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【关键词】能源；

生物乙醇；

生物柴油；

光合作用

1引言

从人类迈进新世纪以来，开发新能源成为全世界解决能源问题的共同出路。

新能源不仅与化石燃料相比，具有可再生、对环境友好等特点，而且更符合人类可持续发展的目标。

其中，太阳能、风能、地热能、水能和潮汐能，是开发较早的新能源，已在实际生产生活中发挥了重要作用。

曾一度被人们看好的核能，有着极高的能量值，可是其高额的研究经费和潜在的巨大危害，令世界大多数国家望而却步。

而作为新能源中“排行”靠后的生物能源，却在最近几年内忽然人气锐增，势如破竹，被看作是“新能源家族中可实现度最高的未来能源”。

生物能源主要是指在生物体（尤为植物）内，经一系列化学反应所释放出的能源。

其实，世界上90％的能源消耗来自植物光合作用所积累的能源，比如地球演变的历史上所积累的矿物能源（煤、石油、天然气，因为它们是堆积在一起的有机物经地质作用形成的），但总有一天矿物能源会消耗殆尽。

能源危机威胁着人类的发展。

所以发展可再生能源，尤其是利用植物光合产物转化成便于利用的能源，引起了全球的广泛关注。

人类利用生物能源，实质是将植物通过光合作用固定的碳的能量释放出来。

它的好处在于:

一、中性的碳循环，即无温室效应；

二、生物再生的能源有助于克服化石能源供应的萎缩。

并且，发展生物能源不仅可以解决资源、环境的问题，还可以带动农业产业的发展，实现环境与经济效应的双赢。

2现阶段生物能源的类别

2.1燃料乙醇的生产与利用

纤维素是植物的木质部分，是地球数量最大的植物积累的产物，植物从太阳获取的绝大部分能量也都储存于其中。

所以人类一旦掌握了释放出存储在纤维素中能量的技术，能源危机便可迎刃而解。

在北京市科技俱乐部组织的活动中，研究纤维素技术。

我了解到纤维素的降解和转化是十分关键的步骤，也是巨大的难点。

纤维素犹如植物坚硬的骨架，因此它远比淀粉类物质难分解。

而突破口是找到合适的能高效分解纤维素的酶。

在这方面生物又给了我们很好的启示：

牛吃的是充满纤维素的草，却能够胜任拉车、耕田的重活。

牛胃的反刍作用，其中微生物产生的纤维素酶都是很值得我们去模拟的。

而从另一个角度，我们还可以通过提高植物体内的纤维素含量，来提高转化效率，降低成本。

天然的甜高梁、柳枝稷是目前已知的高纤维素含量植物，而通过对它们进行转基因处理，我们能从单位植株中获得更多的纤维素。

纤维素的酶解和酒精的发酵可以在各自的最适条件下进行，并且通过工艺技术把它们耦合成一步，降低了设备成本，同时抑制了反馈调节。

利用高产的纤维素来产生酒精能源是拯救能源危机的一注强心剂。

在国际上，早在20世纪30年代就有人将酒精作为发动机燃料使用，至今已经有80多年的历史。

近20年由于矿物能源逐渐枯竭，环境问题越来越突出，燃料酒精的生产和应用获得突飞猛进的发展。

1975年巴西首先开展燃料酒精计划，接下来1978年美国、加拿大也开展了类似的计划。

目前美国和巴西是世界上使用燃料酒精时间最长，成效最好的国家。

他们燃料酒精产量约占全球总产量的70%以上。

随着各国不断加大燃料酒精应用的力度，带动了世界燃料酒精产量逐年攀升。

到2005年，世界燃料酒精消费总量已超过3236万吨，2006年为3503万吨，大约占到世界汽车燃料消费总量的1%，最近几年，由于石油价格的上涨，燃料乙醇的消费增长在提速。

