(第一节 )引言
一、生物与化学的交叉和渗透
化石能源是现代社会使用的主要能源。随着化石能源资源的日益减少，新能源的寻求与开发成为人类生存和可持续发展的重大需要。
生物质能是人类最早利用的能源，也是人类为解决能源与环境双重危机而重点发展的能源类型。
生物质与生物或生命活动密切相关，人们常将生物质所含有的能量简称为生物能。然而，从能源特征和利用方式看，生物质能属于化学能。众所周知，化石能源是由地球上庞大的生物质材料经过几千万年的演变转化而成的矿物能源。从化学角度看，生物质与化石燃料均为以C、H为基本组成的有机化合物，它们属于同类能源——化学能源。
生物质能来自太阳能。植物在生长发育过程中，体内叶绿素吸收光能，在光照条件下，将CO2和水合成为碳水化合物，从而将太阳能转化为生物质形式储存的化学能，这就是植物的光合作用，其化学反应方程式如下：
CO2+H2O(CHO)2+O2(4—1)
由植物光合作用形成的简单的生物质在生命活动中又转化为多种类型的复杂生物质，这些生物质的基本化学组成还是碳水化合物，其含有的能量仍属于化学能。
生物质能与化石能源均属于一次能源。但现代社会中，实际使用的多为二次能源，如“过程性能源”——电能；“含能体能源”——柴油和汽油等。因此在开发、利用生物质能的过程中，生物质高效率、低成本地转化为二次能源是生物质现代化利用的核心。
生物质的转化分为物理化学转化和生物转化。物理化学转化可在现有化石能源转化技术的基础上改进发展；生物转化则是利用生物催化剂进行的生化反应过程，所采用的生物催化剂多是微生物或是来自生物的酶催化剂。随着生物技术的发展，生物催化剂和生物催化过程正在被广泛应用于人类社会产品加工过程的各个领域，预计生物催化与转化将引导人类进入又一次技术革命。而生物催化、转化在能源领域中的应用将更为引人瞩目。光合作用就是一种生物催化过程，人类长久以来就梦想将太阳能直接转化为化学能。各种光化学转化(光化学、光催化、光电催化)的研究近几十年来也取得了重要的进展，然而离实际应用还有很大距离。研究与揭示光合作用机理，构建人工合成的叶绿素，建立仿生的光合作用工厂，将能从根本上减轻人类在能源与环境领域面临的双重压力。
氢是一种洁净高效的可再生能源，预计21世纪中、后期，人类将进入氢能经济时代。在新能源研发领域中，太阳能直接光解水制氢是为世界各国重视的研究领域。绿藻和蓝细菌等光合作用微生物具有直接光水解制氢能力，此外利用有机废水光合制氢或厌氧发酵制氢均是能源领域生物催化剂应用的实例。
由光合作用产生的生物质将在生命活动中转化为各种类别的复杂物质。反之，复杂生物质也可以通过生物催化或与物理化学手段相结合，转化为现代社会所需的能源。实际上，在化学能源包括生物质能的转化过程中，生物催化剂均能发挥重要的作用。
本章将能源加工利用过程中涉及生物催化剂和生物催化转化的技术或方法统称为能源生物技术，以区别于能源加工利用中的物理化学方法。可以预计，能源生物技术必将成为生物催化和新能源研究的重要领域。
综上所述，生物与化学学科在能源研究领域的交叉、渗透体现在两个方面：生命活动为人类提供大量的生物质材料，这些材料通过物理化学手段与生物技术的结合可转化为人类可持续发展所需要的重要能源；生命活动中存在的大量生物催化剂或生物催化、转化过程，在化学能源的转化、加工，乃至制备过程中均能发挥重大的作用。这即是本章所要阐述的重点内容和思想，至于涉及到生命的产生、进化、持续和发展的特殊形式的能量——生物能则不属于本章叙述的范畴。
二、生物质及其现代化利用概述
1．生物质的定义和种类
生物质习惯定义为植物通过光合作用生成的有机物。广义看，生物质是生命活动包括人类发展过程中产生的各类有机物。如动物、微生物生存繁殖过程中形成的有机物。
从生物学角度，生物质可分为植物性和非植物性两类。植物性生物质指的是植物体以及人类利用植物体过程中产生的植物废弃物；非植物性生物质指的是动物及其排泄物、微生物体及其代谢物，人类在利用动物、微生物过程中产生的废弃物，包括废水和垃圾中的有机成分。
从能量资源看，生物质主要分为森林资源、农业资源、水生生物质资源和城乡工业和生活有机废物资源四种。从生物质能开发、利用的历史出发，生物质可分为传统生物质和现代生物质两类。传统生物质有薪柴、稻草、稻谷、粪便及其他植物性废弃物等。现代生物质着眼于可进行规模化利用的生物质，如：林业或其他工业的木质废弃物、制糖工业与食品工业的作物残渣、城市有机垃圾、大规模种植的能源作物等。
