作者:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所 高級工程師 黃慶德
來源:《生物技術(shù)世界》2005年2期 中國科學(xué)技術(shù)信息研究所加工整理
生物柴油是生物質(zhì)能的一種形式，其主要成份為通過動(dòng)植物油脂轉(zhuǎn)化而來的高級脂肪酸的低碳烷基酯混合物，以其物化性能與石化柴油相近，并可以直接代替石化柴油或與普通石化柴油以任意比例互溶代替石化柴油使用而得名。由于得自于動(dòng)植物油脂的生物柴油與得自于石油的石化柴油相比，生物柴油具有環(huán)境友好、在使用過程中降低有害廢棄物排放等多方面環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，加之占世界能源消耗量40%的石油因資源量極為有限，造成原油和燃料油市場價(jià)格巨幅波動(dòng)，生物柴油作為一種優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)可再生能源，自二十世紀(jì)九十年代以來在世界范圍內(nèi)形成了研究開發(fā)熱潮，并已經(jīng)形成快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。
我國是世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為迅速的國家之一，對能源的需求量長期持續(xù)高速增長，在現(xiàn)在的能源消耗構(gòu)成中，除煤炭能夠滿足自給外，石油和天然氣供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，特別是石油，我國2003年消耗石油2.5億噸，從國際市場上進(jìn)口高達(dá)9,100萬噸，國際依存度高達(dá)36.4%，從各種渠道得到的數(shù)據(jù)表明，2004年我國石油進(jìn)口量將突破億噸大關(guān)，達(dá)到1.2億噸，石油的國際依存度也將突破40%。國際石油價(jià)格的高企，不僅增加了購買石油的外匯消耗，而且給我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展造成不容忽視的負(fù)面影響。
在這樣的背景情況下，開展可再生清潔能源研究對我國不僅具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)還具有非常重要的戰(zhàn)略意義。為此我國有相當(dāng)一些科研人員和研究機(jī)構(gòu)開展了這方面的研究工作，國家多年來也在各類政府資助的科研項(xiàng)目中予以立項(xiàng)和經(jīng)費(fèi)支持，取得了一大批具有價(jià)值的科研成果。本文對生物柴油技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹和分析。
生物柴油技術(shù)現(xiàn)狀
生物柴油經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，其生產(chǎn)技術(shù)和使用技術(shù)已經(jīng)進(jìn)展到相當(dāng)?shù)纳疃取Ｔ缙诶糜椭邷亓呀馍a(chǎn)汽油、柴油的技術(shù)，因轉(zhuǎn)化率低、能耗高、經(jīng)濟(jì)性差而淘汰，現(xiàn)在生物柴油生產(chǎn)技術(shù)主要可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是物理法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)；一是化學(xué)法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)。
物理法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)
在物理法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)方面，主要是利用了動(dòng)植物油脂具有高能量密度和可燃燒的特性用于柴油代用燃料。由于動(dòng)植物油脂具有粘度較高的特點(diǎn)，為了使其能夠用于內(nèi)燃機(jī)燃燒，一種方法是將植物油與石化柴油直接混合用于柴油代用燃料。Amans等在1983年將大豆油與2號柴油進(jìn)行混合，然后在直接噴射的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)，結(jié)果表明，大豆油與2號柴油以l:2的比例可以得到很好地混合，降低了燃料油的黏度，并可直接用于農(nóng)用機(jī)械的替代燃料。通常采用植物油與石化柴油5~30％的混合比，其性能與2號石油柴油的性能很接近。另一種方法是將動(dòng)植物油制成微乳液，來解決動(dòng)植物油的黏度高的問題。Georing等用乙醇水溶液與大豆油制成微乳液，Ziejewski等用冬化葵花籽油、甲醇、l一丁醇制成乳狀液，Neuma等用表面活性劑（主要成分為豆油皂質(zhì)、十二烷基磺酸鈉及脂肪酸乙醇胺）、助表面活性劑（主要成分為乙基、丙基、異戊基醇）、水、石化柴油和大豆油制成可替代柴油的微乳液。我國江蘇理工大學(xué)與德國ELSBETT公司合作，成功地開發(fā)了燃燒植物油的小缸徑高速直噴內(nèi)燃機(jī)，并在開發(fā)的車用內(nèi)燃機(jī)上開展了用植物油做燃料的應(yīng)用研究，成功地燃燒多種植物油。
