尤其是在省內的主要糧食產區，焚燒秸稈成為普遍現象。不僅浪費了大量的資源，而且嚴重污染了大氣環境，制約了農村經濟可持續發展。因此在我省發展農作物秸稈原料生產乙醇就顯得尤為重要。

直觀來看，發展秸稈原料生產乙醇產業的有著顯著的經濟意義和社會意義。首先，秸稈原料資源是一種可再生資源，能夠獲得持續的供給安全保證。其次，以秸稈生產燃料乙醇可減少食物和飼料生產對土地的需求的長期矛盾，徹底解決“與人爭糧”、“與糧爭地”的問題。再次，以生產秸稈原料乙醇等生物制燃料時所造成的二氧化碳氣體排放較少，對環境影響更小，是國際發展的先進趨勢，并逐漸成為全球碳交易的內容。同時，秸稈為原料生產乙醇也是當前遼寧調整產業結構，發展新興產業的一個方向；為營造新興經濟產業鏈，發展地方產業豐厚度提供的機遇。并且，秸稈類農產品的深度加工和應用也為省內當地農村人口提供就業機會。

三、遼寧農作物秸稈制燃料乙醇的經濟價值分析

目前，我國以糧食為原料生產燃料乙醇的成本約為6000元左右/噸，國內試驗性生產的秸稈制燃料乙醇約為7000元以上/噸，相比之下秸稈制燃料乙醇由于工藝、科研攻關的能力限制，距離產業化仍有較大差距。

依據國外公開報道，2007年加拿大Logen公司利用酶加工麥稈，從一頓原料可生產約300升乙醇。該公司的工業化生物乙醇燃料加工裝置，乙醇生產成本約合430美元/噸。

以此對比分析，若秸稈按每千克0.12元征收，乙醇燃料的秸稈原料價格可按照150-200元/噸估算。如采用加拿大Iogen公司的技術，每噸秸稈可生產300升乙醇，推算的每噸乙醇產品的原料成本為600-800元。與我國目前的糧食乙醇燃料生產工藝相比，每噸產品的原料成本要低2500元以上。2011年，國內90#汽油的平均零售價格為8000元/噸左右，而以Iogen公司在加拿大的每噸燃料乙醇生產成本折合成人民幣為3650元左右；如果在中國生產，各方面的成本將會更低。加上國家對秸稈制燃料乙醇的優惠政策，該項目經濟效益將十分可觀。

綜上所述，秸稈制燃料乙醇生產技術在國際上完全成熟，正處于產業轉化階段。隨著關鍵技術不斷突破與完善，秸稈制燃料乙醇生產成本有顯著的下降空間為未來的發展提供了重要的實踐平臺和技術支撐，并將進一步推動秸稈制燃料乙醇產業化發展。

目前，我國的“十二五”規劃把能源產業結構轉型和升級列入的重要地位，積極發展替代可再生能源，將有利于我國實現循環經濟可持續化發展戰略的目標。

篇6

為了應對全球能源、氣候危機，幫助汽車擺脫對石油的依賴，通用汽車部署了全球新能源戰略，致力于提高現有能源的燃油經濟性以及開發使用替代能源和新型動力推進系統。可持續生物燃料，特別是基于非糧食原料的下一代纖維素乙醇燃料的研發和商業化，在通用汽車既定并正在實施中的新能源戰略中是一個重要而優先的組成部分。

10月20日，通用汽車舉辦了“聚焦中國、分享全球經驗”――通用汽車可持續生物燃料研發媒體溝通會，旨在與中國分享通用汽車在可持續生物燃料領域全球領先的技術和理念，進一步落實基于全球能源安全及能源多樣化的新能源戰略，支持中國可持續發展車用能源及交通體系。

通用汽車全球能源系統總監Andreas Lippert在分析中國生物燃料行業現狀時表示：通用汽車認為，在尋求降低對石油依賴的所有替代能源技術途徑中，可持續生物燃料是近期最可行的解決方案。

通用汽車在可持續生物燃料研發及商業化領域均居于世界領導地位，已經生產超過500萬輛混合使用生物燃料及石油的生物燃料驅動轎車及卡車。在美國，通用汽車預計其生物燃料汽車產量將在2012年前占其全球汽車產量的50%。

目前，中國是位于美國和巴西之后的世界第三大乙醇燃料生產國，年產約10億加侖。根據通用汽車在北京清華大學成立的中國車用能源研究中心的研究進程，通用汽車已經開始成功地評定可持續生物燃料在中國車用能源領域的發展潛力。

通用汽車中國公司副總裁陳實表示，中國可以在非糧食耕作土地上，利用林作物的廢棄物、包括柳枝稷的能源作物、甚至垃圾生產纖維素乙醇燃料。因此，可持續生物燃料的發展對中國車用能源來說，將起到極大的推進作用。“我們相信由Coskata、Mascoma這樣的公司所致力研發的下一代纖維素乙醇燃料解決方案在中國市場將有令人振奮的潛力。”陳實說。

通用汽車認為，中國是率先應用可替代能源動力推進系統的最佳市場。通用汽車會落實對中國的承諾，利用先進的解決方案幫助加速中國汽車行業新能源汽車的發展，也將為中國的汽車消費者提供更節能、更清潔、更環保的產品。

陳實表示，通用汽車將持續推進其“立足中國、攜手中國、用心中國”的在華戰略，幫助中國車用能源多樣化的解決方案的探索及其商業化。

今年1月和5月，通用汽車分別宣布與美國Coskata及Mascoma公司在新一代乙醇燃料技術領域內建立戰略聯盟，以加速其商業化進程。兩個合作伙伴分別研究不同的生產工藝及其商業化途徑。Coskata公司專注纖維素乙醇燃料，原料來自任何農業及城市生活含碳廢棄物；Mascoma公司的研發方向在第二、三代可持續生物燃料，原料來自任何林作物的廢棄物。

篇7

河南省建設生物質能化產業的重要性和緊迫性

全球每年生物質的總量大約在1.7×1011 噸，估計現在只有6.0×109 噸生物質（約占總量的3.5%）被人類利用。按照能源當量計算，生物質能僅次于煤炭、石油、天然氣，位列第四，占世界一次能源消耗的14%，是國際社會公認的能夠緩解能源危機的有效資源和最佳替代方式，是最具發展潛力的可再生能源。目前，生物質能化利用的主要方向包括：生物液體燃料、生物燃氣、生物質成型燃料、生物質發電、生物質化工等方向。生物質能產品既有熱與電，又有固、液、氣三態的多種能源產品，以及生物化工原料等眾多的生物基產品，這些特質與功能是其他所有物理態清潔能源所不具備的。

據國際能源署統計，在所有可再生能源中，生物質能源的比例已經占到了77%，其中生物質發電、液體生物燃料和沼氣分別占生物質能源利用總量35%、31%和31%。

很多國家成立專門的生物質能管理機構，主要負責相關政策的制定以及部門的協調事宜，如巴西“生物質能委員會”，印度“國家生物燃料發展委員會”，美國“生物質能管理辦公室”等。

很多國家都制定了關于生物質能發展的長期規劃，確定了具體的發展目標，如美國“能源農場計劃”，巴西燃料乙醇和生物柴油計劃，法國生物質發展計劃，日本“新陽光計劃”，印度“綠色能源”工程等。各國都采取了積極務實的生物質能源發展政策與措施，如歐盟主要采取了高價收購、投資補貼、減免稅費以及配額制度等。美國主要采取了擔保貸款、補助資金和減免稅費等。

