生物工程在能源中的作用

生物工程在能源问题中的应用XXX(XX班学号:XXXXX)摘要：随着社会的发展，人们对能源的需求日益增加。但传统的化石能源的储备量在地球上是有限的，因此开发新能源十分有必要。本文简述了我国的能源问题，并就生物工程在解决能源问题中的应用做了简介。关键词：生物工程能源问题能源植物微生物工程Abstract:Withthedevelopmentofsociety,thedemandofenergyconsumptionincreasesdaybyday.Butthereserveoftraditionalfossilfuelislimited;therefore,itisessentialforustodevelopnewenergy.ThisarticleresumestheenergyproblemofChina,andgivesabriefintroductionofsolvingenergyproblembyusingbioengineering.Keywords:BioengineeringEnergyproblemEnergyplantFermentationengineering1.生物工程简介以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的新技术就是生物工程。[1]生物工程主要包括了基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程。与传统理化技术相比，生物工程的特点是，利用生物资源的可再生性，在常温常压下生产产品，从而节约了资源和能源，并且减少了环境污染。2.能源与能源问题2.1能源简介能源就是向自然界提供能量转化的物质。从能源的来源上看，无非是有三种：一种是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。地球上大量能源物质如纤维素、淀粉等本质上就是太阳能转化的。第二类是地球本身蕴藏的能量，主要是地热能和原子核能。第三类地球和其他天体相互作用而产生的能量，如潮汐能。能源在我们社会生活中扮演着重要的作用，江泽民指出,能源是我国经济社会发展的重要制约因素，事关经济安全和国家安全。[2]2.2我国的能源利用现状我国能源资源有以下特点[2]：能源资源丰富，人均占有量少。能源建设不断加强，能源效率仍然较低。能源生产迅速增长，生态环境压力明显。能源消费以煤为主。能源需求继续增加，可持续发展面临挑战。2.3能源安全中国能源安全所面临着新挑战[3]：首先，中国超过美国成为全球最大的能源消费国，能源进口需求逐年增长。其次，中国对外能源投资从无到有。维护本国海外投资利益，已成为中国构建新的国际关系的重要考量。为解决中国的能源问题，不仅需要政府搞好外交，定位“友善中国”形象，提升中国的亲和力，大力发展文化外交，建立优质文化形象，打造具有中国特色的民族传播品牌，[4]还需要中国自己发展清洁的新能源。3.能源植物 3.1我国的能源植物资源能源植物是指那些具有合成较高还原性烃能力的植物，它们是可产生类石油成分，可代替石油使用或作为石油补充产品，以及富含油脂的植物。[5]根据植物所含化学成分不同，可将其分为富含碳水化合物型能源植物，如甘蔗、高粱、甜菜、玉米等，富含油脂型能源植物，如油菜籽等富含石油（烃）型能源植物，如麻疯树、棕榈、油楠、光皮树、黄连木等。3.2生物技术在能源植物中的应用利用生物技术，有效地利用种植资源，遗传改良现有能源植物物种，从而实现规模化种植，是能源植物研究利用的主要方向。例如，付小根就报道过，有人用基因工程手段创造麻风树的新种质，并用植物组织培养技术对麻风树的优良品系进行离体保存和快繁。[6]4．微生物工程与清洁能源4.1微生物资源生物资源是指对人类具有实际或潜在用途或价值的遗传资源、生物体或其部分、生物群体或生态系统中任何其他生物组成部分。发展生物技术，其中心技术是微生物工程技术的发展，微生物工程技术的发展必然涉及到微生物资源的开发与利用问题。[7]微生物具有个体微小、繁殖快、分布广、代谢快等生物学特性，资源再生转化中其效率远远大于动植物,有利于在短时间内把大量基质转化为有用产品,利于实现工业化生产。[8]微生物资源在能源开发上有重要作用。4.2微生物制氢氢能被誉为终极清洁能源，热值是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。H2的燃烧产物只有水。世界各国将氢能以及燃料电池的相关技术确定为保证经济持续发展、维护国家能源安全的重要技术。[9]产氢微生物主要有两个类群：一类是藻类和光合菌在内的光合微生物，一类是兼性厌氧或专性厌氧的发酵产氢微生物。前者可在一定条件下通过光解水产生氢气，而后者通过酵解有机物产生氢气。[10]尽管微生物制氢有着广阔的前景，但也有着三大难以解决的技术难题：1）微生物，特别是光合微生物制氢速率较慢。2）发酵过程中的氢气不易提取。3）提取出的氢气不易储藏。有的科学家用基因重组技术改良微生物，以大幅度地提高微生物生产氢气的能力。[11]4.3微生物发电微生物燃料电池，是微生物技术与电池技术相结合的产物，利用微生物整体为催化剂催化燃料转化为电能的装置。微生物电池有普通电池不能达到的优点[12]：1）燃料来源多样化，各种有机物、无机物都可以作为燃料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等作为原料。