化學(xué)法生物柴油生產(chǎn)技術(shù)
與物理方法不改變油脂組成和性質(zhì)不同，化學(xué)法生物柴油技術(shù)就是將動(dòng)植物油脂進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，改變其分子結(jié)構(gòu)，使主要組成為脂肪酸甘油酯的油脂轉(zhuǎn)化成為分子量僅為其三分之一的脂肪酸低碳烷基酯，使其從根本上改善流動(dòng)性和粘度，適合用作柴油內(nèi)燃機(jī)的燃料。酯化和酯交換是生物柴油的主要生產(chǎn)方法，即用（含或不含游離脂肪酸）的動(dòng)植物油脂和甲醇等低碳一元醇（通常為C1-4醇）進(jìn)行酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，生成相應(yīng)的脂肪酸低碳烷基酯，再經(jīng)分離甘油、水洗、干燥等適當(dāng)后處理即得生物柴油。通過化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的脂肪酸低碳烷基酯完全具有石化柴油幾乎相同的流動(dòng)性和粘度范圍，同時(shí)具有與石化柴油的完全互溶性，是一種良好的柴油內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力燃料。生物柴油化學(xué)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)形成比較完備的技術(shù)體系和方法，其技術(shù)根本點(diǎn)就在于采用不同的酯化或轉(zhuǎn)酯化催化劑、工藝技術(shù)條件等將動(dòng)植物油脂轉(zhuǎn)化成生物柴油，在這些方面已有大面積的專利技術(shù)覆蓋和公開發(fā)表的大量研究報(bào)告，涵蓋了化學(xué)催化劑法、生物酶催化劑法、無催化劑法（在高溫高壓下進(jìn)行）、常壓法、加壓法等生物柴油生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)方面，其生產(chǎn)原料包括動(dòng)植物油脂和廢棄食用油脂。在這些技術(shù)中化學(xué)方法的常壓連續(xù)轉(zhuǎn)酯化和加壓連續(xù)轉(zhuǎn)酯化等生物柴油生產(chǎn)技術(shù)，已在歐美等發(fā)達(dá)國家形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，代表了當(dāng)今主流生物柴油技術(shù)，而且技術(shù)仍在不斷發(fā)展。
生物柴油使用技術(shù)
生物柴油使用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，使用技術(shù)的研究是技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的必要前提條件，而產(chǎn)業(yè)發(fā)展又促進(jìn)使用技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善。
物理方法生產(chǎn)的生物柴油因?yàn)槭菍ｉT針對某種柴油機(jī)來開發(fā)或者改變柴油內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)使其適合于使用生物柴油，因此物理法生物柴油均是直接使用，其使用技術(shù)本身就包含在生產(chǎn)技術(shù)之中。但物理方法生產(chǎn)的生物柴油是一種分散的多相體系，一直存在穩(wěn)定性的問題，而且其物化性能指標(biāo)難以控制。因此物理法生物柴油在生物柴油產(chǎn)業(yè)中所占比重很小。
化學(xué)法生產(chǎn)的生物柴油完全改變了物理法生物柴油的物性狀況，成為完全均勻的液態(tài)產(chǎn)品，粘度也得到大幅度降低，而且能與石化柴油以任意比互溶形成單一的均相體系，其使用就方便多了。其使用技術(shù)更多地體現(xiàn)在生物柴油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范上。美國更多地使用B20混合生物柴油，即將生物柴油以20%的比例加入到石化柴油中，并建成大量的B20生物柴油加油站，現(xiàn)在每年有40多萬噸生物柴油配制成的B20混合生物柴油走向市場。而西歐一些生物柴油產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家如德國、奧地利等因政策原因，生物柴油價(jià)格低于石化柴油，則直接使用100%生物柴油，在加油站就可以購買這種產(chǎn)品，考慮到氣候變化等原因，相應(yīng)生物柴油采用與石化柴油類似的分類控制，以適應(yīng)不同氣溫等氣候條件下安全使用。
我國的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)情況