2011年，最具代表性的生物燃料――燃料乙醇全球產量達到了7 000萬噸，美國燃料乙醇產量達到4 170萬噸。近期美國已把生物質能的重點轉向第二代先進生物燃料，《能源獨立與安全法》（EISA）強制要求2022年生物燃料用量達到1.1億噸，其中先進生物燃料為6 358.8萬噸。第二代生物燃料指“壽命周期內溫室氣體排放比參考基準減少50%以上的、玉米乙醇以外的可再生燃料”，主要包括纖維乙醇、沼氣、微藻生物柴油等。為實現此目標，美國政府采用了投資補助和運行補貼（每加侖1.01美元，約合2 123元/噸，按匯率6.3計算）等方式大力鼓勵先進生物燃料相關的研發、中試、示范和商業化項目建設，已建試驗、示范裝置45套，預計2～3年內可以實現商業化規模生產。

生物質成型燃料方面，歐美的發展最為發達，其主要以木質生物質為原料生產顆粒燃料，其成型燃料技術及設備的研發已經基本成熟，相關標準體系也比較完善，形成了從原料收集、儲藏、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業鏈。截至2010年，德國、瑞典、加拿大、美國、奧地利、芬蘭、意大利、波蘭、丹麥和俄羅斯等歐美國家的生物質成型燃料生產量達到了1 000萬噸以上。

美國POET公司、美國杜邦公司、意大利M&G公司、西班牙Abengoa公司等將于2014年前運行5萬噸以上規模的纖維乙醇廠。

生物質精細化工產品目前已達1 100多種，如乙二醇、乳酸、丁二酸、丁醇、2，3-丁二醇、乙酰丙酸、木糖醇、檸檬酸、山梨醇等。據分析，從生物質制取的化學品現已占化學品總銷售額10%以上，并以每年7%～8%的速率增長。美國國家研究委員會預測，到2020年，將有50%的有機化學品和材料產自生物質原料。殼牌公司認為，世界植物生物質的應用規模在2060年將超過石油。

隨著技術的進步，未來生物質能化開發利用將向原料多元化、產品多樣化、利用高值化、生產清潔化方向轉變，纖維乙醇生產成本進一步下降，與糧食乙醇相比將具競爭優勢，成為液體生物燃料的主流產品;大中型沼氣是極具潛力的新興生物能源方向;以纖維素糖為平臺的生物化工產業的興起，將減少對化石資源的依賴，促進綠色發展。遠期生物質快速熱解制生物燃料和微藻生物燃料也將有較大的發展空間。

總體上看，我國以燃料乙醇為代表的生物質能化產業發展基本達到世界先進水平，推廣使用技術成熟可靠、安全可行。在法律、政策、規劃、試點等方面開展了創造性的工作，為今后的工作打下了基礎。

河南生物質能化產業發展基礎

作為農業大省，河南生物質資源非常豐富。僅農業剩余物的干重量每年為7 000萬噸，占全國1/10。林業剩余物資源量每年為2 000多萬噸，其中生態能源林近期規劃500多萬畝，遠景規劃1 200萬畝。

河南省生物質能化開發利用起步較早，2004年即在全國率先實現了乙醇汽油全覆蓋，成功創造了乙醇汽油推廣的“河南模式”。目前，河南省生物質能化利用主要涵蓋了生物質成型燃料、液體燃料、氣體燃料和發電等方向，涉及燃料乙醇、纖維乙醇、沼氣、成型燃料、生物柴油、生物質發電、乙二醇、乳酸等產品，2010年生物質能利用折標煤420萬噸。

液體生物燃料產品產量超過70萬噸居全國第一，其中燃料乙醇產量超過60萬噸，約占全國的30%，燃料乙醇消費量超過30萬噸。2009年底，河南天冠建成投產了全球第一條萬噸級秸稈纖維乙醇生產裝置，實現連續規模化生產，建立了完整的工藝路線，掌握了多項具有自主知識產權的關鍵技術，部分指標接近或超過國外先進水平，已經通過了國家驗收，具備了進一步產業化放大和推廣的條件。全省能源林面積超過300萬畝，開展了生物柴油的實驗生產，具備了規模化生產的技術能力。

建成了國內最早的工業化沼氣項目并獲得了廣泛推廣和應用，擁有全球最大的1.5億立方米/年工業化沼氣裝置，配套3.6萬千瓦沼氣發電項目已經并網發電，同時供40萬戶居民生活、2 500輛公交和出租車使用。農村戶用沼氣達到361萬戶，普及率18%，大中型沼氣達到2 360處。

生物質發電總裝機45萬千瓦居全國前列，年發電量約10.6億千瓦時。

目前，河南省生物質成型燃料產品產能已超過30萬，年產量20多萬噸，居華中地區首位，其中建立位于河南省汝州市的生物質壓塊燃料生產工程，目前年產生物質成型燃料3萬噸，正在形成年產10萬噸的生產基地，通過示范建設，建立了壓塊成型燃料生產廠原料最佳收集模式、清潔生產模式、成型燃料產業發展模式，生產電耗為40kW?h/t～50kW?h/t，實現了壓塊成型燃料的產業化生產。建立在洛陽偃師市和河南汝州市的成型燃料設備生產基地，目前正在形成年產300臺套的生產能力。

生物制氫方面國內還沒有產業化，近幾年，國內少數學者主要圍繞提高光合細菌的光轉化效率等方面，著手對光合細菌制氫進行了實驗研究，并取得了一些重要進展。河南農業大學在國家自然科學基金、863計劃等項目支持下，正在按照生產性工藝條件進行太陽能光合生物制氫技術及相關機理的研究，并且已經取得了一定的突破，成為河南省重要的制氫技術儲備。

生物質化工產品總產量超過10萬噸。河南財鑫集團2010年建成纖維乙二醇中試裝置，形成了整套工藝技術，達到國內先進水平，正在進行萬噸級產業化示范;河南宏業生化2011年建成全球首套生物質清潔生產2萬噸/年糠醛聯產乙酸裝置，已實現連續規模化生產，達到國際先進水平。

河南農業大學、鄭州大學、河南能源研究所等一批科研機構有較強的生物質能源研發實力。

河南省從事生物質能研發和產業推廣的單位上百家。

2013年，生物質能化產品總產值超過100億元。

總體來說，河南省生物質能開發利用起步較早，達到國內先進水平，其中燃料乙醇、沼氣和秸稈成型燃料等技術和裝備居國內領先地位。

河南省發展生物質能化產業的總體要求

堅持資源開發與生態保護相結合，以不犧牲農業和糧食、生態和環境為出發點，科學開發鹽堿地、“三荒”地等宜能非耕地，規模化種植新型非糧能源作物與生態能源林，加強農林牧剩余物資源、城市生活垃圾與工業有機廢水、廢渣管理，堅持梯級利用、吃干榨凈，建立標準化生物質能化原料收儲運供應體系，推動生物質能化產業綠色低碳循環發展。

堅持頂層設計與先行先試相結合，把握世界生物質能化產業發展方向，統籌謀劃國家生物質能化發展的新模式、新途徑，破解關鍵制約瓶頸和體制機制障礙，以資源、技術、市場發展現狀為前提，在河南先行先試，以點帶面，積極推進，努力探索具有示范帶動意義的生物質能化全產業鏈發展模式。