2)操作条件温和,常温、常压、pH中性条件下即可工作。3）无污染，可实现零排放。4）能量利用的高效性，微生物燃料电池是将来热电联用系统的重要组成部分，使能源利用率大大提高。5）生物相容性：利用人体内葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的电源。因此，细菌发电的前景十分诱人。4.4微生物与沼气沼气又叫做生物气，是一种混合可燃气，主要成分是甲烷，另外有部分CO2和少量H2、N2等气体。我国的沼气工程有气候条件优良、农业资源丰富、 技术力量雄厚、经济效益明显等优势[13]，所以我国农村沼气池发展势头很好，中国已成为世界上最大的农村户用沼气池保有国。[14]据测算，一口8m3的沼气池，每年可产生385m3沼气和20t以上沼肥，相当于节约煤炭0.5t和节化肥0.2t，从而使农民获得显著增收节支和提高生活水平。[15]当然，我国的沼气工程也存在一些问题，但这些问题不是工艺和设备的问题，而主要是政策和制度上的问题，比如，小型沼气工程建设不规范、户用沼气使用率低、大型养殖场沼气工程自筹资金不能到位、后续服务跟不上等。[16]4.5微生物制乙醇生物乙醇是指通过微生物的发酵将各种生物质转化为燃料酒精。燃料乙醇使用有两种方法。其一是以乙醇为汽油的“含氧添加剂”,通常这种无铅汽油约含10%的乙醇。另一种方法是使用乙醇代替汽油,这方面的工艺也十分成熟。[17]但也有人反对燃料乙醇项目。反对者认为生物乙醇生产过程中,需要使用大量的化肥、农药、机械和能源,其总的能源产出是负的,而且还会增加温室气体的排放。[18]5.酶技术与第二代生物燃料5.1第二代生物燃料简介生物燃料是指以生物质为原料生产的液体燃料，包括燃料乙醇、生物柴油以及二甲醚等，可以用来替代传统的化石能源。第一代生物燃料是以富含淀粉的玉米等为原料生产的燃料乙醇，以及把油菜籽油、豆油和棕榈油等转化的生物柴油，第二代生物燃料是指利用木质纤维素为原料生产的生物燃料。第一代生物燃料技术虽然先进，却导致了与民争粮、争油的不良结果，造成粮油价格上涨的局面。[19]我国第二代生物燃料主要包括农作物秸秆、林业生产剩余物、灌木林等，发展潜力约3.4亿t，可生产纤维素乙醇5180万t。[20]5.2酶技术在第二代生物燃料生产中的应用酶技术是指在一定的生物反应器内,利用酶的催化作用,进行物质转化的技术。第二代生物燃料的关键技术为催化酶技术。新型酶制剂的作用是将植物中的纤维素分解为可发酵糖，并进一步将其转化为乙醇。几年前，第二代生物燃料技术的成本还比较高，由于生物技术的不断创新，其成本大幅下降，第二代生物燃料的竞争力越来越强。[19]USDOE通过对纤维素催化酶的优化研究，降低了第二代生物燃料技术的成本。6.小结综上所述，能源问题是关系到国家安全的社会问题，生物工程在能源问题中的应用不外乎是体现在下面两个方面：1、通过微生物技术或酶技术将人类难以利用或不能利用的物质转化为能源。2、通过基因工程育种，培育可以高效产能的菌种或植株，并用细胞工程的技术手段对其进行保存或快繁。尽管生物技术在能源问题中发挥着巨大作用，但要运用于生产和社会生活中，在工艺技术上和相关政策上还有很长的路要走。参考文献：[1]陶兴无生物工程概论[M]北京：化学工业出版社，2010.2010-07-012010-07-01[2]江泽民对中国能源问题的思考[J]中国能源，2008，5-19. [3]史丹全球能源格局变化及对中国能源安全的挑战[J]中外能源，2013，1-7.[4]肖杨海湾国家资源民族主义与中国能源安全[J]世界纵横，2014，73-76.[5]李勇进，侯昊能源植物研究现状及展望[J]安徽农业科学，2013，41(4):1682－1683.[6]王海波生物能源植物小桐子功能基因及基因组研究进展[J]基因组学与应用生物学，2012，31（5）：522-530.[7]刘建军浅谈微生物资源的开发与利用问题[J]山东食品发酵，2012，3-7.[8]李雁微生物资源在解决人类资源危机中的作用[J]氨基酸和生物资源，2002，24（3）：3-5.[9]马明轩10年后，氢能可与化石能源竞争[J]中国石化报，2012,1-2.[10]赵春海微生物产氢的研究[J]生命科学仪器，2007,35-36[11]孙毅生物技术与能源开发[J]科技情报开发与经济，2013,23（15）:150-152[12]杨冰，高海军，张自强微生物燃料电池研究进展[J]生命科学仪器，2007,3-12.[13]徐国健推广农村沼气发展清洁能源[J]安徽农学通报，2012,14-17.[14]王飞中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J]农业工程学报，2012,28（1）：184-189[15]周德庆微生物学教程[M]北京：高等教育出版社，2011.[16]董照锋山区农村沼气发展问题调查研究[J]农学学报，2012,26-30.[17]纪占武关于发展生物能源化解能源危机的思考[J]东北大学学报（社会科学版），2009，490-495.[18]吴伟光全球生物乙醇发展现状、可能影响与我国的对策分析[J]科技与经济，2009,23-38.[19]赵维平，白羽浅议第二代生物燃料技术及其发展[J]科技情报开发与经济，2011,166-168.[20]田宜水中国第二代生物燃料资源发展潜力分析[J]中国能源，2010,17-20.