生命科学导论论文
生命科学导论论文
——生物能源（生物质能）
摘要：
当今世界，科学技术发展突飞猛进，新兴学科、交叉学科不断涌现，科技进步对经济社会的影响作用日益广泛和深刻。伴随着信息科技革命方兴未艾的浪潮，生命科学和生物技术的发展也正在展现出未可限量的前景。越来越多的人们已经预见到，一个生命科学的新纪元即将来临，并将对科技发展、社会进步和经济增长产生极其重要而深远的影响。而生物能源，更是不可忽略的一部分。
关键词：
生物能源 利用 意义 生物质能
什么是生物能源
生物能源既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，兼有两者的特点和优势，是人类最
主要的可再生能源之一。
生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量最初来源于太阳能，所以生物质能是太阳能的一种。
生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器。太阳能照射到地球后，一部分转化为热能，一部分被植物吸收，转化为生物质能；由于转化为热能的太阳能能量密度很低，不容易收集，只有少量能被人类所利用，其他大部分存于大气和地球中的其他物质中；生物质通过光合作用，能够把太阳能富集起来，储存在有机物中，这些能量是人类发展所需能源的源泉和基础。基于这一独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。
生物质具体的种类很多，植物类中最主要也是我们经常见到的有木材、农作物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等）、杂草、藻类等。非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。
生物质能的可观利用前景
由于地球上生物数量巨大，由这些生命物质排泄和代谢出许多有机质，这些物质所蕴藏的能量是相当惊人的。根据生物学家估算，地球上每年生长的生物能总量约1400—1800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能也极为丰富，现在每年农村中的秸秆量约6.5亿吨，到2010年将达7.26亿吨，相当于5亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括炭薪林），每年约达3700万m3，相当于2000万吨标煤。
随着人类大量使用矿物燃料带来的环境问题日益严重，各国政府开始关心重视生物质能源的开发利用。虽然各国的自然条件和技术水平差别很大，对生物质能今后的利用情况将千差万别，但总的来说，生物质能今后的发展将不再像最近200多年来一样日渐萎缩，而是重新发挥重要作用，并在整个一次能源体系中占据稳定的比例和重要的地位。
由于我国目前的生物质能主要是在农村经济中利用，所以农村未来能源需求和消耗情况对生物质能的开发利用量影响很大，有关资料对我国农村今后能源使用情况作了预测，这个指标可以较大程度上反映我国今后生物质能消耗的趋势。它的预测按两种，第一种是常规方案预测，即建立在现时生物质能发展情况的基础之上的预测，其结果是各时段（2000、2010、2030、2050）的生物质利用量的增长速度分别为8.9%、7.7%、8.0%、3.6%；第二种是加
强方案预测，即以突出强调生物质能对化石能源的替代为依据的预测，其结果是各时段的发展速度分别为9.6%、8.0%、7.4%、4.5%。
合成生物学的发展，通过基于系统生物学原理的计算机辅助人工设计与次生代谢链的酶系统基因合成、代谢工程技术将富油生物进行基因工程改造成能够使生物柴油高产量与分泌的转基因生物，从而实现规模化利用太阳能的生物能源产业，美国著名的文特尔私立研究所已经获得几亿美元的投资，一旦成功产业化，将带来石油与汽车工业的技术变革。