堅持自主創新與開放合作相結合，立足現有產業基礎，整合聚集國內研發力量和專有技術，強力推進生物質能化核心技術開發，加快關鍵裝備集成，占領世界生物質能化產業發展新高地。開展國際交流與合作，合理引進國際先進技術、裝備與人才，帶動生物質能化產業全面發展。

堅持重點突破與整體推進相結合，以纖維乙醇產業化為突破重點，推進沼氣高值化利用、生物化工和生物質能化裝備規模化生產，加快纖維丁醇、航空生物燃料、微藻生物柴油、生物質快速熱解制生物燃料等先進產品與工藝研發步伐，整體推進生物質能化高起點產業化開發利用，培育規模大水平高的戰略性新興產業。

堅持政府推動與市場運作相結合，發揮政府主導作用，制定積極的產業政策，引導多種經濟主體投入，扶持生物質能化企業規模化發展。建立有效的市場激勵機制，營造良好發展環境，發揮市場配置基礎作用，以市場開拓帶動生物質能化產業持續健康發展。

在發展目標上，充分發揮河南生物質能化開發利用的資源、技術和實踐優勢，集聚優勢企業和科研機構，吸引國內外生物質能化領域領軍人才，開展生物質能化資源梯級循環利用，做大做強生物能源裝備制造業，在全國率先建成規模最大、實力最強、技術最先進的生物質能化示范區，全面發揮示范區的示范、輻射和帶動作用，打造全國的生物質能化源科研、裝備制造和推廣應用基地，占領世界可再生能源領域新高地。

近期目標（2014-2015年）：規劃投資200億元以上，新增工業產值188億元以上。重點推進纖維乙醇產業化，穩定糧食乙醇產量，纖維乙醇生產能力達到50萬噸/年，纖維乙二醇等多元醇生產能力達到10萬噸/年，聯產糠醛達到5萬噸/年，新增大中型沼氣生產能力16.5億立方米。生物柴油總生產能力達到50萬噸/年，其中高品質航空燃油占10%以上。新增年產5～10萬噸的成型燃料生產基地2個，生物質成型燃料生產能力達100萬噸;初步奠定生物質能化示范省產業基礎，確立生物質能化發展基本模式。

中期目標（2016-2020年）：規劃投資1 000億元以上，新增工業產值1 600億元以上，其中裝備制造700億元。纖維乙醇生產能力達到300萬噸/年，纖維乙二醇等多元醇生產能力達到50萬噸/年，聯產糠醛達到50萬噸/年，新增大中型沼氣生產能力62億立方米。生物柴油總生產能力達到400萬噸/年，其中高品質航空燃油占30%以上。建成500個左右的生物質成型燃料加工點，形成約250萬噸的生產能力。帶動生物質能化技術升級，基本建成國家生物質能化示范省。

河南省生物質能化產業創新的重點任務

重點發展纖維乙醇、纖維乙二醇、纖維柴油、糠醛、沼氣，實施醇電、醇氣、醇肥、醇化多形式聯產，著力提升農林剩余物的資源化利用水平;積極建設工業、畜牧業、農村大中型沼氣工程，提高城鄉有機垃圾資源化利用水平，加快構建新型農村社區配套的分布式生物能源體系;積極拓展生物質化工，初步形成規模化的生物化工產業鏈;完善生物質成型燃料體系的原料收集、儲存、預處理到成型燃料生產、配送和應用的整個產業鏈，積極推進生物質成型燃料的產業化、規模化生產及應用模式，開拓生物質成型燃料應用新途徑，大規模進行燃油、燃氣替代應用，與煤炭形成相當競爭力;大力推進生物質能化裝備產業;積極探索開展航空生物燃料、微藻生物柴油、快速熱解制生物燃料等先進生物燃料技術示范。

（一）纖維乙醇產業化

在纖維乙醇產業化方面，圍繞纖維乙醇生產，著力提升纖維乙醇生產和綜合利用技術水平、裝備和自動化水平，能源利用轉化效率和經濟性指標達到國際領先水平。形成包括科技研發、裝備制造、工程設計建設、生產運營、人才培養和隊伍建設在內的完整產業體系;形成秸桿采集、儲存、調運、纖維素酶生產和配送、纖維乙醇生產與集中脫水加工等較為完備的生產經營管理模式，實現纖維乙醇產業化重大突破。

1.纖維乙醇產業化步驟

發揮天冠、中石化、中石油等能源骨干企業人才、技術、資金、管理和市場優勢，不斷提高生物質資源能源化轉化效率，實現不同原料、不同規模、不同產品梯級開發產業化發展。因地制宜，結合城鎮化和新農村建設，以產業集聚區為依托，采取不同產品結構模式，設計建設3～10萬噸不同規模纖維乙醇廠。實施沼渣和爐灰還田，保持土地資源和糧食生產可持續發展。

――采取“醇―氣”模式建設纖維乙醇工廠，實現木質纖維素分類利用，纖維素生產乙醇，半纖維素生產沼氣聯產，木質素殘渣發電供熱。

――結合現有秸稈電廠，采取“醇―電”聯產模式，首先利用秸稈中的纖維素生產乙醇，剩余木質素廢渣作為電廠燃料和半纖維素等產生的沼氣聯產發電，重點解決醇、氣、電一體化技術和裝備系統集成。

――在糠醛和木糖（醇）生產集中地區，整合糠醛、木糖（醇）生產規模，以玉米芯為原料，首先用半纖維素生產糠醛或木糖（醇），剩余糠醛或木糖渣中纖維素生產乙醇，剩余木質素作為燃料發電，實現纖維乙醇、糠醛（木糖）和發電聯產，提升原料資源利用效率，解決生產環節污染問題，實現“醇―化―電”一體化發展新模式。

2.實施關鍵技術創新工程

――開展纖維素酶生產技術提升研究，不斷提高菌種產酶效率，提升自控水平，進一步降低纖維素酶生產和使用成本，建設配套生產和供應基地。

實施關鍵技術創新工程，重點開展纖維素酶生產、原料預處理、酶解發酵三大關鍵步驟技術攻關，進一步提高纖維乙醇的技術經濟性。

――加大能源植物優選培育和能源作物基地建設力度，利用河南省未開發荒地，種植能源作物，提高原料畝產和纖維素含量，開展規模化能源作物種植。

――依托車用生物燃料技術國家重點實驗室，整合高校基礎研究資源，重點解決纖維素酶、木聚糖酶等多酶系生產菌種構建，篩選優化高效、耐逆菌株，提高纖維素酶生產效率和發酵酶活，提高多酶系酶解效率，實現纖維素酶生產和使用成本大幅降低。

――構建高效、長壽命、高耐受性代謝工程菌株，選育馴化適合工業化生產的混合糖發酵菌株，實現纖維素、半纖維素共同發酵生產乙醇，提高原料轉化乙醇效率，建設萬噸級技術示范工程。

――開發連續高效低能耗預處理技術和設備、提升同步糖化發酵、蒸餾濃縮耦合等工藝技術水平，形成3～10萬噸工藝技術包。

（二）沼氣利用與農村新能源體系建設

1.工業大中型沼氣與高值化利用

實施纖維乙醇-沼氣聯產，提升食品、輕工、化工、生物醫藥等行業的廢渣、廢液聯產沼氣水平，重點建設日產5萬m3、10萬m3以上的大規模工業化沼氣工程，通過高溫全混厭氧發酵、中溫上流式厭氧污泥床、膨脹顆粒污泥床相結合的工藝提高厭氧發酵COD去除率、擴大沼氣消化液資源化利用規模，降低有機廢水好氧處理的負荷。開展以沼氣綜合利用為核心的企業泛能網示范，提高能源利用效率，減少污染物排放。鼓勵沼氣規模化生產生物天然氣入站入網，壓縮生物天然氣（CBNG）用作車用燃氣、居民用氣及發電。

