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      能源林與林木生物轉化能源化研究進展

      媒體:世 界 林 業 研 究  作者:蔣建新 陳曉陽 2014/8/13 21:22:30

      摘要:與化石能源比較,林木是一種可再生的清潔能源;與秸稈相比,林木能量密度高,種類豐富,一次栽種,多年受益,是實現大規模能源化的理想生物資源。文中在概述能源林應用與發展現狀的基礎上,重點介紹了林木生物轉化能源化技術的應用和研究進展。

      關鍵詞:生物質能,能源林,生物轉化能源化

      石油、天然氣、煤炭等化石燃料是當今世界使用的主要能源,但其儲量是有限的,而且不可再生,最終將被其他能源所取代。目前世界上大部分國家能源供應不足,因此各國政府都高度重視能源安全問題,十分關注新能源的開發,以期獲得穩定可靠的能源供應。與化石能源比較,林木是一種可再生的清潔能源;與秸稈相比,林木能量密度高,種類豐富,一次栽種,多年受益,是實現大規模能源化的理想生物資源。發展能源林和林木能源化是解決未來能源危機,改善生態環境,實現能源可持續發展的一條重要途徑。
      1 能源林的發展
      概況
      20世紀70年代能源危機以來,生物質能源的開發利用研究引起了人們的重視。美國、瑞典、奧地利、加拿大等發達國家,以及印度、菲律賓、巴西等發展中國家都分別制定了各自的生物能源戰略,并在其研究開發方面投入了大量人力和資金。加拿大有12個實驗室和大學開展了生物質的氣化和液化技術研究。目前加拿大生物質能源使用量占其能源總消耗的7%,其中80%以上的生物質能源用于森林工業。用木質廢棄物替代化石燃料是森林工業的一個重要趨勢。1999年,瑞典地區供熱和熱電聯產所消耗的能源中,26%是生物質能源。美國在利用生物質能方面處于世界領先地位。據報道,目前美國有350多座生物質發電站,20世紀70年代,諾貝爾獎獲得者、美國的卡爾文提出,通過建立“能源林場”來緩解能源危機。1976年,美國成功栽培了香槐和綠玉樹2種“能源樹”,每公頃可以提供的能源最高相當于125桶原油。歐共體為了鼓勵開發“能源植物”資源,從1993年起減免植物燃料90%的消費稅。法國20世紀80年代制定了“綠色能源計劃”。英國利用8萬hm2土地專門發展能源林。瑞典提出了“能源林業”的新概念,將1Π6的現有林作為能源林,并利用優良樹種無性系營造短周期能源林。日本制定了本國的生物質能轉換計劃,主要是開發芒草類生物質能源。據FAO預測,到2050年,以生物質能源為主的可再生能源將提供全世界60%的電力和40%的燃料,其價格將會低于化石燃料。

      我國早在“六五”、“七五”、“八五”計劃期間即把發展薪炭林列入全國造林計劃,并進行了薪炭林試點縣建設。目前,我國已發展薪炭林540萬hm2,薪材超過5200萬t油當量,到2010年,薪炭林面積將達到1340萬hm2。我國森林能源已占全國農村能源消耗的24%。目前林木作為能源的主要利用形式是薪炭,以分散的直接燃燒為主,平均熱效率不到25%,造成了很大的資源浪費。