由上述分类可知，生物质资源种类繁多，分布甚广。常见的生物质材料有如下几种。
(1)薪柴、木炭、林业废弃物。以木质素为主体的生物质材料，曾是人类生存、发展过程利用的主要能源，目前还是许多发展中国家的重要能源，是生物质气化转化的主要原料。
(2)农作物残渣和秸秆最常见的农业生物质资源。农作物残渣具有水土保持与土壤肥力固化的功能，一般不作为能源利用。秸秆传统用作饲料、烧柴等，目前是生物质气化和沼气发酵的重要原料。
(3)养殖场牲畜粪便。一种富含N元素的生物质材料，可作为有机肥加工的重要原料。干燥后可直接燃烧供热，与秸秆一起构成沼气发酵的两大主要原料。
(4)水生植物。还未被充分注意和利用的生物质材料，主要有水生藻类、浮萍等各种水生植物。国内许多淡水湖泊因富营养化而孳生大量水生植物与藻类，结合水体的治理，大规模收集并转化水生植物为可利用的能源有着重要的意义。
(5)制糖工业与食品工业的作物残渣多为纤维素类生物质，比较集中，利于应用。特别是制糖作物残渣(如甘蔗渣)是世界各国都在重点利用的生物质能原料。
(6)城市有机垃圾城市有机垃圾的利用早为世界各国所关注。直接焚烧供热、气化发电以及用于发酵产生沼气等技术日趋成熟。
(7)城市污水唯一属于非固体型的生物质能原料，通过发酵技术可在治理废水同时获得以液体或气体为载体的二次能源。
(8)能源作物能源作物是以直接制取燃料为目标的栽培植物。与普通的生物质材料相比较，能源作物将进行规模化的种植，所选择的植物需要经过嫁接、驯化与改造，以提高产量、产能效率和所产生的能量品位。能源作物按其目标产物分为气体燃料作物和液体燃料作物两大类。一般的生物质均可气化获得气体燃料，如以提供薪柴和木炭为目标的薪炭林即是一种能源林，美国、巴西、瑞典均有大规模的薪炭林场。可作为薪炭树种的植物很多，以速生树木为主要选择，一般期望三五年即能收获。目前较好的树种有美国梧桐、加拿大杨、意大利杨、红桤树、桉树、松树、刺槐等。
以制备燃料酒精为目标的草本作物是一种重要的能源作物。甘蔗、甜高粱、木薯等均是生产燃料酒精的重要作物。耶路撒冷菜蓟(artichoke)是近年来颇受人类关注的酒精作物，由于其块茎富含菊粉，经水解后分解为果糖，由果糖发酵即可制备乙醇。耶路撒冷菜蓟生命力顽强，能在干旱、寒冷和土质较贫瘠的条件下生长，是一种很宜于引种发展的优良能源作物。
许多以制备汽油、柴油等燃料为目标的能源作物日益受到重视。油料能源作物多属于木本植物，其组织内含有大量的油脂。可作为油料植物的种类很多，据统计，我国高等植物中有152科697属1554种可用作油料作物。但选择油料作物除了高含油量外，更需要考虑其所含油脂的燃烧特性。一般以所含植物油的结构和燃烧特性与石油相似为首选目标，结构特性与柴油、汽油相近则更佳。在墨西哥和巴西生长的一种植物科帕伊巴能流淌金黄色或淡黄色的油状树液，此种树液可直接用作内燃机的燃料，世界上许多国家引进该树种，其树液制成的燃料油已在一些欧美国家使用。
2．生物质的能源特征
作为一种能源物资，生物质有如下特征。
(1)时空无限制性。生物质的产生不受地域的限制；在符合光照条件前提下，也不受时间的限制；生物质的时空无限制性是化石能源所无可比拟的，也正是这种无限制性诱导人类将目光瞄准了生物质能。地球生命活动为人类提供了巨大的生物质资源是生物质这一特性的直接反映。初步估计，地球上植物光合作用固定的碳约每年2×1011t，含有的能量约为3×1018kJ，相当于人类每年消耗能量的10倍。
(2)可再生性。在太阳能转化为生物质能的过程中，CO2与H2O是光合作用的反应物；在生物质能消耗利用时，CO2与H2O又是过程的最终产物。
化石燃料使用过程将排放CO2，导致地球温室效应。生物质的可再生性表明，利用生物质能可实现温室气体的零排放。但生物质实际利用过程中也需要投入能量，这种能量目前还来自化石燃料的使用，因此生物质能的利用暂时还只能起到减少CO2排放的作用。
(3)洁净性。与化石能源相比，生物质能也将大大减少SO2和NOx等污染物的排放。以秸秆为例，1万吨秸秆与能量相当的煤炭比较，其使用过程中，SO2排放减少40万吨，烟尘减少100万吨。生物质能作为一大类可持续发展的能源，洁净性是极为重要的能源特性。