工業大中型沼氣主要圍繞纖維乙醇、生物化工、食品等高濃度有機廢水、廢渣排放企業，按照集中就近原則，合理布局，優先配套建設分布式能源供應系統。

2.農村大中型沼氣和農村新能源體系建設

按照堅持走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮化道路的要求，將生態文明理念和原則全面融入新型農村社區，構建農村新能源體系。以大中型沼氣建設為核心，加快農村能源消費升級，為新農村建設提供高品位的清潔能源，提高農村居民生活質量，改善居住環境，推進生物能源鎮（社區）示范，推動綠色、健康、生態文明的新型農村社區建設。依托大型養殖企業或利用秸稈建設大型沼氣集中供氣工程，并在條件具備的社區試點沼氣分布式能源，實現氣、電、熱聯供。開展農村微電網示范，探索可持續的運營模式。開展太陽能熱水系統和地熱能采暖并提供生活熱水示范項目建設。根據各地資源條件，開展沼氣、小水電、太陽能、地熱能、風能等多種能源組合的用能方式示范，探索適宜中部地區的農村能源發展模式，推動農村新能源體系建設。

3.城市生活垃圾沼氣

在省轄市或地區性中心城市，結合城市污水和有機垃圾收集，建設大型或超大型工業沼氣工程。對生活垃圾進行二次集中分類處理，構建“有機廢棄物―厭氧發酵―沼氣發電―沼液沼渣制肥”等循環經濟鏈條。在建或新建垃圾填埋場配套建設填埋氣回收裝置生產沼氣，鼓勵大中型垃圾填埋場建設沼氣發電機組。

4.生物質熱解氣化

以城市廢棄物和農村生物質廢棄物為對象，結合工業園區的能源需求，建立熱電氣聯供的生物質燃氣輸配系統示范工程。大力推行區域集中處理模式和循環經濟園、工業園等園區模式，選取已經啟動基礎設施建設程序的項目作為示范工程，真正做到科技與需求相結合、技術與產業相結合。提高生物質氣化技術水平，限制生物質氣化產業發展的一個主要原因是技術仍處于較低水平，未來的發展首先要解決技術問題，包括加強生物質氣化基礎理論研究，提高氣化爐工作效率、燃氣凈化效率，提高裝備系統穩定性，增強系統自動化程度，完善產業鏈各項關鍵技術，打造生物質氣化技術流水線生產。擴展氣化技術應用領域，不但要將生物質氣化技術應用于木質生物質原料，還需根據生物質原料來源及單位用途，發展適于工業生物質、農業生物質、城市生活垃圾等多元生物質氣化技術，并根據用途發展高品質燃氣技術、氣化供熱、發電、制冷等多聯產技術。實現生物質氣化技術產業裝備生產的規模化，提高裝備的設計水平，擴大裝備的生產規模，實現設備的系列化、標準化、大型化，并完善上下游相關企業單位，實現裝備技術的自主化設計制造，取得自主知識產權，構建完整的生物質氣化技術裝備設計與制造產業鏈。

5.生物質制氫

河南省乃至我國的生物制氫技術尚未完全成熟，在大規模應用之前尚需深入研究。目前需要解決的問題還很多，如高效產氫菌種的篩選，產氫酶活性的提高，產氫反應器的優化設計，最佳反應條件的選擇等。生物制氫技術利用可再生資源，特別是利用有機廢水廢物為原料來生產氫氣，既保護了環境，又生產了清潔能源，隨著新技術的不斷開發，生物制氫技術將逐步中試和投產，成為解決能源和環境問題的關鍵技術產業之一。

（三）成型燃料產業化

在成型燃料產業化方面，發揮河南省科學院能源研究所有限公司、農業部可再生能源重點開放實驗室、河南省生物質能源重點實驗室、河南省秸稈能源化利用工程技術研究中心等科研院所的人才和技術優勢，依托河南省秋實新能源有限公司、河南奧科新能源發展有限公司、河南偃師新峰機械有限公司等企業，加大生物質成型燃料的關鍵技術突破和產業化推廣。完善生物質成型燃料原料、工藝、產品、應用等環節，建設原料收儲運模式，優化組合工藝生產線、降低能耗、提高自動化控制程度，加大推廣力度和規模。

1.成型燃料產業化步驟

――根據河南省不同地域的生物質原料分布產出規律，結合生物質成型燃料生產模式及生產企業生產實際情況，開展收儲運的理論研究和試驗示范，建立生物質原料的收儲運模式，解決農林生物質原料收儲運成本費用問題。建立健全農林生物質原料收儲運服務體系，建立適宜不同區域、不同規模、不同生產方式的農林生物質原料收儲運體系。在河南省有代表性的區域，建成規模不小于5萬噸/年的成型燃料收儲運生產示范體系。

――研究生物質物料特性參數、生物質成型過程特性參數以及成型產品特性參數在線式數據采集與控制系統，保證生物質成型燃料全生產系統的智能化控制，保證成型系統穩定持續運行。將生產系統穩定生產時間提高到5 000小時/年，實現工業化連續生產。

――根據河南省不同地域原料特性，開發出以木本原料為主的高產能、低能耗的顆粒燃料成型機組，單機生產規模達到3-5噸/小時，成型燃料生產電耗達到60kW?h以下;配套設備完整匹配，形成一體化連續生產能力，示范生產線規模達到1萬噸/年;選擇代表性區域，建成年產2萬噸以上顆粒燃料示范生產基地。

――根據河南省不同地域原料特性，開發出以草本原料為主的高產能、低能耗的塊狀成型燃料成型機組，單機生產規模達到3-5噸/h，成型燃料生產電耗達到40kW?h以下;配套設備完整匹配，形成一體化連續生產能力，示范生產線規模達到3萬噸/年;選擇代表性區域，建成年產5萬噸以上顆粒燃料示范生產基地。

2.成型燃料規模化替代化石能源關鍵技術與工程示范

針對目前生物質成型燃料在燃料利用環節存在能源轉化效率不高、應用規模小，高效綜合利用及清潔燃燒技術水平不高等問題，開展成型燃料氣化清潔燃燒關鍵技術設備研發和推廣，從而實現生物質成型燃料的高效清潔燃燒利用，規模化替代燃油、燃氣等清潔燃料。

――研發成型燃料高效氣化及清潔燃燒關鍵技術，開發生物質成型燃料沸騰氣化燃燒爐、大型高效氣化爐，研制低熱值燃氣高效燃燒及污染控制技術，取得生物質氣化系統與工業窯爐耦合調控技術。燃燒設備規模達到MW級，能源轉換效率達到75%，各項環保指標達到燃油或燃氣爐窯排放指標。建設年消耗千噸的生物質成型燃料的氣化燃燒替代工業窯爐燃料的示范工程，實現生物質能源在工業窯爐上應用的突破。

