我國生物柴油研究現(xiàn)狀及發(fā)展對策

譚冬霞 徐麗萍

1. 山東省平度市西關中學，山東 平度 266700 2. 四川化工職業(yè)技術學院，四川 瀘州 646005

我國生物柴油研究現(xiàn)狀及發(fā)展對策

譚冬霞1徐麗萍2

1. 山東省平度市西關中學，山東 平度 266700 2. 四川化工職業(yè)技術學院，四川 瀘州 646005

生物柴油的發(fā)展不僅有利于解決能源問題, 而且可減少溫室氣體的排放量, 在利用石油替代燃料中具有重要地位。本文綜述了生物柴油的優(yōu)勢、原料來源和生產(chǎn)工藝，分析了我國生物柴油的發(fā)展中存在的主要問題及開發(fā)策略。

生物柴油；研究現(xiàn)狀；發(fā)展對策

生物柴油(Biodiesel)是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物質能的一種，它是生物質利用熱裂解等技術得到的一種長鏈脂肪酸的單烷基酯。生物柴油是含氧量極高的復雜有機成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機物，幾乎包括所有種類的含氧有機物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有機酸、醇等。

生物柴油是清潔可再生能源，具有突出的環(huán)保性能，無毒性，不含芳香烴等有害物質。與傳統(tǒng)柴油相比，生物柴油具有潤滑性能好，儲存、運輸、使用安全，抗爆性好，燃燒充分等優(yōu)勢;既可作為添加劑促進燃燒效果，其本身也可作為燃料，適用范圍廣。同時，發(fā)展生物柴油對于調整農(nóng)業(yè)結構、增加農(nóng)民收入、改善生態(tài)環(huán)境等具有重要意義。

1 生物柴油與傳統(tǒng)柴油相比的優(yōu)勢

1.1 生物柴油的經(jīng)濟價值

生物柴油的原料是可再生資源，用之不竭?？梢钥隙?，在不久的將來， 隨著生物柴油生產(chǎn)技術的不斷改進，生產(chǎn)成本的不斷降低，這種可再生的新型能源一定會成為世界能源產(chǎn)品中的佼佼者。

1.2 生物柴油的環(huán)保價值

與傳統(tǒng)柴油相比，生物柴油所含的二氧化碳及其他污染成分低許多。根據(jù)美國環(huán)保局的資料，使用生物柴油的汽車，尾氣中的過氧化氫可降低20%，二氧化碳可降低12%。另外生物柴油無毒、易降解。它的毒性低于食鹽，降解度好過食糖，在人口眾多、污染嚴重的中國實在是一種不可多得的優(yōu)質油品。

2 生物柴油的原料種類

2.1 動物油脂

動物油脂包括豬油、牛油、羊油和魚油等。

2.2 植物油脂

用于生產(chǎn)生物柴油的植物有大豆、油菜、棉花、蓖麻等油料作物，以及油棕、黃連木、麻瘋樹、烏桕樹、文冠果樹等油料林木果實。發(fā)展植物油脂生產(chǎn)生物柴油，可以走出一條農(nóng)林產(chǎn)品向工業(yè)品轉化的富農(nóng)強農(nóng)之路，有利于調整農(nóng)業(yè)結構，增加農(nóng)民收入。

2.3 微生物油脂

目前研究較多的是酵母、真菌和藻類，能夠產(chǎn)生油脂的細菌則較少。利用微生物生產(chǎn)油脂有許多優(yōu)點，微生物細胞增殖快，生產(chǎn)周期短，生長所需的原料豐富，價格便宜，同時不受季節(jié)、氣候變化的限制，能連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低。因此，微生物油脂具有巨大的應用潛力和開發(fā)價值。