能源作物是再生能源, 取之不尽, 用之不竭。德国奥尔登堡大学经济学博士林奇聪在《能源季刊》发表的研究结果指出, 每1 公顷油菜可生产1 2 0 0 升植物油和1 0 6 0 升的氧气( 4 0 个人1 年所需的氧气量) , 植物油不仅可供食用, 同时只要经过简单的化学反应,就可变成生物柴油; 氧气对净化空气很有益处。研究结果表明, 生物柴油不含硫化物, 因此不会形成酸雨现象; 另外它可以借由生物分解, 避免对土壤、地下水的污染。目前世界各国纷纷开发新能源, 期望能在维持工业发展的同时, 减少温室气体的排放量。推广种植能源作物, 不仅是国际环保的大势所趋, 而且也是农业经济与改善土壤的要求
所致。现代农业的高度生产、单一作物的种植以及过度机械化的结果, 导致严重的土壤流失,
而不当的耕种方式、种植对土壤有害的作物, 造成对环境的不良影响。种植能源作物, 不仅可阻止土壤的流失, 还可帮助土壤建立新土壤层。到目前为止, 科学家们已发现了4 0 多种“石油”植物。专家们正在进行品种的选择和质量的优化, 并准备尽快实行商业化生产。现在, 欧洲一些国家已在大规模种植芒属植物,
英国打算拿出1 5 0 万英亩的土地来种植这种生物燃料作物。德国已兴建了一座发电能力为1 2 万千瓦的发电厂, 其燃料就是芒属植物、白杨、柳树的混合物和秸秆。英国科学家与工程研究委员会不久前决定, 它将投资2 0 0 0 万英镑用于开发洁净能源新技术, 其中向绿植物要能源是这个研究计划的一部分。科学家们认为, 现在普通植物对于阳光的利用效率不到4 %, 如果通过研究使其提高到5%, 那么只要世界农田面积的1 /1 0 , 就可提供相当于目前人类使用的全部化学燃料的能源。科学家预言, 在未来2 0 ~ 3 0 年内, 从事耕种的一部分农民将转而生产能源作物, 并建立使用“生物燃料”为燃料的发电站。
生物能源新时代
生物能一直与太阳能、风能以及潮汐能一起作为新能源的代表，现在受关注的程度却直线上升，有些“脱颖而出”的味道。科学家们提供的资料表明，全球每年由光合作用产生的生物质
为1 4 4 0亿到11800亿吨。理论上，为18．7％和28％，而目前最好的光电池的能量转换效率只有10％到18％，挖掘的潜力非常大。而对于风能和太阳能，都还存在技术不成熟以及成本太高等问题，普及推广相当不易。低廉、量大的生物能资源在国际上获得高度认同。欧洲议会白皮书——《将来的能源：可再生能源》确定了欧共体增加可再生能源的比例以改善能源供应安全性的能源行为纲领。现在欧洲的生物燃油已从1992年的80000吨增加到1998年的470000吨。在一些科学家的眼中，生物能的生产像调制鸡尾酒一样简单。巴西的JoSephmiller教授说：“在农业的废弃物中有30％的纤维和40％木质素可以利用转化为酒精，再加入添加剂就可以代替汽油燃料。”与会的美国专家介绍说，在1980年美国科学基金会向总统提出的研究报告中，特定研究课题的首项即为“光合作用——发展有效利用太阳能的作物”。在1995年度联邦科学预算中，美国国会批准能源部有关“生物环境”投入的数额竞大于核物理和聚变，达4．45亿美元。利用高产植物或者农作物发展生物能源得到联合国的高度重视。1999年到2000年联合国委托中国科学院植物所主持国际口马晓岚甜高梁品区域试验，主持这次会议的中国科学院植物所研究员黎大爵说：“假如甜高梁酒精产量为5000升／公顷，那么，种植20万公顷甜高梁的酒精总产量为80万吨，就等于1 9 94年中国原油总产的54％。”而据美国专家介绍，美国曾计划到2000年种植8500万亩甜高梁，生产315亿升酒精，
使其全国汽车使用掺有10％的酒精混合燃料。甜高梁之所以受到科学家们的重视是因为它的桔杆含糖量高，是生产酒精的最佳原料，为此，甜高梁被誉为“生物能源系统中的最有力竞争者”。黎大爵说，种植甜高梁的量大优越性是极大地co。的排放量，因为将甜高梁作为能源燃烧时所排出的CO。与种植甜高梁时所吸收的CO。是相等的。据介绍，目前我国能源需求增长率为每年3．5％，预计在未来20年，这个数字将增加一倍，从而使中国成为与欧洲一样的能源消耗大户。
四、生物能源的开发和利用
