生物技术与能源
能源是人类经济发展、生活水平提高、文明进步的基础。保障能源的稳定发展，是国家政治、经济、外交、军事活动的重要目标。数百年来，煤和石油一直是能源王国的“主角”。随着生产力的不断发展，人类对能源的需求越来越大，煤、石油和天然气等不可再生能源在不久的将来就会消耗殆尽。欧共体的专家预测，全球近30年来消耗的能源等于以前整个历史时期所消耗能源的总量之和，石油和天然气的消耗速度比它们自然形成的速度要快100万倍。与此同时，由能源的大量消耗所引起的环境生态恶化也在不断加剧。据统计，全球矿质燃料所释放的碳总量每年高达60亿吨之多……种种触目惊心的事实告诉我们，必须未雨绸缪，利用现代科技手段寻可替代能源。
生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全球总能耗将有40%来自生物质能源。
微软总裁比尔·盖茨在《今日美国》一文中曾向全世界宣称：“下一个成为世界首富的人，必定出自生物技术领域。农田作物有可能逐渐取代石油，成为获得从燃料到塑料的物质来源。‘黑金’也许会被‘绿金’所取代。”而今，面对化石资源日益枯竭的窘境，在现代生物技术的大力推动下，世界正孕育着一场用生物能源代替化石等不可再生资源战略的大转移。一个全球性生物能源产业革命正朝着以碳水化合物为基础的经济发展，这是可持续发展的一个重要趋势。其中，生物技术扮演了至关重要的角。
7.5.1 生物能源概述
生物能源，又名绿能源，是指从生物质得到的能源，也是人类最早利用的能源。早在远古时代，人们钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在使用生物能源。生物能源主要来自于能源作物，包括速生薪炭林、能榨油或产油的植物、可供厌氧发酵用的藻类和其他植物，生物能源的主要利用形式则有沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇等。其中，燃料乙醇是目前世界上生产规模最大的生物能源。
生物能源是由太阳能转化而来的，只要太阳不灭，生物能源就取之不尽、用之不竭。其转化过程主要是通过绿植物的光合作用将CO2和H2O合成生物质，生物能的使用过程又产生CO2和H2O，这就形成一个循环。理论上讲，CO2的净排放量为零，这意味着生物能源不仅是一种可再生的清洁能源，而且开发和利用生物能源也符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。也正因为如此，利用生物高新技术手段开发生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要组成部分。
对于正在快速发展经济的发展中国家，中国的能源需求正在以每年3.5％的速度增长，预计在未来20年，能源总需求量将比现在增加1倍，从而使中国成为与欧洲一样的能源消耗大户。到那时，单纯依靠进口能源必将威胁到我国社会经济的高速发展，而发展生物能源也因此成为解决我国能源安全问题的必然选择，是国之大计。
地球上每年光合作用的产物高达1500多亿吨，是地球上最主要的可再生资源，其中少部分淀粉、蛋白质和糖类作为食粮、饲料和发酵工业原料得到广泛的应用。生物化学和微生物学研究发现，不少微生物都能够很容易地将淀粉水解产生的葡萄糖等糖类转化为各种各样的醇、酮、有机酸类化工产品，从而可以成为未来资源循环型社会的主要化工原料。其中，
乙醇、丙酮—乙醇、乙酸、乳酸、柠檬酸、甘油、各种氨基酸等早已形成规模化工业生产，构成现代轻化工业的重要组成部分。然而，越来越多的人已经认识到，随着世界人口的增长，用淀粉和糖类生产燃料和化工产品的发展受到限制。绝大部分光合作用产物为木质纤维类物质(如草、树木等)，都是纤维素、半纤维素和木质素等聚合物的复合物，从总量上看，纤维素、半纤维素、木质素才是世界上最广泛的可再生性生物质资源，全球生物量的5%所含的能量即可与石油和天然气的需求相当。木质纤维材料主要组成为糖类和芳香族化合物，完全可望将它们降解转化为各种燃料、化学品的材料。
目前，这部分资源尚未得到充分的开发利用，有些还造成污染，如秸秆就地焚烧、农产品加工业排放废
物、城市丢弃有机垃圾等。仅我国每年的农林废弃物就有近10亿吨，工业纤维素数千万吨。如能利用微生物技术等手段，将其中一部分转化为燃料、饲料、化工原料等有效利用，即可望对资源不足等难题的解决作出巨大的贡献。
生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。
7.5.2能源与环境
人类正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料总有一天要掘空。按消费量推算，世界石油资源在今后50年到80年间将最终消耗殆尽。到2059年，也就是世界上第一口油井开钻二百周年之际，世界石油资源大概所剩无几。另一方面，由于过度消费化石燃料，过快、过早地消耗了这些有限的资源，释放大量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏，全球气候变暖，酸雨等灾难性后果的直接因素。这就是说，如果不发展出新的能源来取代化石常规能源在能源结构中的主导地位，在21世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危机，是人类在下一世纪所面临的三大最可能发生的灾难之一。
