白鳳武

大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連 116024

生物能源專(zhuān)刊序言

白鳳武

大連理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，大連 116024

發(fā)展生物能源是減輕經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)不可再生礦物質(zhì)能源依賴(lài)程度，實(shí)現(xiàn) CO2減排的有效措施。本期專(zhuān)刊包括綜述報(bào)告和研究論文兩部分，涉及燃料乙醇、生物柴油、生物燃?xì)狻⑸餁淠?、微生物燃料電池和微生物電解池等主要生物能源產(chǎn)品和系統(tǒng)，比較全面地分析其基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，討論了存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，展望了發(fā)展的前景。

生物能源，CO2減排，可持續(xù)發(fā)展

Abstract:Biofuels and bioenergy not only benefit independence of energy supply, but also mitigate CO2emissions.This special issue includes review reports and research articles involving various biofuels and bioenergy products and systems such as fuel ethanol, biodiesel, biogas, biohydrogen, microbial fuel cells and microbial electrolysis cells.Both fundamental research and technology development are highlighted.And in the meantime, challenges for large scale production and application of biofuels and bioenergy are discussed.Taking advantages of modern biotechnology advances, solutions to address these challenges are envisioned.Keywords:biofuels and bioenergy, CO2emission mitigation, sustainability

我國(guó)石油供給和需求之間的矛盾非常突出，自2004年進(jìn)口量超過(guò)1億t以來(lái)，到2009年已經(jīng)增加到 2.19億 t，占石油加工總量的比例高達(dá) 53.6%。2008年國(guó)際市場(chǎng)石油價(jià)格曾高達(dá)每桶147美元，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響，石油加工和航空運(yùn)輸企業(yè)大量購(gòu)買(mǎi)期貨原油和成品油造成的巨虧，至今尚未完全化解。同時(shí)，我國(guó) CO2排放量到 2007年底已經(jīng)達(dá)到60億t，占全球排放總量的21%，超過(guò)美國(guó)成為世界上 CO2排放第一大國(guó)[1]。石油資源替代，溫室氣體減排，已經(jīng)成為可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

光合作用獲得的生物質(zhì)是取之不盡、用之不竭的可再生資源，以此為原料生產(chǎn)的生物能源不僅是可再生的，而且其消費(fèi)過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)境 CO2總量的增加。此外，與其他可再生能源相比，燃料乙醇和生物柴油等液體生物燃料是替代汽油、柴油和航油等石油基同類(lèi)產(chǎn)品的唯一選擇。在這樣的背景下，《生物工程學(xué)報(bào)》策劃組織了本期“生物能源”專(zhuān)刊，邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)20多位從事生物能源研究的專(zhuān)家學(xué)者撰寫(xiě)綜述報(bào)告和研究論文，回顧總結(jié)了我國(guó)生物能源領(lǐng)域研究工作的進(jìn)展，分析了存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，展望了發(fā)展的方向。

生物能源是大宗低值產(chǎn)品，低成本原料的獲得是其良性發(fā)展的前提。傳統(tǒng)的以糧食類(lèi)淀粉質(zhì)原料和油料作物大規(guī)模生產(chǎn)生物能源產(chǎn)品的模式，不可避免地會(huì)產(chǎn)生“與人類(lèi)爭(zhēng)糧油，與糧油爭(zhēng)土地”的問(wèn)題，以農(nóng)作物秸稈為代表的木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)作為生物能源產(chǎn)品生產(chǎn)原料可以避免這些問(wèn)題。我國(guó)雖然是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但秸稈資源總量及用于發(fā)展生物能源產(chǎn)品的可獲得量，一直缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，為此特邀中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)謝光輝教授撰寫(xiě)了本期專(zhuān)刊的第一篇綜述報(bào)告：中國(guó)作物秸稈資源評(píng)估研究現(xiàn)狀[2]。