人类的生存和发展离不开能源, 从日常生活中的饮食、照明、取暖到工农业生产、交通运输、科学研究以至现代的文化娱乐生活, 都是在消耗能源的基础上进行的一个国家的发达程度, 常常以人均消耗能量为标志, 目前世界上最大的能源消费国是美国, 每年消耗的能源约占世界商品能源的25%, 按人均计算, 加拿大居世界首位, 每年人均消耗能量为8.8t石油当量（TOE）, 而发展中国家仅为0.5TOE。随着经济的发展, 社会的进步, 能量的消耗将越来越大, 能源的开发和利用就显得格外的重要。
目前人类所利用的能源主要来自煤、石油、天燃气等化石燃料, 它们是在极其漫长的地质历
史中, 在特殊的自然环境下形成的, 储量有限, 不能再生据世界能源会议估计, 从当前世界能源的消耗量来看, 煤的开采寿命约有400年, 有人估计石油和天燃气的开采寿命只有数十年化石燃料在燃烧时排放出大量的CO2, SO2,CO 和粉尘, 严重污染大气, 还可能导致全球性的气候变化, 所以从70年代中期以来国际上出现了由传统能源向新能源和可再生能源过渡的趋势新能源和可再生能源是指核能、太阳能、生物能、地热能、风能、水能、海洋能等。
生物能源最终来自于太阳, 光合作用是人类利用太阳能最主要的途径, 全世界绿植物
每年的光合作用产生1730亿t的干物质, 所合能量为2*10 21J, 相当于全世界每年消耗能量的倍, 可见生物能源开发利用的潜力是巨大的。
生物能源开发利用的途径包括栽培能源植物, 微生物发酵制取沼气和酒精及细菌制氢等。
1、栽培能源植物
能源植物是指利用光能效率高, 生长快或能产生油, 蜡, 乳胶等的特殊植物例如美国的
杂交杨树光合作用效率达0.6%, 藻类植物的光合作用效率达一利用城市污水培养藻类, 不仅能
净化污水, 而且每公顷每天可产50—150巧干物质, 这些植物都可直接作为发电厂的燃料。在美国还发现了许多“ 石油植物” , 其中的美国香槐流出的乳胶可加工成热值很高的燃料有一种橡胶树的近源品种汁液丰富, 碳氢化合物含量很高, 并能在沙漠和干早地带栽培还有一种叫霍霍木的野生灌木, 籽实中含50%的液体蜡。巴西的“ 柴油树” 流出的油, 可以作为发动机的燃料中国海南岛有一种高大的乔木油楠, 体内含有油状的树液, 一棵高15m的油楠, 能流出几十斤“ 柴油” 对于这些能源植物, 应该根据当地的自然条件, 与绿化环保工作相结合, 积极地进行训化和引种。
2、微生物发酵制取沼气和酒精
在隔绝空气的条件下, 生活和工业有机废水、农作物的秸杆、杂草、人畜粪便等经过微生物的发酵作用能产生沼气。
沼气的主要成份是甲烷, 约占60%~80%, 其热值高于煤气, 每立方米沼气的发热量约为5200~5900K, 可使1马力的内燃机工作2h, 可发电1.5度, 可使水从20℃达到沸腾可使一盏沼气灯照明5~6h在一些工厂, 利用有机废料制取沼气, 不但利于保护环境, 而且能为本厂提供部分能源在农村建造沼气池, 不仅能获得廉价的能源, 还可充分利用农作物废料变成高效的有机
肥料, 特别是使粪便得到处理, 有利于改善农村的卫生条件。
近年来, 燃料酒精作为石油能源的替代物, 逐渐成为世界各国研究的热点农作物的秸
杆、甘蔗、玉米、薯干等经过微生物的糖化发酵, 都可获得酒精燃烧时产生的CO2和含
S气体均低于汽油, 消耗同体积的乙醇汽油与普通汽油行驶的公里数基本一致中国每年产生的秸杆类物质超过7亿t, 政府已将燃料乙醇的项目列人“ 十五” 示范工程重大项目, 有关专家预测, 如在汽油中加人体积的燃料乙醇, 而这种产品又能占领市场份额的25%~30%,每年可替代400万t生物能源石油, 节省外汇15亿美元。
3、细菌制氢
氢气是一种理想的燃料, 不但清洁没有污染, 而且热值很高, 碳氢化合物的热值为奄3.5K/g, 而氢的热值是29K/g, 但工业制氢成本较高。.
科学家在60年代初期发现, 在有人工电子供体及含有氢化酶细菌提取物存在的情况下, 从菠菜叶中分离出来的叶绿体, 通过水的光解作用而产生氢。70年代美国研究人员还发现, 若加人铁
氧蛋白作为电子受体, 则在可见光的照射下, 菠菜叶绿体和含有氢化酶的细菌提取物, 在没有外加电子供体的情况下, 也会产生氢这种能源生产的意义在于作为光解物的水极为丰富, 作为动力的阳光取之不竭, 而产物氢可以储存, 其过程是在常温下进行的, 不

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