固然，发展生物质能源不是获得新的能源的唯一途径，人类可以采用高技术手段获得核能源，甚至从外太空获得能源，但其中的危害也是有目共睹的。首先，核能源的发展极可能给已经不安的世界带来新的不稳定因素，甚至直接威胁到人类的生存环境；其次，各国或各集团在人类下世纪技术水平下所能到达的有限外太空区域内进行的能源开发，将不可避免地引发新的争夺或争端，其祸福不言自明。而生物质能源则不仅是最安全、最稳定的能源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品种的能源，如固化和炭化可以生产因体燃料，气化可以生产气体燃料，液化和植物油可以获得液体燃料，如果需要还可以生产电力等等。目前，世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。
7.5.3国内外主要生物质能技术
7.5.3.1未来石油的替代物——乙醇
石油是目前世界上最主要的能源，它的开采量及价格直接影响全球工农业生产及人们的生活水平。但是，石油是一种不可再生的化石燃料。目前，世界各地处于能源危机的关键起因都是缺乏化石燃料资源。一旦地球的石油储存量被开采及消耗完，而现代工业技术一时不能生产替代石油的新产品时，其后果是不堪设想的。由这个问题引出诸多先进生物技术，进行生产石油的替代物研究及推广使用，预期能缓解石油短缺引发的危机和困境。
煤、天然气和石油等不可再生能源不断地被消耗的同时，人类一直在寻新的能源和替代物。迄今为止，已有水力、潮汐和风力为动力的发电设备及太阳能捕获器、地热等许多特殊的产能工具的出现，并已为人类提供了一定数量的能源。但希望通过这些特殊的产能工具提供的能源来替代石油还相差甚远。从目前人类正在开发的许多产能的技术和效益来看，乙醇很可能是未来的石油替代物。乙醇作为燃料的益处有：①产能效率高；②在燃烧期间不生成有毒的一氧化碳，其污染程度低于其他常用燃料所造成的污染；③可通过微生物大量发酵
生产，其成本相对低些。因此，这项技术很容易被人们所采纳和推广。乙醇发酵和操作实际上是一种相当传统的工艺，一直被人们认为是人类首次从事微生物发酵工艺的典例之一。乙醇发酵所需的原材料可选用蔗糖或淀粉，发酵所需的微生物主要是酵母菌。酵母菌含有丰富蔗糖水解酶和酒化酶。蔗糖水解酶是胞外酶，能将蔗糖水解为单糖(葡萄糖和果糖)。酒化酶是胞内参与乙醇发酵的多种酶的总称，单糖必须透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶的作用下进行厌氧发酵并转化成乙醇及CO2，而后乙醇及CO2通过细胞膜被排出体外。
乙醇替代汽油的例子并不是一件新鲜事。早在第二次世界大战期间，欧洲就曾用混有少量甲醇的乙醇作为摩托车的燃油。事后，福特公司设计了可用乙醇、汽油或两者混合燃料的汽车。但由于当时采油技术已比较发达，全球石油采油量每年都以较大增产幅度上升，另外，大量工业乙醇都可用石油的衍生物加工而获得，不必靠微生物发酵合成。因此从1940年起，微生物生产乙醇的规模及产量也随着石油生产乙
醇的产量大幅度递增而减少。而用发酵法生产的乙醇仅仅供应于食品市场所需的饮料产品。近二十年来，由于全球石油的采油量急剧下降，发达国家仍利用他们的强大的财力和先进的合成工艺采用化学法生产乙醇，而在发展中国家由于原材料廉价，因此，依然采用传统的发酵工艺生产乙醇。
燃料乙醇是清洁汽油的主要代替物。目前，巴西、美国已经成为发展燃料酒精的典范。美国在燃料酒精上投人大量的财力和物力，2001年乙醇产量496万吨，主要的生产公司有ADM(Archer Daniels Midland)占40%；Gargill、Williams能源、High Plaints等公司占17%；其他公司占43%；2002年又有10套乙醇装置投产，增加生产能力93万吨；2003年还有13套装置投产，使美国燃料乙醇总的装置能力达840万吨；巴西是乙醇燃料开发应用最有特的国家，70年代中期，为了摆脱对进口石油的过度依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，到1991年，乙醇产量达到130亿升，在980万辆汽车中，近400万辆为纯乙醇汽车，其余大部分燃用20%的乙醇-汽油混合燃料，也就是说乙醇燃料已占汽车燃料消费量的50%以上。目前，许多农业资源发达国家如英国、荷兰、德国、奥地利、泰国、南非等政府均已制定相关规定，积极发展燃料酒精工业。
在国内，利用生物质生产燃料乙醇已为人们高度重视。特别是推广车用燃料乙醇，对于我国国民经济和社会发展具有重要战略意义，国家计委已经把搞好车用燃料乙醇作为推广使用试点。生物质原料除玉米、小麦等外，还有更为广大，而又有待开发的来源，如玉米芯和秸秆、蔗渣、稻麦秸秆、制取水果汁后的果渣、森林残积物和造纸厂废弃物、废纸等。从利用淀粉质原料生产乙醇看，目前乙醇的使用成本
高于汽油的使用成本，但其技术是非常成熟的。我国已建立或正在建立的大型燃料乙醇装置包括吉林60万吨，河南天冠企业集团有限公司及山东九九有限公司年产50万吨酒精精馏装置，生产出了特优级酒精产品，为我国大规模燃料乙醇装置的建设提供了范例。我国每年农作物秸秆达7亿多吨，可转化为1亿吨的酒精，相当于3个大庆油田的产油量，如果现在加大对秸秆类木质纤维素利用研究的支持力度，那么在5年～10年内，就有望使之成为生物质产业的主要原料。