以木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)資源生產(chǎn)燃料乙醇等生物能源產(chǎn)品面臨的最大挑戰(zhàn)就是獲得低成本糖及高效率地將糖轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)品。自然進(jìn)化使這類(lèi)生物質(zhì)形成了對(duì)降解的強(qiáng)抗性(Recalcitrance)[3]及水解產(chǎn)物含有大量難發(fā)酵的五碳糖，開(kāi)發(fā)高效纖維素酶和構(gòu)建混合糖發(fā)酵菌株成為不可逾越的屏障[4]，但現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)展不斷提供的先進(jìn)手段，如系統(tǒng)生物學(xué)方法和合成生物學(xué)技術(shù)[5-6]及整合生物加工策略(Consolidated bioprocessing，CBP)[7]等，為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)帶來(lái)了前所未有的希望。山東大學(xué)曲音波[8]和鮑曉明[9]兩位教授及中國(guó)科學(xué)院微生物研究所李寅研究員[10]分別綜述了纖維素酶、菌株改造及釀酒酵母CBP生產(chǎn)燃料乙醇的研究進(jìn)展。針對(duì)現(xiàn)階段木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化難和糧食類(lèi)淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)燃料乙醇存在的爭(zhēng)議，廣西科學(xué)院黃日波教授[11]結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源特點(diǎn)，分析了我國(guó)發(fā)展木薯原料燃料乙醇存在的問(wèn)題及解決的對(duì)策。

我國(guó)雖然已經(jīng)形成了超過(guò) 200萬(wàn) t的生物柴油生產(chǎn)能力，但受油脂資源供給的制約，實(shí)際產(chǎn)量只有20萬(wàn)～30萬(wàn) t。大連理工大學(xué)修志龍教授[12]在綜述國(guó)內(nèi)外生物柴油技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的策略，北京化工大學(xué)譚天偉教授[13]則進(jìn)一步總結(jié)了脂肪酶高產(chǎn)菌株選育及酶的發(fā)酵生產(chǎn)、固定化酶技術(shù)及生物反應(yīng)器、生物柴油分離精制和副產(chǎn)甘油利用等方面的研究進(jìn)展。微藻光合效率高，單位面積油脂產(chǎn)量是油料作物的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，被認(rèn)為是生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展大宗原料的理想選擇[14]，華東理工大學(xué)李元廣教授[15]從優(yōu)良藻種選育，低成本大規(guī)模培養(yǎng)、藻細(xì)胞高效采收、胞內(nèi)油脂提取、藻渣綜合利用及系統(tǒng)集成優(yōu)化與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)等方面，分析了我國(guó)發(fā)展能源微藻面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)及應(yīng)該采取的策略。

丁醇作為燃料的性能優(yōu)于乙醇，但發(fā)酵副產(chǎn)物種類(lèi)多、產(chǎn)量大，導(dǎo)致原料消耗高，同時(shí)丁醇對(duì)細(xì)胞的強(qiáng)毒性，使發(fā)酵產(chǎn)物濃度極低，不僅下游產(chǎn)品分離的能耗高，而且產(chǎn)生大量廢糟液，其處理的能耗更高。中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院的楊晟研究員[16]在回顧丙酮丁醇發(fā)酵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，討論了如何降低丁醇生物制造的成本。

沼氣也稱(chēng)生物燃?xì)?，作為燃料和能源的使用有悠久的歷史。自“六五”開(kāi)始，國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目中就一直支持沼氣技術(shù)開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。目前，生物燃?xì)庹龔膫鹘y(tǒng)的分散戶(hù)用向城鎮(zhèn)集中供氣、車(chē)用燃?xì)夂蜔犭娐?lián)產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所劉曉風(fēng)研究員[17]綜述了國(guó)內(nèi)外沼氣發(fā)酵菌群、工藝技術(shù)路線和工程建設(shè)與示范等方面的進(jìn)展。

氫能作為燃料不論是直接燃燒，還是用于燃料電池，都沒(méi)有溫室氣體產(chǎn)生，是最潔凈的能源。與化學(xué)制氫或電解水制氫相比，生物制氫獲得的氫能具有可再生的特點(diǎn)，但產(chǎn)氫速率慢、效率低的問(wèn)題十分突出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王愛(ài)杰教授[18]對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)生物制氫，從原料預(yù)處理、產(chǎn)氫微生物到發(fā)酵工藝進(jìn)行了討論。在此基礎(chǔ)上，大連理工大學(xué)黃麗萍博士[19]對(duì)將生物質(zhì)中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的微生物燃料電池、利用外加微小電壓產(chǎn)氫的微生物電解池及這兩個(gè)系統(tǒng)耦合制氫的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述。