(4)与常规化学能源的相似性和区别。生物质能与化石能源均属于碳氢为基本组成的化学能源，这种化学组成上的相似性也带来了利用方式的相似性，因此，生物质能转化利用技术可在常规能源已经成熟的技术上发展、改进。但是，生物质的组成多为木质素、纤维素之类难降解有机物，因此利用、转化技术也更为复杂多样，特别是利用生物催化、转化的技术更为必要。
(5)低能源品位。生物质的化学结构更多地属于碳水化合物类，即化合物中的氧元素含量较高，可燃性元素C、H所占比例远低于化石能源，能源密度偏低。此外，以生物体形式体现的生物质含水量高达90％。因此生物质在利用前需要经过预处理及提高能源品位等过程，从而增加了生物质能利用的实际成本。
(6)分散性。除规模化种植的作物及大型工厂、农场的废弃生物质原料外，生物质的分布极为分散。生物质的分散处理与利用既不利于生物质转化成本的降低，也难以成为能源资源系统的主流能源。生物质的集中处理则必然加大运输成本比例。这是目前生物质能在能源系统中所占比例不高的重要原因。
3.生物质能现代化利用技术概述
生物质能利用最为简单和原始的方法是直接燃烧。人类对化学能的利用起源于生物质的燃烧，目前在发展中国家，生物质的燃烧仍然是生物质能利用的主要方式。为提高生物质能的燃烧利用效率，可采用现代化的锅炉燃烧技术，或将生物质瞵缩为固体燃料，采用传统的燃煤设备燃烧。直接燃烧目前还是生物质能利用的一降重要途径，在某些情况下，直接燃烧还是更适宜的生物质能利用方式，如垃圾焚烧是城市垃圾的一种较为洁净、安全的处理方法。将燃烧与发电相结合形成的生物质发电技术是生物质现代化利用的一条重要途径。
气体燃料和液体燃料是现代社会最为通用的能源。围绕石油、天然气向着燃料气、燃料油和相应化工原料的转化，已形成一整套技术和设备。这些技术和设备在生物质转化为燃料气、燃料油的过程中均可利用。
生物质的转化有物理化学转化与生物转化两大类。物理化学转化主要可分为生物质气化与生物质液化技术，其转化目标分别是燃料气与燃料油生物转化目前主要采用微生物发酵技术。生物质的转化除考虑技术上的可行性外，还必须注意其经济可行性，总体看物理化学转化与生物技术转化的渗透、结合是其发展的方向。
油料能源作物的利用与上述生物质的转化方式略有不同。一般通过压榨式或浸出获取油脂后再根据油品的组成进行精加工，其主要目标是获得可直接用于内燃机的燃料油，即生物柴油或生物汽油。因此，油料作物的发展关键在于利用农业生物技术对作物进行筛选与改造，提高燃料品位，降低加工成本。
4．生物质能利用展望
生物质能在人类发展历史中曾经起到巨大的作用，目前在世界能源结构中也占有一定的位置。据统计，在世界能源消耗中，生物质占总消耗的14％。在亚洲、非洲等发展中国家，生物质能的利用占国家总能耗的40％。
随着化石资源的减少，生物质能利用技术的研发受到世界各国政府的重视。许多国家均制定了相应的研发计划。如日本的“阳光计划”，印度的“绿色能源工程”，美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。目前，国外部分生物质能技术和装置已达到商业化程度，实现了规模化产业经营，以美国、瑞典和奥地利三国为例，生物质转化为高品位能源利用已具有相当可观的规模，分别占该国一次能源消耗量的4％、16％、10％。在美国，生物质能总发电量已达7000MW，单机容量达10～25MW。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上最大规模的乙醇开发计划，目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的50％以上。我国和印度是利用生物质生产沼气最有成绩的国家，我国目前有500多万个沼气池，年产气几亿立方，集中供气8万多户。
今后十年是生物质能发展的关键时期，预计2010年前后，生物质气化发电将有较大规模的应用。如美国将完成6MW的IGCC项目和60MW热值的IGCC项目，使生物质发电量以每年7％的速度增加。荷兰计划2010年生物质发电量比2000年提高10倍。英国则计划在2010年，生物质能开发可满足全国总能源需求的19％。预计2030年，生物质发电技术将具有与常规能源竞争的能力，从而完全实现商业化。
今后二十年内，以生物质为原料制取运输燃料将从探索、研发而进入技术成熟的阶段，预计在2030年前后进人商业化。2050年生物质液体燃料将与生物质气化发电一起进入能源市场，其综合指标将优于化石能源，在人类经济可持续发展中占有重要地位。
三、能源生物技术概述