生物工程在新型能源中的應用

呂歌

摘 要 新能源的主要特征是潔凈并且可再生。新型能源是未來能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。生物能源作為一種新興的技術，對能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有舉足輕重的作用。本文著重說明生物工程和新型能源之間的鏈接，以及研究生物工程對人類在能源探索領域的促進作用。

關鍵詞 生物工程 新型能源

中圖分類號：F206 文獻標識碼：A

Application of Biological Engineering in New Energy

LV Ge

(Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068)

Abstract The main features of the new energy is clean and renewable. The new energy is an important direction for future development of energy industry. Bio-energy as a new technology, the development of the energy industry has a pivotal role. This article highlights the link between the bio-engineering and new energy, and study the role of biological engineering in promoting human energy exploration.

Key words biological engineering; new energy

1 什么是生物工程？什么是新型能源？

生物工程是上世紀70年代興起的一門具綜合型和應用型一體的學科，到了90年代才誕生了系統(tǒng)性的生物工程?，F(xiàn)代生物技術主要是指對生物體進行基于個體、細胞甚至分子水平上通過技術手段根據(jù)我們的目的，進行設計和操作，從而達到設計期望的目的。這其中包括發(fā)酵工程、酶工程、細胞工程和基因工程。尤其是基因工程發(fā)展?jié)摿哟蟆Ｄ壳霸O計的生物工程技術將會為人類解決諸如環(huán)境、糧食等問題。

新型能源是指通過新技術進行開發(fā)的可以再生的能源。目前常見的包括太陽能、水能、潮汐能等，還有常見的甲醇、酒精等也是屬于新型能源的范疇。隨著石油、煤炭等不可再生常規(guī)能源的消耗和在使用過程中對環(huán)境的破壞，對新型能源的研究將得到各國的加倍重視。使用新型能源已經(jīng)成為了新時代的能源總趨勢。

2 為什么要開發(fā)新型能源？為什么要將生物工程應用到新型能源的開發(fā)？

石油、煤炭等能源都是不可再生資源，用一點就少一點，這就造成了燃料成本的不斷提高，這樣顯然會影響到社會發(fā)展，而現(xiàn)代的社會對石油和煤炭能源的依賴又是有目共睹的；同時，石油煤炭等能源的使用過程中會對環(huán)境造成嚴重的破壞，這加劇了全齊變暖的趨勢，種種跡象表明，研究出來一種可以代替石油、煤炭的能源迫在眉睫。

根據(jù)多年的實驗室經(jīng)驗，從牧草、農(nóng)業(yè)廢物和其他非食品植物的纖維素物質(zhì)中提取的液態(tài)燃料，是最有潛力用來代替石油的。

現(xiàn)在，主流的生物燃料是乙醇。但是僅僅是適用于汽油發(fā)動機，而無法滿足航空用油和柴油機用油的需求。同時，大量使用乙醇也會對油罐、輸油管道造成腐蝕，所以一種新型的高級燃料呼之欲出。

有研究表明對酵母菌和大腸桿菌的基因進行修改后，經(jīng)過一系列的反映可以制造出沒藥烷。通過科學家們對沒藥烷的研究和性能測試，可以看出沒藥烷具有高級能源的潛能。

這是一個很具有標志性的通過生物工程研究新型能源的案例，這樣一個案例也充分說明了生物工程將對新型能源的開發(fā)和利用起到關鍵的作用。

3 生物工程在新型能源中的發(fā)展前景

3.1 氫能

3.1.1 發(fā)展新型燃料電池

使用氫、甲烷等制造的燃料電池在使用過程中，直接和氧氣發(fā)成反應，產(chǎn)生電能。特點是能源轉(zhuǎn)化率高，污染低。這是使用比較普遍的一種能源利用方式。傳統(tǒng)的氫氣的采集方法主要有水電揭發(fā)制氫、太陽能制氫和天然氣或者工業(yè)尾氣分離制氫。新型的生物制氫目前正在一步步的走向成熟。最近的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，90%的制氫工業(yè)是使用如天然氣等天然碳氫化合物分離提取的方法；這樣的制氫方法壓迫消耗大量的礦物資源，這不能從根本上解決能源缺乏的問題。而利用秸稈等生物質(zhì)進行制氫則是頗有前景的方法。目前為止，生物制氫一般會使用的微生物喲藍綠藻、細菌、光合菌等。目前研究最多的就是藍細菌，但是他本身有弊端，就是在放氫的同時，伴隨氧的釋放，氫酶易失活。光合細菌可利用光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化從氫能，這個從理論上是最理想的制氫途徑。