酒精汽油是用90%的普通汽油与10%的无水酒精混合而成，含氧量达35％，燃烧充分。

在汽车发动机不进行改造的情况下使用，动力性能基本不变，排放的尾气中一氧化碳和碳氢化合物平均减少30％以上，可有效降低有害尾气的排放。

由于酒精辛烷值高，蒸发潜热大，可采用高压缩比提高发动机的进气量，进而提高发动机的热效率和动力性。

因车用酒精汽油燃烧彻底，能有效的消除火花塞、燃烧室、气门、排气管、消声器等部位的积炭，可减少故障，延长部件使用寿命。

乙醇常温下为液体，储运使用方便。

燃料酒精的诸多优点使人们对其予以高度关注，近年在国内外获得迅猛发展，国际产量迅速提升。

目前燃料酒精的生产是用酵母或不动杆菌以可发酵糖，如葡萄糖、蔗糖等为原料，在无氧条件下通过发酵产生酒精，然后经过分离、分馏获得。

在国内外主要是用玉米，经过加工生产淀粉，再用α-淀粉酶和糖化酶水解，将淀粉转化为葡萄糖，用作酒精生产原料；

也可以直接使用蔗糖或糖蜜为原料进行发酵生产酒精，这两种技术均已成熟。

当然，如果能够将纤维素及其他糖质物质水解转化为葡萄糖，用于燃料酒精生产，其原料来源更丰富，但是目前将纤维素转化为葡萄糖的技术还不成熟，还处于研究发展阶段。

除了燃料酒精，还发现丁醇是更好的燃料，丁醇与酒精相比，蒸汽压力低，与汽油混和时对水的宽容度大，混合比例高，燃油效率和行驶里程高，无需对车辆进行改造。

而且丁醇生产与酒精生产工艺和原料相似，现有酒精生产设施经过改造便可转而生产丁醇。

因此丁醇是更具有发展前途的生物燃料。

2.2生物柴油的制取

生物柴油中硫含量低，可减少约３０％的二氧化碳和硫化物的排放量；

生物柴油中不含污染环境的芳香族烷烃；

与普通柴油相比，使用生物柴油可降低９０％的空气毒性，减少９４％的患癌率；

生物柴油含氧量高，燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与普通柴油相比减少约１０％（有催化剂时为９５％）；

生物柴油生物降解性高，对土壤和水污染较小。

较好的低温发动机启动性能。

-20℃内无需添加防冻液。

较好的润滑性能。

使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。

较好的安全性能。

由于闪点高，生物柴油不属于危险品。

良好的燃料性能。

十六烷值高，使其燃烧性能好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，能使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。

可再生性。

与石油储量不同，可通过农业或林业种植再生。

无须改动柴油机，可直接添加使用。

生物柴油以一定比例与石油柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。

2.2.1生物柴油的生产原料

主要有地沟油，油料作物。

油料作物包括油菜、大豆、花生、棉籽、亚麻等，其中油菜在世界范围内应用最广。

中国种植了大约700万亩的油菜，每年的产量可达到1300-1400万吨，

油料林木果实，包括油茶、油桐、乌桕、麻疯树、光皮树、黄连木等树种。

2.2.2生物柴油的制作工艺

化学法合成生物柴油有以下缺点：

工艺复杂，醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置；

能耗高，色泽深，脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；

酯化产物难于回收，成本高；

生产过程中有废碱液排放，对环境有一定影响。

超临界甲醇法是利用植物油、动物油或者废油脂制备生物柴油的新工艺，它的最大特点是不需要另加催化剂，超临界甲醇既是反应介质，又是反应物与催化剂。

超临界法对原料要求不高，无酸碱污染，转化率高。

超临界甲醇法与酸、碱催化法相比，具有如下优点：

不需要催化剂，对环境污染小；

对原料要求低，水分和游离酸对反应的不利影响较小，不需要进行原料的预处理；

反应速率大大提高，反应时间大大缩短；

产物下游处理简单；

易于实现连续化生产。

但是超临界甲醇法制备生物柴油也有明显的缺点：

比如反应条件苛刻，高温高压，使反应系统设备投资增加；

反应醇油比太高，甲醇回收循环量大。

生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转脂化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。

酶法合成优点：

生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点，可以减少设备投资和污染，而且耗能少，对油脂原料要求也低。

酶法合成缺点：

对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为４０％～６０％。

脂肪酶对长链脂肪醇的酯化和转酯化有效，而对短链脂肪醇（如甲醇或乙醇等）转化率低，而且短链醇对酶有一定毒性，酶的使用寿命短。

副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。

酶的高成本和最多只能使用５～６次的易失活性却成为推广这一生产工艺的瓶颈。

Kazuhiro等人还考察了戊二醛交联处理对固定化米根霉细胞脂肪酶活性的影响。

用质量分数为0.1%的戊二醛溶液处理后，经过6次回用，胞内脂肪酶的活性并没有明显的下降。

利用不同的脂肪酸作为碳源，细胞膜的脂肪酸组成不同，细胞催化剂的催化活性和稳定性也不同，不饱和脂肪酸有利于提高细胞膜的通透性，使酶催化活性提高，而饱和脂肪酸有利于提高细胞的刚性,使酶稳定性提高。