7.5.3.2 清洁的可再生能源——生物柴油
生物柴油是清洁的可再生能源，它是以大豆和油菜子等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。生物柴油是典型的“绿能源”，大力发展生物柴油对经济可持续发展，推进能源代替，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意义。
众所周知，柴油分子是由15个左右的碳组成的，研究发现植物油分子则一般由14个～18个碳组成，与柴油分子中碳数相近。因此生物柴油就是一种用油菜子等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化学成分分析，生物柴油燃料是一种高脂酸甲酯。它是通过以不饱和油酸C18为主要成分的甘油酯分解而获得的。与常规柴油相比，生物柴油具有下述性能：(1)以可再生的动植物脂肪酸单酯为原料，可以减少对石油的依赖；(2)环境友好，尾气中无SO2、
铅、苯等有害物排放；(3)使用生物柴油不用更换发动机，而且对发动机有保护作用。
生物柴油的优良性能，使得采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲Ⅱ号排放量标准，而且也将满足随后即将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲Ⅲ号排放量标准，使柴油燃烧时由于二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题得到解决，因而生物柴油是一种真正的绿柴油。
目前生物柴油主要采用化学法生产，即利用动物和植物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或碱性催化剂和高温(230℃~250℃)下进行转脂化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥处理即得生物柴油。目前生物柴油的主要问题是成本高。据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此采用廉价原料及提高转化率而降低成本是生物柴油能否进入实用化的关键。美国已开始过基因工程方法研究高油含量的植物，日本采用工业废油和废煎炸油，欧洲在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。同时，人们开始研究用生物酶合成生物柴油，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。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。但目前的主要问题是甲酯及乙酯的转化率低。另外，美国科学家通过现代生物技术建成“工程微藻”生产柴油，使微藻中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%～20%。“工程微藻”中脂质含量的高效表达，在控制脂质水平方面起到了重要的作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC基因引入
微藻中以获得更高效表达。利用“工程微藻”生产柴油具有重要的经济意义和生态意义，其优越性在于：微藻生产能力高，比陆生植物生产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒气体，排人环境中也可被微生物降解，不污染环境；用海水作为天然培养基，可节约农业资源。由此可见，发展富含脂质的微藻是生产生物柴油的一大趋势。
生物柴油从1988年由德国聂耳公司发明诞生，就因其突出的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。西方国家为发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励方面采取了一系列积极措施。为了便于推广使用，美、德、意等国都制定了生物柴油技术标准。美国权威机构ASTM相继在1996年和2000年发布标准，完善生物柴油的产业化条件，并且政府实行积极鼓励的政策，在生物柴油的价格上给予一定的补贴。德国农民种植作为生物柴油原料的油菜子可得1000马克/公顷补贴，并对生产生物柴油予以免税。近年来，美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在加大生物柴油商业化投资力度，使生物柴油的投资规模增大，开工项目增多。
我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚，但发展速度很快，一部分科研成果已达到国际先进水平，研究内容涉及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及其加工工艺和设备。目前各方面的研究都取得了阶段性成果，这无疑将有助于我国生物柴油的进一步研究与开发。发展生物柴油，我国有十分丰富的原料资源。我国幅员辽阔，地域跨度大，水热资源分布各异，能源植物资源种类丰富多样，主要有大戟科、樟科、桃金娘科、夹竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、大风子科和萝摩科等。目前我国生物柴油的开发