3.1.2 開發(fā)軍民兩用的生物能源

現(xiàn)在，不論是民用汽車交通運輸工具還是兵用機動裝備，都是用柴油、汽油為燃料，這樣的話如果是將氫能最為燃料那將是一個大大的進步。這樣說是因為氫能作為燃料，有其自身的優(yōu)勢。首先，氫能的釋放過程是純凈的，（下轉(zhuǎn)第250頁）（上接第198頁）不會污染環(huán)境；其次氫能的熱效率極高，甚至是汽油的三倍；最有生物制氫有極大的潛力。

3.1.3 充分利用有機垃圾或有機廢水為原料生產(chǎn)氫能源

生活垃圾的處理困擾著人類，造成的環(huán)境問題也是不容忽視的。經(jīng)過研發(fā)，用生活垃圾為原料制取氫氣具有極大的開發(fā)潛力。這種方法產(chǎn)氫率很高。經(jīng)過實驗可得出結(jié)論，每一公斤生活垃圾可以獲取49升的氫氣，產(chǎn)氫后的殘渣，是無臭味的糊狀物體，依然有成為農(nóng)田有機肥料的價值。這樣一個工藝有下幾個特點：①制氫系統(tǒng)運行穩(wěn)定；②獲取氫氣的純度較高；③可持續(xù)產(chǎn)氫；④未采用純菌種。

3.1.4 微型綠藻是索取氫能的最廉價途徑

微型綠藻是一種低能植物，具有分布廣、繁殖快的特點。它只要是在滿足水、光照的條件下就可以制造氫氣。經(jīng)過試驗可以發(fā)現(xiàn)，人工控制可以使綠藻按照要求生產(chǎn)出氫氣。使用這種方法，要注意兩點：首先，通過細胞固定化技術，存在提高微型綠藻產(chǎn)生氫氣的持續(xù)能力；第二，通過基因工程技術，可以使微型綠藻生產(chǎn)氫氣的能力有大幅度的提高。這是一種最廉價的制氫途徑。

3.2 以CO2廢氣為原料開發(fā)新能源

CO2是造成溫室效應等環(huán)境問題的主要原因。所謂溫室效應，是指由于地球表面氣溫升高的現(xiàn)象。工業(yè)發(fā)展過程中燃燒太多的石油、煤炭和天然氣，這過程中釋放出來的大量CO2進入大氣，而CO2又有吸熱和隔熱的功能，這就像是在大氣中形成了一層玻璃罩，使得地球表面的熱量不能回到外層空間，所以地球表面的溫度就上升了。

從另外一個角度來講，CO2又是一種化工原料。我們可以采用生物方法通過化學反映將其變成能源?，F(xiàn)在較普遍的方式是這樣的：利用藻類植物，特別是單細胞藻類（無論是真核或原核），在光照條件下它們可以進行光合作用將CO2吸收，同時將太陽能儲存起來，這樣藻類植物就成了一個巨大的能量庫。

3.3 微生物發(fā)酵備制酒精

乙醇是又一種無污染的清潔能源，也是一種重要的再生能源。它有著無污染、效率高、燃燒完全的特點?，F(xiàn)在可以用到的就是用乙醇稀釋汽油，從而代替鉛汽油，這樣功效提高了15%左右，同時這樣還較少了污染?，F(xiàn)在常用的制取乙醇方法有兩種，一是用廢棄農(nóng)業(yè)秸稈生產(chǎn)乙醇，二是用綠藻生產(chǎn)。在我國，有大量的廢棄農(nóng)作物秸稈，我們有能力也有技術將其轉(zhuǎn)化成能源。同時這樣的成本也低于使用糧食發(fā)酵乙醇。使用綠藻備制乙醇，也是很有潛力的。在光照條件下，它將CO2轉(zhuǎn)化為淀粉貯藏，在無光活弱光條件下將淀粉轉(zhuǎn)化為乙醇。這樣既不會造成環(huán)境污染，又能夠吸收造成溫室效應的CO2。

4 結(jié)束語

隨著石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的迅速減少，能源問題已經(jīng)成了社會發(fā)展的一道坎。能否找到可以代替石油等常規(guī)能源的新型能源已經(jīng)成為我們?nèi)祟惿鐣^續(xù)發(fā)展的關鍵。我們現(xiàn)在所知道的以可再生資源生產(chǎn)的生物柴油、氫氣和燃料酒精等，具有清潔、高效的特點。我們可以抓住這樣一個思路，沿著這樣一條路走下去。隨著生物技術的不斷發(fā)展，木聚糖酶、纖維素酶等關鍵酶有了極大突破，這標志著我們通過纖維素發(fā)酵備制酒精的目標將要實現(xiàn)了。我國可以以豐富的動物油脂、植物油脂資源為依托，大力發(fā)展生物技術備制新能源。還有飯店產(chǎn)生的煎炸油，也是一種豐富的原料，還可以解決地溝油的問題。生物工程應用到新能源開發(fā)技術已經(jīng)有了一個清晰的思路，但是如果要投入到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，還是有一個關鍵性問題亟待解決。

參考文獻

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