优点：

有利于产物的分离及细胞的回用。

缺点：

存在传质阻力的问题——细胞的通透性是影响传质阻力的主要因素。

例：

Matsumoto等构建高表达米根霉脂肪酶的菌株酿酒酵母MT8-1，采用冻融和风干的方法来增强细胞的通透性，生物柴油得率可达71%。

Matsumoto等还利用基因工程表面展示技术将脂肪酶重组蛋白表达在细胞表面催化合成生物柴油，反应72h甲酯得率达到78.3%。

3人工光合作用研究进展

3.1韩利用纳米技术成功研发人工光合作用技术

据韩国联合通讯社报道，韩国科学技术院（KAIST）新材料工程学系教授朴赞范（音译）率领的科研小组宣称，他们利用纳米材料成功地研发了人工光合作用技术。

研究人员仿效自然界的光合作用，利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能，由此产生氧化还原酶反应。

简而言之，这是一种利用光能生成精密化学物质的技术。

[10]

3.2英研究揭示出光合作用关键膜蛋白

伦敦帝国理工学院和医学院的一位生物化学家巴伯和斯德哥尔摩大学的一位化学家安德森说,在新近的研究揭示出使植物和细菌能利用太阳能的关键膜蛋白质的结构的基础上,光合作用可能会成为“第一种其结构、功能和调节机制在原子级上都严格如物理化学术语描述的、复杂的生物系统”。

尤其是,这些科学家通报了证明“获取光的色素蛋白质”的结构这一研究成果,他们说这一进展最终可能使人工光合作用成为可能。

这种获取光的色素蛋白质使光合生物具备利用全部太阳光谱并在没有光的地方生长的优势。

借助一种叫做电子结晶学的新技米,科学家们能观察获取光的叶绿素a/b蛋白质复合休又称（LHC11）的结构[11]。

3.3模拟自然光合系统PS-Ⅱ及无机半导体光催化体系催化理论及制备方法取得较大进展

两个领域中人工光合作用取得了较大进展[12]：

（1）模拟自然光合系统PS-Ⅱ设计合成超分子领域，研究者已经制备了一系列结构和功能接近PS-Ⅱ的光催化系统，但是其自我修复能力、电子转移速率和光催化效率均未达到自然光合作用系统的水平，还需要进一步探索和改进。

模拟氢化酶方面存在更大的问题，相比光合作用研究者对氢化酶的关注较晚，研究和表征手段的局限性导致氢化酶的制氢原理至今尚未完全明晰，还需要结合理论计算和人工模拟在今后的研究中进一步探索。

[12]

（2）无机半导体光催化体系的催化理论及制备方法相对成熟，已经设计并制备出一些催化效率较高的体系。

但是高效率的体系往往需要用到贵金属，导致体系成本较高，如何用廉价催化剂制备高效光催化系统是一大问题。

另外可见光的利用率也没有达到自然光合系统的水平。

[12]

4用光合作用产能研究未来趋势及展望

光合作用，利用水和二氧化碳，在光照条件下反应生成有机物和水，需要叶绿素、色素分子、NADPH、ATP、各种酶等物质的参与，然而这些物质在反应中都是循环利用的，也就是说理论上来说光合作用利用光能产生ATP和有机物，只消耗了二氧化碳和水，而有机物的氧化放能又会产生二氧化碳和水，因此仅仅利用了光能既产生了我们所需要的能量。

而就上述现阶段人类利用光合作用产能的发展和技术，各有着不同的方向和前景。

4.1利用藻类开发能源是当前最可行开发技术

首先，在藻类的培养上，可操作性很强。

藻类的繁殖条件要求很低，是自然界最常见的生物，且储量很大，因此在藻类的大量培养上所需的成本不高，甚至可以采取大自然中现有藻类。

目前全球有相当多的水体中出现藻类泛滥，产生赤潮、水华等水体污染现象。

若能够开发藻类来产生我们所需的能源，还能部分解决全球水体中的污染状况。

除了索取原料较方便之外，从藻类中榨出油来的步骤也相对较容易实现，因此利用藻类来开发能源是当前最可行的可发技术。

藻类的产能量是巨大的，太平洋西北国家实验室的MarkWigmosta和同事今年递交了一个报告，报告根据目前的技术使用了相当保守的假设和估算，仍然得出每年理论上能够获得的脂质体藻类总量应该在2.16亿吨，可见藻类所代表的生物燃料原料完全可以和陆地上生产的生物燃料原料相媲美，甚至前景还更好[15]。