（四）開發相關生物化工及綜合利用產品

積極推進生物化工產品技術研究和產業化示范，實現對石油、天然氣、煤炭等化石資源的替代。圍繞纖維乙醇的副產物如二氧化碳、木質素等開展綜合利用，提高產品的附加值;開展纖維質原料制取乙二醇項目產業化示范;拓展生物乙烯及下游產品產業鏈，開拓乙醇深加工新產業鏈;開發生物丁醇和生物柴油相關生物化工品。

1.二氧化碳基生物降解材料和化學品

加強高活性、安全、低成本催化體系研究，突破反應條件溫和、環境友好的聚合工藝和非溶劑法提取技術，開展二氧化碳基生物降解材料及下游制品的產業化示范。積極研發二氧化碳與甲醇一步法合成碳酸二甲酯等關鍵技術，重點發展聚碳酸亞丙酯樹脂、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、發泡材料和阻隔材料等深加工產品。

2.纖維乙二醇、丙二醇、丁醇、糠醛下游產品產業化

依托天冠、財鑫等在生物化工技術研發方面具有優勢的大型企業集團，開展纖維質糖平臺為基礎的生物化工醇技術攻關和產業化示范，重點發展纖維乙二醇、丁醇等高附加值產品產業化示范。依托宏業生化發展糠醛下游深加工產業鏈包括乙酰丙酸、糠醇、二甲基呋喃、四氫呋喃、呋喃樹脂等。

開展纖維乙二醇等多元醇生產技術優化改進和產業化示范，提高生產效率和產品收率、質量，正在建設萬噸級產業化示范裝置，到2015年完成10萬噸級乙二醇、丙二醇生產裝置，到2020年形成50萬噸生產能力。

開展纖維素水解物生產丁醇菌種的選育（葡萄糖木糖共利用），推進細胞表面固定化技術及其反應器的開發，采用反應-吸附耦合的過程集成研究，縮短發酵周期，提高產物濃度和分離效率，2015年完成2萬噸級纖維丁醇示范，2020年形成10萬噸/年纖維丁醇生產能力。

開展以糠醛為原料的乙酰丙酸、糠醇、二甲基呋喃、四氫呋喃、呋喃樹脂等產品的深度開發，2015年建成連續化和規模化生產基地，2020年形成年加工50萬噸糠醛生產規模。

3.生物乙烯及下游產品

開展乙醇高效催化制乙烯產業化示范。著力突破乙醇脫水制備乙烯催化劑關鍵技術，提高催化劑的選擇性、壽命和催化效率，實現生物乙醇生產乙烯工藝的長周期、低成本、穩定運行。完善提升乙烯-聚乙烯-塑料制品和乙烯-環氧丙烷-乙二醇-聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）兩條產業鏈，大力發展塑料制品、包裝材料和高端服裝面料。

4.木質素高值化開發利用產品

提高木質素綜合利用水平，重點開發膠粘劑、有機緩釋肥料、木質素復合材料、水泥保濕劑、高值燃料等產品，拓展其在化工、農林、建筑等領域的應用范圍。

（五）微生物柴油產業化

根據國內外現有研究成果，結合綠色化和生物精煉概念的理念，實現微生物柴油的產業化。微藻等微生物養殖和生產生物柴油技術實現重大突破，開展萬噸級工業化示范。集合微藻等微生物優良品種選育、高效轉化、規模化養殖、油脂提取精煉等核心技術，開展工業化養殖、生產示范，實現微生物柴油和副產品的多聯產。

1.木質纖維素生物質的綜合處理技術

木質纖維素生物質主要成分為纖維素、半纖維素和木質素，經過一定的物理/化學處理，木質纖維素糖化，用于微生物的培養。副產物中的糠醛等物質會影響微生物的生長和代謝，綜合的處理技術目標是將這些副產物控制在最低的水平，同時達到最高的降解效率。酸堿和離子液等化學處理要配合溫度、壓力，適度的破碎要配合微波、超聲、蒸汽爆破技術，從而達到能量消耗最小，水解產物變性最少的效果。這些處理技術綜合起來需要針對不同物料有序實施。

2.產油微生物脂類代謝的遺傳調控

對于產油微生物油脂過量積累的機制當前還停留在生化水平上。利用基因組學、蛋白組學和轉錄組學技術，研究產油微生物脂肪代謝的基因調控機制，通過對某些關鍵基因實施遺傳修飾，使其朝著人為設定的代謝流方向發展，最大限度的發揮轉化作用。理解脂肪代謝的基因調控原理還有利于通過不同發酵模式調控油脂積累，有利于更好的利用工業廢棄物生產油脂，有利于通過培養基營養限制調控脂肪的積累，有利于利用小分子誘導物調控細胞的繁殖和脂肪積累。

3.微生物柴油原位轉酯技術

傳統的微生物柴油生產周期長、成本高，而且打破微生物堅實細胞壁的操作很難實施。基于微藻等微生物生物柴油生產的周期分析顯示，90%的能耗是用在微藻的油的提取工序上，表明油的提取工藝的進步將大大影響生產成本，決定著生物柴油加工產業的經濟效益。近期“原位”轉酯方法用于藻類生物產油生產受到密切關注，這種在細胞內酯類與醇類接觸直接發生轉酯反應，而不需要將脂類提取出來再與其發生反應。這種直接轉酯技術，不僅能夠用于微生物的純培養物，同時有效適用混合培養產物的生物柴油生產。研究顯示，原位轉酯技術能夠降低樣品中的磷脂的量，甚至達到不能檢出的水平。生物質的含水量會極大的影響油脂的提取率，而小球藻原位轉酯研究發現，適當增加轉酯反應底物醇的比例能夠從含水量較大的生物質中獲得較高產率的生物柴油，將大大減少微生物生物柴油的能量消耗和設備投入，明顯降低生產成本。

4.生物精煉概念下的微生物柴油生產技術體系

木質纖維素物質來源廣泛，如果在處理過程中將某些附加值較高的化學提取出來將會大大提高收益。同時，將微生物菌體所含的營養物質充分利用也會大大節省原料成本，例如將酵母菌提油后的殘渣經過加工脫除抗營養因子后再用到微生物培養基的配制，可以節省大量含氮營養添加物。轉酯反應的副產物甘油可以提純后加工成丙二醇，后者是一種附加值更高的化學原料，甚至粗甘油用于培養基添加會提高微生物油脂的積累。廢水處理可以用厭氧發酵生產甲烷或氫氣，也可以通過微藻培養回用有機營養物。

5.生物柴油相關生物化工品

積極利用生物柴油副產品甘油，采用高活性、高選擇性的催化劑，突破反應熱移除、微生物法二羥基丙酮等關鍵技術，重點開發環氧氯丙烷、乙二醇、丙二醇、十六碳酸甲酯、二羥基丙酮（DHA）等高附加值精細化工產品，拓展其在醫藥、化工、食品等領域應用范圍，實現資源高效綜合利用。

6.生物質乙酰丙酸平臺化合物

完成以玉米秸稈為原料水解生產乙酰丙酸工藝的優化設計與中試，解決生產過程設備腐蝕問題，完成乙酰丙酸的分離純化工藝，完成乙酰丙酸的衍生物乙酰丙酸乙酯的生產工藝設計，將生物質高效轉變為乙酰丙酸等平臺化合物。完成千噸級的生物質水解生產乙酰丙酸聯產糠醛工藝、乙酰丙酸酯化工藝中試裝置的建設及運，完成放大級的生物質水解的生產乙酰丙酸工藝包的開發設計。