利用还处于发展初期，要从总体上降低生物柴油成本，使其在我国能源结构转变中发挥更大的作用，只有向基地化和规模化方向发展，实行集约经营，形成产业化，才能走符合中国国情的生物柴油发展之路。
7.5.3.3传统可再生能源——甲烷
人们很早就发现，富含有机物的沼泽地会发酵形成很多可燃性的混合气体，这种混合气体被称为沼气。沼气是无的，通常含有约60%～70%甲烷、30%～40%二氧化碳及少量氢、氮和硫化氢等其他气体。沼气具有很高的热值，1m3沼气的热值达20000kJ以上，是极好的气体燃料。各种废弃有机物如农作物秸秆、人畜粪便、工业废液废渣、城市垃圾等都可以用来发酵生产沼气，为人类提供了消除环境污染、生产可再生能源的重要途径，具有很大的发
展潜力。
甲烷气可转化成机械能、电能及热能。目前甲烷已作为一种燃料源，并可通过管道进行输送，供给家庭及工业使用或转化成为甲醇作为内燃机的辅助性燃料。天然气的主要成分是甲烷，它是由远古时代的生物体衍变而来，通过钻井开采获得的，是一种不可再生的能源。在地表也存在甲烷，它主要来自于天然的湿地、稻根及动物的肠道内发酵而释放的，其相对总量大约分别为20%、20%及15%。家养的牲畜是动物释放甲烷的主要来源，大约占所有动物释放甲烷量的75%，而人类仅占0.4%。甲烷被认为是起着
温室效应的主要气体之一。它很有可能对未来温室效应起着总效应的18%~20%的作用。
厌氧微生物可通过厌氧发酵途径生产甲烷。整个发酵过程分为三个主要步骤。①初步反应：利用芽孢杆菌属(Bacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)及变形杆菌属(Proteus)等微生物把纤维素、脂肪和蛋白质等很粗糙的有机物转化成可溶性的混合组分。②微生物发酵过程：低分子质量的可溶性组分通过微生物厌氧发酵作用转化成有机酸。③甲烷形成：通过甲烷菌把这些有机酸转化为甲烷及CO2。显然，甲烷生产是一个复杂的过程，有若干种厌氧菌参与该反应过程。在自然界中，最有效的甲烷厌氧发酵场所是母牛的瘤胃，但这种发酵场所的厌氧发酵条件一直在变化，其原因是发酵过程一直受到大量的细菌、原生动物及真菌的调控，反应机制较复杂。然而，实际上小型化甲烷生产过程中并不一定需要很高深的生物技术及复杂的发酵工艺设备，而且发酵所需的原材料很容易得到，家畜粪便、作物秸秆、酒厂废渣等都可以作为发酵原料。但是，大规模甲烷生产就需要对发酵过程中的温度、pH、湿度、振荡、粗材料的输入及输出和平衡等参数进行严格控制，所以需要较高深的生物技术，才能获得最大甲烷生产量。
80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活燃料；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜粪便和高浓度有机废水。目前，日本、丹麦、荷兰、德国、法国、美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理禽畜粪便，而象印度、菲律宾、泰国等发展中国家也建设了大中型沼气工程处理禽畜粪便的应用示范工程。美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于处理垃圾，美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资2000万美元，采用湿法处理垃圾，日产26万m3沼气，
用于发电、回收肥料，效益可观，预计10年可收回全部投资。
沼气技术是我国发展最早、曾普遍推广的生物质能源利用技术。70年代，我国为解决农村能源短缺的问题，曾大力开发和推广户用沼气池技术，全国已建成525万户用沼气池。在最近的连续三个五年计划中，国家都将发展新的沼气技术列为重点科技攻关项目，计划实施了一大批沼气及其利用的研究项目和示范工程。至今，我国已建设了大中型沼气池3万多个，总容积超过137万m3，年产沼气5,500万m3，仅100m3以上规模的沼气工程就达630多处，其中集中供气站583处，用户8.3万户，年均用气量431m3，主要用于处理禽畜粪便和有机废水。这些工程都取得了一定程度的环境效益和社会效益，对发展当地经济和我国厌氧技术起到了积极作用。
7.5.4 植物“石油”
7.5.4.1 产“石油”的树
植物界中有许多能产“石油”的植物。这些植物都是橡胶树的近缘，所含的汁液不仅丰富，而且有较高比例的碳氢化合物，如果对这些液汁进行适当地加工，可与汽油混合作为动力机的燃料。美国的卡达文曾选育出两种产“石油”植物，一种是牛奶树，它属于灌木类，树干内饱含乳汁，只要轻轻地划破树皮，乳汁就会流出。另一种是三角大戟，也是灌木，树高一米左右，树皮柔软，乳汁丰富，而且这种植物适应性很强，无论在温带区或热带区均能旺盛地生长，产量相当高，每英亩可收近50吨油。这种植物在北美加拿大 新印太战略
、南美及西欧、原苏联和非洲均有发现。