但其也存在很大的局限性，例如现阶段藻类的处理成本还较高，处理一公斤水藻的成本是5欧元，显然并不划算[8]，寻找方法降低处理藻类的成本，成为现阶段藻类产能的研究方向。

4.2利用植物光合作用制造燃料电池是未来能源长期发展的重要补充

人类的许多使用产品都离不开电池，电池在人类的生活中起到了相当重要的作用。

因此可以预见在未来，能源研究的市场上也少不了对电池能源的研究和开发。

目前利用光合作用制造燃料电池在此领域已有了一些突破，并且会继续发展。

对于不同于主要能源的电池能源，会成为未来新能源开发长期发展的重要分支。

4.3转基因能源物质育种技术的发展前景非常有限

虽然利用转基因技术培育转基因能源物质的技术相对比较可行，但是此技术的发展前景非常有限。

现阶段需要考虑和开发的新能源要是能够适应全球的能量需求的，利用转基因产生的能源物质虽然能够产生较一般植物更多的有机物，但是其产量终究是很有限的。

就算此技术已经很成熟，并且培养了大面积的能源植物，其产量还是难以符合全球能源的需求量，因此转基因能源物质育种技术只能作为中短期过渡性新能源开发技术。

4.4人工光合作用将成为开发新能源的主流路线和最终目标

最终开发的可以替代石油燃料的新能源应该是能够大量产生的、环保的、较廉价的。

对于这三个最基本的方面来说，人工光合作用较其它技术来说更具有优势性。

其发展的最终目标是在体外能够模拟生物体内的光合作用，并且产生大量的能源物质。

这一技术如果能够发展起来，人类便能很好地利用太阳能来获得我们所需要的能量。

但是毫无疑问就目前的状况来看，离这项技术的最终目标差距还甚远，但在各方面也都有一些突破。

首先要利用光合作用，就要首先对生物体内的光合作用有一个很全面详细的了解。

这个了解可以从藻类入手。

众所周知，高等植物的光合作用都要在叶绿体内进行，这与我们研究人工光合作用就有着很大的差距，而藻类则不同，它们进行的是非叶绿体内的光合作用，换句话说，光合作用不是一定要在叶绿体内才能进行，因此这就离我们的研究目标进了一步。

蓝藻就是一个很好的选择，研究表明，蓝藻的光合色素主要是叶绿素a，并且具有藻蓝素，藻红素等辅助色素，能够吸收光能，专递给叶绿素a[16]。

其他的内容都与高等植物体内的光合作用相似，都具有2个光反应系统，以二氧化碳为碳源，以水为氢源[16]。

同时蓝藻的结构和体内的物质较简单，容易将其分开。

那么，将蓝藻的光合作用过程研究得当，各个物质一一解决，在体外模拟蓝藻的光合作用，前景相当客观。

另外还可借鉴细菌的光合作用。

光合细菌也不含有叶绿体，但具有发达的光合模，光合色素是细菌叶绿素和类胡萝卜素，都能吸收和传递光能，用于进行光合作用[16]。

更可观的是，光合细菌是利用H2S和水释放氢气产生有机物。

氢气同样也是一个很有发展潜力的清洁能源，通过研究光合细菌的光合作用，人类或可在未来找到光解水的方法。

对于微生物的光合作用研究之后，另一个难关便是原料的收集。

其中最主要的就是“叶绿素”。

目前常用的方法是从绿色植物中提取叶绿素。

但据相关人员预测，未来有望通过转基因基础来产生叶绿素[17]。

更令人担心的是，叶绿素同通常很不稳定，在植物体外易分解，这是进行体外光合作用研究的一大难题。

但是在这方面，研究已有突破，“护绿技术”[17]已能够防止叶绿素的分解。

如何产生和保存光合作用过程中需要的物质，将是未来这项研究的关键，若能够完全模拟蓝藻体内的光合作用，那么这些制备毕的物质将可以重复利用，不用面临消耗，因此其潜力巨大。