7.生物質間接液體燃料

開展生物質間接液化技術及產品開發，利用生物質先氣化成合成氣（由CO和H2組成的混合氣體）、然后再將合成氣液化得到的產品，如甲醇、二甲醚、費托汽柴油等，逐步建立中試及示范工程。

8.生物質納米材料

以生物質作為原料合成碳基納米材料、多孔碳材料及復合材料，所制備的納米材料具有優異的固碳效率、催化性質和電化學性質，使其在催化劑載體、固碳、吸附、儲氣、電極、燃料電池和藥物傳遞等領域潛在重要應用，使其成為合成技術研究的熱點。

（六）強化生物質能化裝備產業化與基地建設

圍繞生物質能化產品規模化開發利用，依托特色產業集聚區，發揮骨干裝備制造企業的產業基礎和技術優勢，加強與國內外優勢生物質能化裝備企業和專業科研院所合作，整合上下游企業，完善特色生物質能化裝備產業鏈。突出集成設計、智能控制、綠色制造和關鍵總成技術突破，培育一批具有系統成套、工程承包、維修改造、備件供應、設備租賃、再制造等總承包能力的生物質能化裝備大型企業集團，建設一批特色鮮明、技術先進、在全國有重要影響的生物質能化裝備基地。

1.農林原料收儲運裝備

以洛陽、許昌等農機產業集聚區為重點，集合國內先進農林機械制造企業，引進國外先進制造技術，骨干企業，重點突破秸稈剪切、拉伸、壓縮成型等基礎共性技術，大力發展稻麥撿拾大中型打捆機、玉米秸稈收割調質鋪條機、棉稈聯合收割機、能源林木收獲機械、高效粉碎機械與成型機等重大整機產品，帶動相關零部件產業配套發展，切實提高生物質收集、裝載、運輸、儲藏的高效性和通用性。

2.纖維乙醇成套裝備

以南陽新能源產業集聚區為重點，依托天冠集團現有纖維乙醇成套裝備，集成國內外先進技術，加大設計研發力度，加快推進具有自主知識產權的纖維乙醇成套裝備技術提升，打造世界領先的纖維乙醇成套裝備制造基地。重點開發原料預處理低溫低壓、大型連續汽爆技術和裝備，纖維素酶大型、高效生產技術和裝備，大型高效連續酶解發酵技術和裝備，高抗堵蒸餾及熱耦合干燥成套裝備，木質素燃燒高效能量轉化裝備。2015年前形成年總裝10套3～10萬噸級纖維乙醇成套裝備能力。2020年形成年總裝300萬噸纖維乙醇成套裝備能力。

3.沼氣生產及沼氣發電成套裝備

以南陽新能源、鄭州經濟技術、安陽高新技術和長葛市等產業集聚區為重點，依托天冠集團、森源集團等骨干企業，加快發展有機廢棄物高效率厭氧消化及沼氣生產、沼氣制取生物天然氣、民用沼氣加壓輸送、撬裝式CNG加氣站以及生物天然氣分布式能源集成等成套裝備。加強與美國通用、德國西門子和日本三菱等國外優勢企業合資合作，大力發展2 000千瓦以上大型沼氣發電技術和裝備。在南陽形成大型工業沼氣成套裝備基地，在許昌和周口形成農村大中型沼氣成套裝備基地，在鄭州形成生物天然氣分布式能源與CNG加氣成套裝備基地，在安陽形成城市有機垃圾沼氣成套裝備基地。

4.生物質成型燃料及其高效利用成套裝備

依托河南省科學院能源研究所有限公司、河南秋實新能源有限公司等，建成成型燃料成套生產設備和生物質熱解氣化、高效燃燒及生物質成型燃料氣炭油聯產設備加工生產基地。

5.生物柴油和生物熱解技術裝備

依托中石化、中石油集團先進生物柴油和航空生物燃料技術，發揮洛陽、商丘裝備制造業優勢，加快發展水力空化、臨界態甲醇酯化等新型生物柴油裝備，形成成套生產能力。加快開發生物質快速熱解、生物油催化加氫生產車用燃料技術和裝備。

6.生物化工產品關鍵裝備

依托河南財鑫集團、華東理工大學、天津大學，設計研發優化改進秸稈制乙二醇等多元醇高效預處理、糖化、連續氫化裂解反應器和節能精餾分離等關鍵設備。

依托河南天冠集團、鄭州大學、清華大學、浙江大學、中山大學、中科院上海生命科學研究院等，設計研發優化二氧化碳降解塑料反應釜、脫揮擠出造粒、產品改性等關鍵設備，生物柴油副產物甘油制1，3-丙二醇反應自控流加、膜法分離、脫鹽、濃縮、真空精餾等關鍵設備，纖維丁醇發酵分離耦合反應器、離交樹脂產物分離等關鍵設備。

依托宏業生化、河南省科學院能源研究所、中科院廣州能源所、山東省科學院，設計低溫低壓精餾塔、液相管式推流反應器、高效多級蒸發等關鍵設備;改進廢液無公害化處理、高效分散造粒、低分子量差分離等關鍵裝備。

7.生物柴油和生物熱解技術裝備

依托中石化、中石油集團先進生物柴油和航空生物燃料技術，發揮洛陽裝備制造業優勢，加快發展水力空化、臨界態甲醇酯化等新型生物柴油裝備，形成成套生產能力。加快開發生物質快速熱解、生物油催化加氫生產車用燃料技術和裝備。

8.高比例靈活燃料汽車和雙燃料汽車

與國內外知名汽車發動機制造企業合作，依托鄭州日產、海馬和宇通開發乙醇/汽油靈活燃料汽車和汽油/天然氣、柴油/天然氣雙燃料汽車。前期開發專用發動機、燃料供給及控制系統、氧傳感器等，2015年后形成批量生產能力，配套建設相應的燃料（E85、車用生物天然氣）輸、供、儲設施。2020年靈活燃料汽車產能達到20萬輛以上，雙燃料汽車產能達到10萬輛以上。

（七）其它先進生物燃料技術創新和示范

加大科技研發投入和攻關力度，加快推進生物柴油、航空生物燃料、生物質快速熱解制生物燃料等其他先進生物燃料技術取得重大突破。2015年前開展廢棄油脂生產生物柴油和萬噸級纖維丁醇等示范工程建設，2020年前推動含油林果生產航空生物燃料和高級油產業化發展，微藻養殖和生產生物柴油技術實現重大突破，開展萬噸級工業化示范。

1.生物柴油

在鄭州、洛陽、開封、商丘、安陽、周口、漯河、焦作等餐飲廢棄油脂和工業廢棄油脂富集的地區，加快建立工業廢棄動植物油脂回收體系、餐廚垃圾油脂回收體系，以餐廚垃圾油脂和工業廢棄動植物油脂為主生產車用生物柴油。到2015年形成20萬噸/年產能，2020年前在全省推廣，形成30萬噸規模。

集合微藻優良藻種選育、高效轉化、規模化養殖、油脂提取精煉等核心技術，開展工業化養殖、生產示范，實現生物柴油和副產品的多聯產。

2.航空生物燃料

在南陽、洛陽、三門峽、安陽等山地丘陵區推進規模化的含油林果原料基地建設和采集體系建立，到2020年實現以含油林果為主要原料生產航空渦輪生物燃料和高級油，規模達到25萬噸/年。