      幾種典型的能源林樹種

      柳樹瑞典在能源林的發展和研究方面具有計劃性強和持續時間長的特點。1976年瑞GustafSiren教授開始進行能源林研究。20世紀90年代,由于農產品生產過剩,柳樹在瑞典的種植已十分普遍,甚至連肥沃的土地上也種植了柳樹,且以無性系能源林的種植為主。目前柳樹已成為瑞典的主要能源林樹種。瑞典能源林的年平均生物量生產為1012tΠhm2。瑞典柳樹能源林研究主要由瑞典農業大學承擔,在矮林作業系統、專家系統和土壤生態、集約生產生態、林分生態、土壤微生物、遺傳育種、病蟲害、生物物理、環境效果和經濟效益等方面開展了系統研究。
      在美國紐約的一個試驗種植場,栽培一種專供發電廠作燃料用的雜交柳樹。這種“能源柳樹”與天然柳樹不同,是長滿柔嫩枝條的濃密的灌木叢。這種雜交柳生長特別迅速,一年的生物量增長是一般森林的5~10倍,可持續收獲20年。
      我國甘肅特有的積石柳,具有抗寒、適應性強、繁殖簡便、速生、萌芽力強、生物量大等特點。3年生積石柳每年每叢鮮枝生物量增長達41274kg。旱柳在我國北方廣泛分布,生長快,易繁殖,樹形美觀,可以作為薪炭林樹種種植。

      銀合歡

      銀合歡(Leucaenaleucocephala)生長迅速,萌蘗力強,產量高,熱值高,輪伐期短,美國科學院的研究委員會稱之為“奇跡樹”;菲律賓種植112萬hm2,6年收獲的“液體燃料”相當于1000萬桶石油;日本把它作為煉鋼的燃料。我國云南東川、硯山、元江等地進行了引種栽培,6年生地上部分生物量達5886tΠhm2,平均值為4119tΠhm2。

      黑荊樹

      黑荊樹(AcaciamearnsiiDeWild)原產澳大利亞,是速生多用途樹種,早期生長迅速,年平均胸徑生長量為112~115cm,高為110~112m,一般2~3年成林,6~8年可采伐。該樹種樹皮中單寧含量高,是高產優質栲膠原料。我國20世紀50年代開始引種,目前人工林超過115萬hm2,薪材年產量為115萬kgΠhm2。

      桉樹

      桉樹也是一種重要的薪炭林樹種,自然分布于澳大利亞及其鄰近島嶼,1890年被引入中國。桉樹是常綠闊葉速生樹種,具有廣泛的用途,已成為世界上分布最廣的樹種之一。桉樹造林后,連續撫育2年即可成林,3年后可間伐,6年后進入主伐期,采伐后可天然更新2~3代,出材量可達150m3Πhm2。
      石油樹
      石油樹是指那些通過光合作用把二氧化碳和水直接轉化成富含碳氫化合物的一類植物,這類植物分泌的乳汁或提取的化學成分與石油的化學成分類似。亞馬孫河流域的喬木“苦配巴”,可以長到30m高,1m粗,日產油量25kg,成分接近柴油。
      綠玉樹(Euphorbiatirucalli)是大戟科大戟屬植物,為直立無刺的灌木或小喬木,高2~10m,是具有能源、生態、經濟綜合效益的多功能、多用途樹種。我國海南、廣州、西雙版納等地已作為能源林和防護林造林樹種進行引種栽培。
      油楠(SindoramaritimePierre)木質部內富含油脂,可燃性能與柴油相似,是熱帶地區用途十分廣泛、經濟價值高的珍貴稀有植物。樹干含有淡(棕)黃色的油狀液體,75%是無色透明的清淡芳香油,24%為棕色樹脂類殘渣。油楠的含油量因生長環境不同而異,一般每株含油量達215~315kg 。
      2 林木生物轉化能源化技術
      林木能源化即生物質的能量轉化,包括木質燃燒、熱化學轉化和生物轉化。木質燃燒一般選用薪材,可制成壓縮成型燃料和木油復合燃料等產品。熱化學轉化包括熱解、液化、氣化等,熱解可使林木生物質轉化為碳氫化合物富集的氣體、油狀液體和焦碳;液化是指在某些有機物的存在下,將木材轉化為類似液體的粘稠狀流體的熱化學過程,其產物可用于制造膠粘劑、三維固化制模材料、泡沫塑料、纖維和碳纖維等;氣化是將固體燃料轉化成可燃氣體。林木生物轉化能源化即指林木生物質能的生物轉化,是在厭氧或好氧條件下微生物或其產生的酶作用于纖維素、半纖維素降解發酵生成甲烷、氫氣或燃料乙醇的過程。