除了 12篇綜述文章外，本期專(zhuān)刊還邀請(qǐng)了 11篇研究論文：華東理工大學(xué)鮑杰教授[20]報(bào)道了秸稈原料超高濃度條件下發(fā)酵生產(chǎn)乙醇；清華大學(xué)李十中教授[21-22]研究了基于微生物群體協(xié)同作用的 CBP和甜高粱莖稈先進(jìn)固體發(fā)酵技術(shù)；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院李桂英研究員[23]針對(duì)廣西發(fā)展糖質(zhì)原料燃料乙醇甘蔗榨季短的突出問(wèn)題，研究了不同月份播種的甜高粱，其莖稈作為補(bǔ)充原料的可行性；復(fù)旦大學(xué)劉建平博士[24]和大連理工大學(xué)陳麗杰副教授[25]以菊芋塊莖為原料生產(chǎn)乙醇和丁醇；中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所趙宗保[26]和薛松[27]兩位研究員的富油微生物培養(yǎng)生產(chǎn)微生物油脂和綠藻產(chǎn)氫關(guān)鍵酶氫酶的研究；農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所張輝研究員[28]從高溫油藏采出液中分離嗜熱甲烷古菌；大連理工大學(xué)趙心清博士[29]和孜力汗老師[30]的自絮凝酵母細(xì)胞乙醇耐受性和乙醇發(fā)酵清潔生產(chǎn)技術(shù)。

特別值得提出的是河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司對(duì)本期生物能源專(zhuān)刊出版工作的大力支持。該公司始建于1939年，是我國(guó)歷史最長(zhǎng)、最具代表性的乙醇生產(chǎn)企業(yè)，目前燃料乙醇裝置的生產(chǎn)能力為50萬(wàn)t，生物柴油生產(chǎn)能力3萬(wàn)噸，生物燃?xì)馍a(chǎn)能力2 000萬(wàn)m3。在董事長(zhǎng)張曉陽(yáng)先生的帶領(lǐng)下，天冠集團(tuán)秉承光榮傳統(tǒng)，肩負(fù)歷史責(zé)任，勇于開(kāi)拓創(chuàng)新，積極倡導(dǎo)并推動(dòng)發(fā)展燃料乙醇，使其在我國(guó)實(shí)現(xiàn)了零的突破，不僅為燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的更大規(guī)模發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，而且通過(guò)大型燃料乙醇工程裝置的建設(shè)和運(yùn)行，拉動(dòng)了我國(guó)乙醇發(fā)酵這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的調(diào)整和升級(jí)。作為我國(guó)生物能源技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一面旗幟，天冠集團(tuán)于2008年建立了我國(guó)第一套以秸稈為原料的纖維素乙醇示范裝置，目前已經(jīng)改造擴(kuò)建到萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模，為“十二五”國(guó)家纖維素乙醇技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范奠定了良好基礎(chǔ)。

借此機(jī)會(huì)，衷心感謝作者在百忙中接受邀請(qǐng)撰寫(xiě)稿件，衷心感謝《生物工程學(xué)報(bào)》陳宏宇和郝麗芳編輯，沒(méi)有她們的極大熱情和鼓勵(lì)，這期專(zhuān)刊的出版工作是不可能順利完成的，同時(shí)也感謝編輯部其他工作人員及所有為專(zhuān)刊出版作出貢獻(xiàn)的科技人員，特別是從事具體研究工作的研究生。國(guó)家科技部等部門(mén)正在組織“十二五”項(xiàng)目，在馬上啟動(dòng)的863計(jì)劃和今年立項(xiàng)支持的 973計(jì)劃中，生物能源都占有重要位置。有國(guó)家的重大需求和科技界良好的工作基礎(chǔ)，生物能源基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)必將得到更好的發(fā)展！

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第二互聯(lián)網(wǎng)+視域下管理會(huì)計(jì)數(shù)據(jù)的形式具有可視性特點(diǎn)。數(shù)據(jù)的可視性是互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)時(shí)代的下的主要發(fā)展趨勢(shì)。即大數(shù)據(jù)技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)的采集，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的歸納總結(jié)，按照行業(yè)所需的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)的歸納。如根據(jù)不同的歸納指標(biāo)和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將其以各種對(duì)比圖片、視頻等形式呈現(xiàn)出來(lái)，使得數(shù)據(jù)更加直觀。

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Preface for special issue on biofuels and bioenergy

Fengwu Bai
School of Life Science and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

Received:July 14, 2010

Corresponding author:Fengwu Bai.Tel/Fax: +86-411-84706329; E-mail: fwbai@dlut.edu.cn