3.生物質快速熱解生產車用生物燃料

圍繞生物質快速熱解生產生物油、生物油催化加氫生產車用生物燃料，開展關鍵技術與工程示范研究。2015年完成千噸級中試。2020年建成5萬噸級的生物油催化加氫生產車用燃料示范工程。

篇8

【關鍵詞】生物質顆粒；燃燒特性；排放

0.前言

人類利用生物質能源已有幾十萬年之久，其應用之早，是最直接的一種燃料能源。然而卻因為生物質自身存在的諸多問題，而不能得到廣泛的利用。例如：生物質的熱值比較低、缺少專用的燃燒設備、運輸及存儲不便等。在我國，經濟社會的發展是以能源的消耗作為重要前提的，經濟發展的越快，能源減少的越多。這樣我們所面臨的兩個顯著問題是：環境污染趨于嚴重化；另一個是能源燃料的緊缺。因此，研究燃用生物質顆粒燃料鍋爐的機理，探究其燃燒及排放特性，妥善處理能源燃料緊缺問題，對提升環境質量，改善人民生活環境具有重要的指導意義。

1.燃用生物質顆粒燃料鍋爐簡介

生物質顆粒燃料鍋爐主要采用三室的燃燒結構：即氣相燃燒室、固相燃燒室和燃燼除塵室。固相燃燒室的主要作用是為生物質顆粒燃料供應大量熱解的氣化熱量，從而產生大量的生物質燃氣。這部分生物質燃氣通過底部的吸式結構過濾凈化，并最終被導入氣相燃燒室中從而實現均相的動力燃燒。氣相燃燒室的尾部主要采用旋流結構制造，這樣可以讓燃氣的火焰進行充分的擾流，進而促進燃氣的完全燃燒。而燃燼除塵室一般采用降塵、燃燼、凝渣以及輻射傳熱等組合結構，從而可以實現潔凈燃燒和輻射換熱等多重效果。下面我們給出了一個生物質顆粒燃料鍋爐的簡化圖。

圖1　生物質顆粒燃料鍋爐簡化圖

2.生物質燃料鍋爐的燃燒及排放特性

2.1生物質顆粒燃料鍋爐的燃燒特性

生物質顆粒燃料一般都是經過超高壓壓縮形成的微粒狀燃料，密度較原生物質要大的多，這樣的結構和組織特征使其可以很大程度上降低其的逸出速度和傳熱速度。該種燃料的點火溫度也比較高，但是點火性能存在一定程度的下降，不過仍然要好于煤的點火性能。

生物質顆粒燃料鍋爐在燃燒開始階段會慢慢進行分解，此時的燃燒主要處于動力區，但是隨著燃燒進入過渡區和擴散區，燃燒的速度降低，就可以將大部分的熱量揮發傳遞到受熱面，從而使排煙的熱損失大大降低。同時，揮發燃燒需要的氧氣和外界擴散的氧氣比例適中，從而實現充分的燃燒，并進一步減少了氣體不完全燃燒造成的損失和排煙造成的熱損失。

燃燒充分完成以后，留下的焦炭骨架的結構非常緊密，流動的氣流無法分解骨架，從而使得骨架炭仍然能夠保持完好的層狀燃燒，并形成層狀的燃燒核心。此時炭的燃燒比較穩定，爐溫也相對較高，可以很大程度上減少固體和排煙的熱損失。

2.2生物質顆粒燃料鍋爐的排放特性

2.2.1清灰裝置設置

生物質顆粒燃料鍋爐排放過程中的清灰裝置主要采用機械刮除式以及機械振動式兩種主要方式。并且，在有些燃燒鍋爐中配備相應的灰分壓縮機，這樣就可以滿足進行長時間自動運行的要求。如果設計工藝良好，那么該鍋爐的維護保養都會很有限，不需要進行特殊的清理。

2.2.2相關污染物排放

生物質顆粒燃料鍋爐排放的煙氣中包含有多種不同的物質。其中，主要的污染物有沒有完全燃燒的顆粒CxHy和有害的氣體CO，這些都是由于燃料的未充分燃燒而形成的，同時，也可能和生物質顆粒燃料的組成成分有關系。不過，鍋爐的污染物氣排放量相當低，并且由于生物質燃料中N、S等元素較少，所以最終排放的有毒氣體，如NOx、SOx較燃煤排放的要低的多。

3.生物質顆粒燃燒鍋爐的環境影響分析

生物質顆粒燃燒鍋爐排放的污染物很少，只包括少量的大氣污染物以及固體廢棄物。

3.1大氣污染物

生物質顆粒燃料的纖維素含量比較高，而硫的含量則比較低，因此，燃燒所長盛的大氣污染物較燃煤而言要少得多。另外，生物質顆粒燃料的密度比較大，非常便于運輸和儲存，而熱值也基本和燃煤相當，燃燒鍋爐的燃燒速度要比煤快，燃燒充分且黑煙較少、形成的灰分也比較低，尤其是在采取相配套的脫硫除塵設備之后，大氣的污染物排放就會大幅度減少。根據大量的數據分析可以認為，使用生物質燃料鍋爐進行燃燒后所釋放的大氣污染物濃度要遠遠低于相應的國家標準。

3.2固體廢棄物

生物質燃料鍋爐燃燒后形成的固體廢棄物主要是燃燒完后形成的灰分，這部分廢棄物可以被充分的回收利用。最主要的應用就是將灰分進行回收用作農田鉀肥，這樣可以達到資源充分進行綜合利用的目的。

生物質顆粒燃燒鍋爐排放的污染物很少，對環境的污染影響極低。不僅如此，該種工藝在很多方面還有及其顯著的生態環境效益，例如代替煤炭資源，不經可以減少環境的污染，還解決了日益嚴峻的能源問題。另外，就是將燃燒后形成的固體廢物回收用做鉀肥，實現經濟效益和環境效益的有效循環，實現我國環境事業的可持續發展。做到了變廢為寶，節約資源又保護環境的目的。

4.結論

生物質顆粒燃燒鍋爐主要利用廢棄的農作物資源作為燃料，因此燃料資源豐富，經濟環保，不僅降低了我國農業廢棄物的運輸成本問題和運輸過程中的污染問題，還具有節約資源、保護環境、防止環境污染的作用。生物質顆粒燃燒鍋爐的推廣和使用符合我國建設節約型社會的基本要求和實現可持續發展戰略的基本國策，具有十分突出的經濟效益、社會效益和環境效益，為緩解我國以及世界范圍內的能源緊張問題和環境污染問題提供了解決的思路和方法，對于環境的保護和資源的有效利用具有重要的意義。

【參考文獻】

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篇9

關鍵詞：生物質能源；利用現狀；技術開發；政策建議

中圖分類號：P754.1 文獻標識碼：A 文章編號：

自20世紀70年代以來，全球氣候變暖和日益突出的能源危機為生物質能源發展提供了契機。現代生物質能利用是指借助熱化學、生物化學等手段，通過一系列先進的轉換技術,生產出固、液、氣等高品位能源來代替化石燃料，為人類生產、生活提供電力、交通燃料、熱能、燃氣等終端能源產品。生物質能技術的研究與開發已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學家的關注。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等，其中生物質能源的開發利用占有相當的比重。現代生物質能源利用技術的開發對替代或部分替代化石能源、保護生態環境、實現人類社會的可持續發展具有非常重要的現實意義。