      林木生物質的預處理
      林木生物質中木質素的含量僅次于纖維素。木質素與半纖維素以共價鍵形式結合,將纖維素分子包埋在其中,形成一種天然屏障,使酶不易與纖維素分子接觸,而木質素的非水溶性、化學結構的復雜性,導致了林木生物質的難降解性。另外,大多數纖維素處于復雜的結晶狀態,使纖維素降解酶難以作用。因此,實現林木生物轉化能源化首先必須對林木進行預處理,其過程包括木質素的高效降解分離和破壞纖維素結晶結構,可大幅度提高木質纖維素的生物轉化率。
      林木生物質的預處理可以采用物理、化學或生物方法。物理法包括球磨碾磨、粉碎、高壓熱水抽提、蒸汽爆破、超臨界CO2爆破和γ射線處理等?;瘜W法包括酸處理法(鹽酸、硫酸、乙酸等)以及堿處理法(NaOH、堿性過氧化氫、氨水、液氨爆破、表面活性劑)。以上方法存在能耗大、成本高、催化劑不能循環利用、產生毒性副產物和環境污染等缺點。而生物法與之相比具有明顯的優勢。
      在自然界中,木質素的完全降解是真菌、細菌及相應微生物群落共同作用的結果,其中真菌起著主要作用。降解木質素的真菌分為白腐真菌、褐腐真菌和軟腐真菌。目前,研究最多的白腐真菌有:黃孢厚毛平革菌、彩絨草蓋菌、變色栓菌、射脈菌、鳳尾菇、朱紅密孔菌等。具有木質素降解能力的白腐真菌產生錳過氧化物酶(MnP)、木質素過氧化物酶(LiP)、漆酶和過氧化氫生成酶,這些酶在木質素的真菌代謝中起到重要的作用。真菌降解木質素其降解速度大都緩慢,這樣應用傳統的微生物方法來降解木質素就會遇到許多困難。應用DNA重組技術能使木質素降解酶相關基因進行克隆表達,這是該領域近年來的一個研究熱點??刂菩缘貙δ举|素進行生物降解,可以由木質素生產出香草酸、二甲基硫醚、丁香酸、苯酚等十分寶貴的化學產品或化工原料,代替從石油中制取的苯酚類物質。目前木質素的生物降解還未實現用真菌胞外酶作生物催化劑,主要是對真菌降解木質素機理還不清楚。Stepanova等比較了燕麥桿液態和固態發酵中不同真菌和不同培養條件的降解過程以及降解的速率控制步驟。
      通過對木質素降解相關酶的種類、作用方式以及它們的協同作用與非酶反應等研究,揭示木質素生物降解的分子機理;通過基因工程技術構建高效表達木質素降解酶和纖維素酶的工程細菌;以及控制性地對木質素進行生物降解,獲得苯酚類物質的變化規律等方面將是今后木質素降解研究的重要方向。