2.4 廢棄油脂

廢棄油脂主要包括餐飲廢油、地溝油、炒菜和炸食品過程產(chǎn)生的煎炸廢油等。以廢油脂為原料生產(chǎn)生物柴油，可大大減少廢油脂的現(xiàn)存量，減少燃料對化石資源的依賴和環(huán)境污染，同時可降低生物柴油原料的成本。廢油脂作為替代燃料與石化柴油相比盡管存在黏度大、揮發(fā)性差、與空氣混合效果不好、易發(fā)生熱聚合等問題，但經(jīng)過酯交換能夠完全滿足柴油代用理想品所具備的性能。李積華等以“地溝油”為原料、王延耀等以廢食用油為原料，用NaOH催化制備生物柴油，其產(chǎn)率都在90%以上。

3 生物柴油生產(chǎn)方法及工藝

3.1 直接混合法

Adans等將脫膠的大豆油與2號柴油分別以1:1和1:2的比例混合，在直接噴射渦輪發(fā)動機上進行600h的試驗。當兩種油品按1:1混合時，會出現(xiàn)潤滑油變渾以及凝膠化現(xiàn)象，而1:2的比例不會出現(xiàn)該現(xiàn)象，可以作為農(nóng)用機械的替代燃料。Ziejewski等將葵花籽油與柴油按1:3的體積比混合，測得該混合物在40℃下的黏度為4.88×10-6m2/s，而ASTM （美國材料試驗標準）規(guī)定的最高黏度應低于4.0×10-6m2/s，因此該混合燃料不適合在直噴柴油發(fā)動機中長時間使用。

3.2 微乳液法

將動植物油與溶劑混合制成微乳狀液也是解決動植物油高黏度的辦法之一。1982年Georing等用乙醇水溶液與大豆油制成微乳狀液，這種微乳狀液除了十六烷值較低以外，其他性質均與2號柴油相似。Ziejewski等以53.3%的冬化葵花籽油、13.3%的甲醇以及33.4%的1-丁醇制成乳狀液，在200h的實驗室耐久性測試中沒有嚴重的惡化現(xiàn)象，但仍出現(xiàn)了積炭和使?jié)櫥宛ざ仍黾拥葐栴}。

3.3 高溫熱裂解法

1993年，Pioch等對植物油經(jīng)催化裂解生產(chǎn)生物柴油進行了研究。將椰油和棕櫚油以SiO2/Al2O3為催化劑，在450℃裂解。裂解得到的產(chǎn)物分為氣液固三相，其中液相的成分為生物汽油和生物柴油。分析表明，該生物柴油與普通柴油的性質非常相近。

3.4 酯交換法

3.4.1 堿催化酯交換反應

酸和堿是目前普遍使用的生產(chǎn)生物柴油的催化劑，其生產(chǎn)因原料的不同而包括多種工藝。以精煉油脂為原料的生產(chǎn)工藝是在60～70℃、0.1Mpa下，由堿性催化劑催化的間歇或連續(xù)反應，一般采用6:1的醇油比?；旌袭a(chǎn)物經(jīng)靜置分為上下兩層，下層為甘油層，上層是甲酯層。將上層的甲酯取出，洗去帶出的甘油，再進一步反應得到最終產(chǎn)品。過量的甲醇經(jīng)冷凝被送入精餾塔中純化后再循環(huán)使用。

3.4.2 生物酶催化催化酯交換反應

目前化學法生產(chǎn)生物柴油使用的催化劑存在難以分離以及所需能量太大等問題，都可以通過使用酶催化劑加以解決。例如，以多孔高嶺石作為載體的固定酶催化劑，與其他催化劑相比，不但壽命長，無需經(jīng)常更換，而且活性高，易于分離，是一種性能上和經(jīng)濟上都具有競爭力的新型催化劑。Ban等以橄欖油和油酸為原料進行酶催化反應，產(chǎn)物中的甲酯含量達到90%。如何提高酶的活性和防止酶中毒是該方法的關鍵。