一、我國生物質能源開發利用現狀

生物質能指秸稈、雜草、林木和動植物體及其排泄物等含有的能量。生物質能的利用有多種方法，如直接燃燒發電、微生物發酵產生沼氣、生物發酵制取燃料乙醇，油料作物直接利用和制取生物柴油等。我國有豐富的生物質資源，近兩年，生物質能源在我國受到越來越多的關注，生物質能源利用也取得很大成績，生物質能源利用技術體系和生物質能源產業體系逐步形成。

1.沼氣產業初具規模

沼氣利用是我國發展歷史最長、產業最為成熟的生物質能利用產業。經過多年的研發和推廣，戶用沼氣已形成較完善的產業鏈，沼氣池不僅壽命達到20年，且形成了具有地域特色的沼氣綜合利用模式.我國北方推廣的塑料大棚、沼氣池、氣禽畜舍和廁所相結合的“四位一體”沼氣生態農業模式，中部地區以沼氣為紐帶的生態果園模式，南方建立的“豬-果”模式，以及其他地區因地制宜建立的“養殖-沼氣”、“豬-沼-魚”和“草-牛-沼”等模式，都是以農業為龍頭，以沼氣為紐帶，對沼氣、沼液、沼渣的多層次利用的生態農業模式。沼氣發酵綜合利用生態農業模式的建立使農村沼氣和農業生態緊密結合，是改善農村環境衛生的有效措施，也是發展綠色種植業、養殖業的有效途徑，充分實踐了“資源—廢棄物—再生資源”的循環利用模式，已成為農村經濟新的增長點，符合建立資源節約型和環境友好型社會的標準。

2．生物液體燃料已經起步

通過生物質資源生產的生物汽、柴油和燃料乙醇是生物液體燃料的主要品種。1998年以來，以糧食為原料的燃料乙醇生產已初步形成規模。由于玉米價格不斷攀升以及陳化糧逐步消耗，本著生物質液體燃料的發展需要嚴格遵循“不與人爭糧，不與糧爭地”的原則，2007年國家開始禁止發展糧食乙醇項目，將燃料乙醇生產轉為以薯類、甘蔗、甜高梁等1.5代生物乙醇技術上，強調以邊際性土地生產生物質能源原料，以纖維素為原料的第二代乙醇生物燃料技術，已開始初步商業化。

二、我國生物質能源技術開發的主要進展

1.生物質發電技術

生物質發電技術集環保與可再生能源利用于一體,從戰略需求出發,各國都加大投資力度進行開發利用。生物質發電技術主要包括:直接燃燒發電、與煤混燃發電、氣化發電以及沼氣填埋氣發電等。大規模的生物質直燃發電技術效率較高,但要求生物質集中、數量巨大,因此大規模進行收集或運輸,電站運行管理成本較高。小規模直燃發電技術則效率較低。直燃發電技術在國外已進入推廣應用階段,大部分用于林業廢棄物的處理。生物質直燃發電技術在我國尚未形成系統性研究,許多問題亟待解決,如秸稈中含有較高的氯及鉀、鈉等成分,其灰熔點較低,容易在爐膛內結渣、結焦或沉積于受熱面,嚴重影響生物質燃燒鍋爐的換熱,甚至造成腐蝕。目前國內在建的生物質直燃電廠主要依靠國外引進技術,關鍵設備基本是直接進口或在國內委托生產,既沒有自主知識產權,設備價格也很高,電站建設成本達1.2萬元/kW,發電成本太高已成為我國秸稈直燃發電產業化的主要障礙。生物質直燃的另一種方式是生物質和煤混合燃燒發電技術,該技術規模靈活,經濟性較好。

2.生物質液體燃料技術

生物質液體燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油、生物質裂解油和生物質合成燃料等。近20年來,利用甘蔗、玉米等糖和淀粉類原料制取燃料乙醇, 利用動植物油脂制取生物柴油的技術已經逐步實現商業化。目前玉米乙醇、生物柴油等第一代液體生物燃料已經逐步應用于國內外工農業生產,成為石油燃料的有力補充。然而,由于玉米乙醇、生物柴油以糧食、油料種子為原料,須占用大量耕地,與國家糧食安全存在矛盾,不可能在我國進行大規模生產,因此,近年來生物質液體燃料的原料開始從糧食作物向非糧作物以及農林廢棄物轉變。美國和歐洲開始大量投入,開展以纖維素和木質素等為原料生產生物質液體燃料的技術路線和工業實踐,預計在6~10年內將有重大突破。從資源可持續供給和取得根本性技術突破的角度看,生物質熱解液化、生物質氣化合成燃料具有更加寬泛的資源基礎和廣闊的發展應用前景,與纖維素燃料乙醇一起通稱為第二代生物質液體燃料。我國的第二代生物質液體燃料技術尚處于實驗研究階段,加大其研發示范力度,對盡快實現我國中遠期規模化替代石油資源具有重要的科學和現實意義。

三、制約我國生物質能源產業發展的主要問題

1.資源“瓶頸”

目前，我國生物質能源產業面臨著極大的原料供應問題。如，發酵原料來源單一，限制了沼氣工程的規模化；非糧原料無法全年供應，影響了非糧乙醇生產全年均衡生產；而陳化糧等糖類原料產量有限，難以支撐龐大的乙醇燃料工業體系；生物柴油也面臨缺乏適宜非糧邊際土地及相適應植物新品種，尚無提供大量原料能力的尷尬境地。要根據技術發展分階段、分等級實現生物質資源的多元化利用，近期以廢棄物綜合利用為主，中期以廢棄物和能源作物為主，遠期以能源植物或藻類資源為主，使其開發利用達到最大化。

2.產業模式

一是管理模式存在缺陷，缺乏科學的原料評價體系以及技術規范，生物柴油無法進入運輸燃料系統；二是項目模式有待改進，對小型項目配套政策沒有跟上，使其操作成本高，立項過程復雜；三是經營模式不夠完善，民間資本難以進入，投資風險比較高。

四、推動我國生物質能源產業發展的政策建議

1.將生物質能源置于保障國家能源安全的高度給予支持

生物質對我國能源和資源供應戰略安全有著重要意義，應將其放在保障國家安全的戰略高度給予支持，并在政策上給予一定的傾斜。此外，建議根據生物質能源產業發展的需要，對相關激勵政策進行完善和修改，把與能源生產有關的環境成本和社會成本全部考慮進去，實行全成本定價辦法，制定合理的生物質能源產品價格補貼政策、強制性生物質液體燃料收購政策、鼓勵生物質液體燃料消費的政策。

2.著力于加強生物質能源科技創新

生物質能是我國未來可持續發展的重要可再生能源之一，產業化過程是長期持久的，因此，擁有相關自主知識產權的核心技術是穩步可持續發展的關鍵。政府應鼓勵國產化技術的推廣，對采用國產化技術的單位進行補助，調動其自主技術研發和應用的積極性，建議設立專項資金支持生物質能源的技術創新，從根本上奠定生物質能源大規模替代的基礎工作；建立專項資金為中小型生物質能企業提供政策性擔保，支持生物質能源的產業化進程，推動分散式生物質能源產業體系的形成。

結束語

我國生物質資源開發以有機廢棄物和利用邊際性土地種植的能源植物作為主要原料來源, 從長遠看, 能源農業和能源林業是未來發展生物質能源的基礎。生物質能源產業作為一個正在興起并富有巨大前途的新型產業。發展生物質能源產業有利于破解能源危機，更有利于環境的保護。

參考文獻

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