      林木生物質厭氧消化
      Yutaka等研究了纖維素轉化中Neocaui2mastixfrontalis與利用甲酸的產烷微生物Metha2nobacteriumformicicum和M1concilii等混合培養生成甲烷的過程,當以上3種微生物混合培養,而M1formicicum接種濃度為N1frontalis的45%時,纖維素底物濃度為20gΠL,24h后可生成150mmolΠL甲烷。采用厭氧分步固體反應系統(美國專利號6342378B1)將固體廢棄物轉化為沼氣以獲取生物能源是一新型技術,已被用于轉化多種固體生物質的科學研究,此技術不僅先進可行,而且操作簡單。美國已成功開發將木質廢棄物轉化為能源的厭氧分步固體反應系統。
      氫氣是一種理想的清潔能源,生物制氫在新能源的研究利用中占有日趨重要的位置,目前采用的生物制氫技術成本較高。使用價格低廉、來源豐富的原料是降低其成本的一條重要途徑,利用生物質,尤其是纖維素類物質制氫是新的發展方向。用于生物產氫研究的厭氧菌有:梭菌、甲基營養型細菌、產甲烷細菌、瘤胃細菌和古細菌等5種。瘤胃細菌、白色瘤胃球菌是一種能夠水解纖維素的厭氧瘤胃細菌,它通過分解碳水化合物生成乙酸、乙醇、甲酸、CO2和H2。Innotti等以葡萄糖為原料連續培養白色瘤胃球菌產生H2,每100mol的葡萄糖生成了65mol乙醇、74mol乙酸和237molH2。嗜熱古細菌中的激烈熱球菌含有一種可溶性的含鎳HD,能從碳水化合物和蛋白質生成H2。

      纖維素酶降解及糖液發酵過程
      木質纖維素制取乙醇包括纖維素和半纖維素糖化、糖液發酵和乙醇蒸餾等過程。纖維素和半纖維素糖化可以通過酸降解或Π和酶降解糖化途徑實現。酶降解纖維素具有作用條件溫和、不產生二次污染等特點,但目前纖維素酶還存在生產成本高的缺點。
      里氏木霉被認為是最具有應用前景的纖維素酶生產菌株之一,具有較強的分解天然纖維素的能力。纖維素酶酶系較廣,包括外切型葡聚糖酶(EC31211191,CBH)、內切型葡聚糖酶(EC3121114,EG)和β-葡萄糖苷酶(EC31211121,β-G)以及半纖維素酶等。木霉纖維素酶屬于胞外酶,酶的分離、純化較方便。另外,木霉具有培養粗放,適應能力強等特點,適用于固體培養和液體深層發酵。
      據報道,將不同來源的纖維素酶的編碼基因克隆并轉移到大腸桿菌中進行表達,如Aqui2fexaeolicusVF5cel8Y被確定為編碼內切葡聚糖酶的基因,研究者將此基因轉移到EscherichiacoliXL1-Blue中進行表達,蛋白質活性等表現出高度的穩定性。
      纖維素酶解產物葡萄糖和纖維素二糖對纖維素酶有較強的抑制作用,對纖維素間隙水解過程中的糖化是極其不利的。木質纖維素的同步糖化發酵可大幅度減輕這種抑制作用,因為產物乙醇對酶的抑制能力比葡萄糖和纖維素二糖的抑制能力要小得多。