5结语

生物燃料在生产过程中所消耗的能源比它们所能够产生的能源要多，并且生产成本高于它们所替代的石油燃料。

能源成本首先包括种植作物所需的化肥，也包括进行转化所需的水、蒸汽及电力。

经济成本包括人工、除草剂、灌溉与机械以及化肥。

与汽油相比能量密度较低的乙醇还增加了运输成本，并降低了发动机效率。

玉米、柳枝稷、木质纤维素、大豆及葵花油等多种生物燃料原料植物的能源与经济性逆差是相似的。

在解决世界性面对的“能源危机”问题上，对环境友好的生物燃料在能源问题上的应用将是不可估计的。

当前人类面临着全球变暖、化石燃料日渐枯竭的问题，光合作用以取之不尽的太阳能为能量来源，是一种具有重要意义的能源转换方式。

光合作用每年为我们的地球提供2200亿吨的生物量，是全人类所需能量的10倍，以发展光合作用电池为长期能源发展的重要分支，以研究人工光合作用为长期发展道路和最终目标，虽然这些研究成果离实际的应用还有一段距离，但如果真的能够大规模地仿生利用太阳能，那么一直以来广受关注的能源问题将不再困扰人类。

【参考文献】

[1]NaultRM．BasicResearchNeedsforSolarEnergyUtilization，（2005-04-18）.［2011-01-24］．

[2]王明哲（WangMZ）.现代商贸工业（ModernBusinessTradeIndustry），2010，24:

33—34

[3]BaxterJ，BianZ，ChenG，DanielsonD，DresselhausMS，FedorovAG，FisherTS，JonesCW，MaginnE，KortshagenU，ManthiramA，NozikA，RolisonDR，SandsT，ShiL，ShollhD，WuYY．EnergyEnviron．Sci．，2009，2:

559—588

[4]KastingJF．Science，2001，293:

819—820

[5]武维华（WuWH）．植物生理学（PlantPhysiology）．北京:

科学出版社（Beijing:

SciencePress），2008.130—162

[6]李杰芬（LiJF）．生物学通报（BulletinofBiology），1980，2:

21—22

[7]王春华，叶绿素与新能源开发，《科技创新》，2006,01

[8]聂林誉，水藻有望成为未来的生物新能源，《科技信息》（ScienceandtechnologyInformation）,2008,第5卷，第5-6期（总第26-27期）

[9]聂尊誉，法开发出利用植物光合作用的新型生态电池，《科技信息》（ScienceandtechnologyInformation）,2010,第7卷，第2期（总第35期）

[10]摘自《科技日报》,韩开发出人工光合作用技术,《科技信息》，第29卷第9期

[11]迪平李晶，人工光合作用有可能实现

[12]李晓慧范同祥，人工光合作用，《化学进展》（PROGRESSINCHEMISTRY）第23卷第9期（2011-9）

[13]孙略李洁，生物质能及其开发利用的新技术与新趋势，《生物学通报》2009年第44卷第10期

[14]卢利平，藻类代替燃料，《科技信息》（ScienceandtechnologyInformation）,2008,第5卷，第5-6期（总第26-27期）

[15]《新发现》2012-01总第7611:

128

[16]非叶绿体内的光合作用，《生物学教学》1999

[17]黄持都　胡小松　廖小军　吴继红，叶绿素研究进展，《中国食品添加剂试验研究》114-118

[18]系统生物学和合成生物学研究在生物燃料生产菌株改造中的应用,生物工程学报,2010.26（7）

[19]利用藻类生物质制备生物燃料研究进展,石油学报,2007.23（6）

[20]生物燃料乙醇和生物柴油全生命周期分析,太阳能学报,2010.31（10）

[21]李建政，汪群慧《废物资源化与生物能源》，化学工业出版社，2004-3-1，1-17

[22]宋思杨，楼士林《生物技术概论》，第二版，科学出版，2005-3-1，31-54，265-282

BiofuelsandEnergyIssues

AbstractComprehensivedevelopmentandutilizationofbio-energyisanestablishedpolicyofourcountry,ourgovernmenthasalwaysattachedgreatimportance.Biologicalresources,bearsinestimablepotentialdomesticandforeignscientistsanduseofbiologicalresourcesonthedevelopmentofresearchworkhasbeendoneandachievedfruitfulresults.Inrecentyears,withthedevelopmentofthelifesciences,biotechnology,nutrition,modernchemicalindustry,foodscienceandotherdisciplinesofbiologicalresourcesinanewunderstandingoftheactiveingredientforthedevelopmentandutilizationofbiologicalresourcestobroadentheideaintoanewvitality,showingabroadprospect.Withtheshortageofglobaloilpricescontinuetorise,andenergy,bio-fuelshasbeenfurtherattention.Growingrawmaterialshortagesandpricecomparedtooil,sweetsorghum,cassava,sugarcaneandotherbiofuelsmorecommonandcheap.Inthispaper,thestatusquoofChina'

senergycrisiswereintroduced,anddetailsoftheemergingbiofuels.

KeywordsEnergy;