3.4.3 無催化劑條件下生產(chǎn)生物柴油

為了解決酯交換反應中遇到的成本高、反應時間長、反應物與催化劑難于分離等問題，研究人員開發(fā)了不使用催化劑的新工藝。M.Diasakou等研究了在加熱條件下大豆油與甲醇的酯交換反應，進行了動力學研究，得到了無催化劑條件下反應的特點。Saka和Kusdiana提出了生產(chǎn)生物柴油的臨界法。反應在一預加熱的間歇反應器中進行，反應溫度350～400℃、壓力45～65Mpa，菜籽油與甲醇的原料比為1:42。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超臨界處理的甲醇能夠在無催化劑存在的條件下與菜籽油發(fā)生酯交換反應，其產(chǎn)率高于普通的催化過程，且反應溫度較低，同時還避免了使用催化劑所必需的分離純化過程，使酯交換過程更加簡單、安全和高效。

4 生物柴油應用中存在的問題及開發(fā)策略

4.1 存在的問題

4.1.1 原料不足，供給不穩(wěn)定

由于我國可耕地面積有限，動植物油脂的生產(chǎn)尚不足以滿足居民的食用消費，并且每年需要大量進口，價格偏高；能源樹種由于生產(chǎn)周期較長，能源林基地建設投資巨大，目前只能少量提供，難以形成大規(guī)模效應，而且由于能源樹的種植區(qū)域多分布在偏遠地區(qū)，道路交通通達率較低，收集和貯存等物流范圍勢必受到限制，也對生物柴油的原料需求帶來了不便。廉價的廢棄油脂面臨收集系統(tǒng)不健全、收集利用率低的問題，且成分復雜，也難以形成大規(guī)模化發(fā)展。微生物油脂現(xiàn)有菌體含油率不高、產(chǎn)油率低，并且發(fā)酵工藝、油脂提取工藝都有待于進一步攻關研究。

4.1.2 資金缺乏

能源林基地建設投資巨大，沒有足夠的經(jīng)費用于能源林的培育，影響生物柴油原料的供給，不能保障未來產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展所需要的原料。

4.1.3 生物柴油標準發(fā)展滯后

相對產(chǎn)業(yè)發(fā)展來說，目前我國生物柴油的標準制定大為滯后, 正式頒布實施的只有一個(GB/T20828-2007柴油機燃料調合用生物柴油(BD-100)，難以為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供服務和支撐。

4.2 生物柴油開發(fā)策略

4.2.1 建立穩(wěn)定可靠的原料基地

利用轉基因等生物技術改良傳統(tǒng)油料作物，提高其產(chǎn)量和出油率，并合理利用非耕地或農(nóng)閑地大量種植，協(xié)調我國糧食安全與能源安全的矛盾；在山地、高原、丘陵地區(qū)甚至沙地適宜地選育、種植適合不同地域的高產(chǎn)含油樹種，并組織科研攻關，進一步開發(fā)利用自然界中還未開發(fā)的野生資源；重點開發(fā)微生物油脂轉化技術，大力發(fā)展富含油質的微藻或者“工程微藻”建立廢油脂收集系統(tǒng)，提高收集率，合理利用廢油脂資源，使其成為生物柴油原料的有益補充。

4.2.2 加大政府扶持力度，給予適當?shù)膬?yōu)惠

我國應對生產(chǎn)、研發(fā)生物柴油的企業(yè)、高校和科研單位給予一定的資金扶持，重點應體現(xiàn)在對現(xiàn)有生產(chǎn)加工技術的成熟化、重點關鍵技術領域的突破和原料潛力的開發(fā)引導和鼓勵上。

4.2.3 制定和完善生物柴油的各項標準

國務院發(fā)展改革委員會(2007)已經(jīng)制定了《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，明確提出加快制訂生物柴油技術標準。生產(chǎn)柴油標準的制定和完善可以指導并規(guī)范企業(yè)的生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的標準化程度，加速我國生物柴油產(chǎn)業(yè)化進程。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.006

譚冬霞，女，山東青島人，大學本科，研究方向生物學。