      林木生物質同步糖化發酵過程木質纖維素生物轉化成燃料乙醇的過程可分為兩步轉化法和同步糖化發酵法2種。兩步轉化法是原料先經纖維素酶或半纖維素酶的水解產生葡萄糖、木糖等發酵性糖,再由另外一類微生物(如酵母菌)發酵產生乙醇等物質的過程。同步糖化發酵法經過一個步驟即可將木質纖維素轉化為乙醇,其中又分為有2種微生物參與的同時糖化發酵和僅用1個菌株的直接發酵法2種。兩步轉化法是先由微生物在纖維性材料上產生纖維素酶和半纖維素酶,然后進行酶解纖維素、半纖維素產生糖,再由酵母菌發酵產生乙醇。產酶、酶解、發酵等步驟所需要的條件各不相同,整個過程經歷的時間較長,需要2種微生物的作用,在工藝上較復雜。利用二株菌的同時糖化發酵法與兩步法相比,可消除酶解時產物對酶解作用的抑制,縮短了發酵時間,但仍需2種微生物的分別作用。近幾年來,采用原生質體融合技術來改良纖維素酶生產菌株的研究日益增多。美國Cetus公司用將里氏木霉的產酶基因移入酵母細胞中,通過這種“工程酵母菌”可由纖維素直接發酵獲得乙醇和甘油。
      自20世紀80年代以來,直接發酵法是僅利用一種微生物產生的纖維素酶和半纖維素酶酶解產生的糖仍由同一株菌來完成發酵的過程。此方法工藝簡單,轉化時間時短,是降低木質纖維素轉化成本的途徑之一。Ingram等在KlebsiellaoxytocaM5A1菌株上植入乙醇生成基因(來源于Zymomonasmobilis)和外切型葡聚糖酶基因(來源于Erwiniachrysanthemi),進行非結晶纖維素發酵生產乙醇研究,實驗中不加纖維素酶,乙醇得率為其理論值的58%~76%。Chang等研究了藜草(switchgrass)、玉米桿和白楊木經石灰預處理后,同步糖化發酵生產乙醇的過程。藜草的預處理條件:每克干生物質加Ca(OH)2011g,加水9mL,在120℃下處理2h;玉米桿預處理條件:每克干生物質加Ca(OH)201075g,加水5mL,在120℃下處理4h;白楊木預處理條件:每克干生物質加Ca(OH)2011g,加水9mL,在150℃、14bar氧壓力下處理6h。經同步糖化發酵,3種預處理原料乙醇的得率分別為72%、62%和73%。Lee等研究了乙醇對纖維素酶水解里氏木酶的抑制作用,酶水解程度與體系中乙醇濃度成反比。乙醇濃度為10gΠL、溫度為50℃的體系水解72h,其水解率比無乙醇體系低7%;乙醇濃度為65gΠL、溫度為50℃的體系水解24h時,水解基本停止,纖維素水解率為18%;50℃時乙醇濃度分別為9gΠL、35gΠL、60gΠL的體系,酶解初始速率比無乙醇體系分別降低9%、36%和60%。在纖維素的同步糖化發酵過程中乙醇也存在抑制作用,在膜生物反應器中連續糖化發酵過程中有可能從根本上解決產物的抑制作用。215 納米反應器和膜生物反應器納米反應器通常由納米材料或具有納米結構的物質組成,它們提供了一種納米尺度的空間,使反應受限于該納米空間范圍內,具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等4大效應。納米反應器中的酶分子表現出超活性。反膠束法是制備尺寸可控超細納米顆粒的有效方法。從結構上說,反膠束十分類似于生物膜的脂雙層,能較好地模擬酶的天然環境,同時由于反膠束的巨大比表面和它的極性內腔與非極性外殼間的超短距離,而且反膠束微粒間的碰撞頻率極高,其間的傳質速率極快,這為酶與底物的作用提供了最佳的微環境,因而可有效提高纖維素酶的催化效率和末端產物葡萄糖的得率。
      膜生物反應器可使酶或微生物重復使用,從而維持系統較高的酶或微生物濃度,同時產物可以不斷從反應系統中分離出來,減少產物對反應的抑制作用,提高反應器的生產能力。有機硅聚合物是至今研究最多的有機物膜材料之一,其特點是疏水、耐熱、具有很高的機械強度和化學穩定性,主要包括二甲基硅氧烷(PDMS)、聚三甲基硅丙炔(PTMSP)、聚乙烯基三甲基硅烷(PVTMS)等。PDMS膜又稱硅橡膠膜,作為一種均相聚合物材料無孔膜,具有不透無機鹽成分、疏水性和對揮發性有機化合物有較高的選擇透過性等優點,常被用于構成滲透蒸發Π滲透萃取硅橡膠膜生物反應器,在有機化合物生物轉化和生物產品生產等方面有廣闊的應用前景。在乙醇發酵膜生物反應器中,硅橡膠膜滲透蒸發操作對產品乙醇進行原位分離,使發酵液中的乙醇保持恒定的較低濃度,有效地減輕甚至消除產品對細胞生長的抑制作用,使細胞能保持長期的生物活性和穩定生長,有可能實現連續發酵,高效率、大規模和低成本地生產燃料乙醇。

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