在生物柴油方面，我國的技術(shù)研究并不落后于歐美等發(fā)達(dá)國家，從各種公開的文獻(xiàn)資料上，涉及生物柴油的文獻(xiàn)80余篇，涉及技術(shù)研究的文獻(xiàn)20余篇，內(nèi)容包括了生物柴油生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用研究的各個(gè)方面。張高勇等1989年就申請了脂肪酸烷基酯的生產(chǎn)方法專利，該項(xiàng)技術(shù)根據(jù)可得到動(dòng)植物油脂含有游離脂肪酸的實(shí)際，設(shè)計(jì)了低碳醇蒸汽酯化然后生產(chǎn)脂肪酸烷基酯的技術(shù)方法。畢玉遂等于1995年申請了以棉籽油皂腳為原料合成脂肪酸甲酯的專利技術(shù)。由于我國國情所限，采用食用動(dòng)植物油脂轉(zhuǎn)化成生物柴油沒有經(jīng)濟(jì)上的可行性，近年來以廢動(dòng)植物油脂為原料轉(zhuǎn)化成生物柴油的技術(shù)被深入研究，葉活動(dòng)等研究了廢動(dòng)植物油脂酯化然后通過蒸餾過程蒸出脂肪酸烷基酯生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)，黃慶德等研究了高酸值動(dòng)植物油脂共沸蒸餾酯化－甲酯化用于生物柴油生產(chǎn)的技術(shù)。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，近年來采用生物酶催化劑合成生物柴油的技術(shù)得到研究和發(fā)展，宗敏華、劉德華等通過研究，分別申請了國家發(fā)明專利，為了避免采用甲醇反應(yīng)物等醇類以及副產(chǎn)物甘油等對酶催化劑活性的影響，劉德華研究了短鏈脂肪酸酯作為?；荏w的酶法生物柴油技術(shù)。
在技術(shù)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，我國生物柴油產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)起步，相繼有四川古杉、海南正和等7~8家企業(yè)參與生物柴油產(chǎn)業(yè)開發(fā)。但我國生物柴油產(chǎn)量很少，目前還不能對生物柴油產(chǎn)量作出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物柴油還沒有形成固定的區(qū)域市場，我們在產(chǎn)業(yè)方面非常落后。
我國生物柴油發(fā)展應(yīng)解決的技術(shù)問題
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國石油能源供應(yīng)大量依靠進(jìn)口的局面在我國石油蘊(yùn)藏量極為有限的情況下將會(huì)長期持續(xù)，科學(xué)家們也將不懈地致力于可替代新能源的研究和開發(fā)。生物柴油作為可再生生物質(zhì)新能源，可望利用植物進(jìn)行年復(fù)一年地通過吸收太陽能而生產(chǎn)，其發(fā)展前景自然極為廣闊。但目前用于食用的動(dòng)植物油脂還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求，以現(xiàn)有動(dòng)植物油料生產(chǎn)生物柴油能源，即使在國際石油價(jià)格高達(dá)50美元/桶的情況下，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的普遍使用的石化能源價(jià)格，建立在現(xiàn)有動(dòng)植物油料為原料的生物柴油能源生產(chǎn)，其競爭力受到嚴(yán)重制約。但在可再生能源具有非常龐大潛在市場需求的基礎(chǔ)上，發(fā)展生物柴油能源關(guān)鍵是尋求適合于發(fā)展的合適途徑。根據(jù)目前狀況，結(jié)合科技發(fā)展趨勢，我國生物柴油發(fā)展應(yīng)解決好以下技術(shù)問題：
大力選育高產(chǎn)含油植物
從普遍的知識來講，植物的種子或果實(shí)均含有一定數(shù)量的植物油，只是含油量高低和成份不同而已，這些植物油均可以轉(zhuǎn)化為液態(tài)能源，這為生物柴油能源植物選育提供了大量的研究對象和基礎(chǔ)，可以進(jìn)行具有能源產(chǎn)量優(yōu)勢植物選育。作為能源用植物，對其植物油組成和營養(yǎng)性不進(jìn)行限制，宜以單位面積能源產(chǎn)量（或能量）為目標(biāo)，尋求高產(chǎn)能源植物選育技術(shù)上的突破。
大力發(fā)展生物工程技術(shù)應(yīng)用于能源植物油生產(chǎn)
生物工程技術(shù)大大改變了農(nóng)作物種植方式，并大幅度提高農(nóng)作物產(chǎn)量，對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形成了巨大沖擊，轉(zhuǎn)基因大豆、轉(zhuǎn)基因棉花等作物的產(chǎn)量優(yōu)勢更是傳統(tǒng)農(nóng)作物所難以比擬，但存在安全性的問題。作為用于能源生產(chǎn)的植物油，對其含有的植物油品質(zhì)或結(jié)構(gòu)將不再要求，以生物工程技術(shù)來發(fā)展生物柴油能源產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)上有實(shí)現(xiàn)的可能性和具有非?，F(xiàn)實(shí)的發(fā)展前景。
生物柴油生產(chǎn)需要開發(fā)創(chuàng)新性技術(shù)
在現(xiàn)有生物柴油生產(chǎn)技術(shù)方面，普遍以動(dòng)植物油脂為原料采用酯化或轉(zhuǎn)酯化等化學(xué)過程將油脂轉(zhuǎn)化成脂肪酸單烷基酯，這一過程目前還需要使用不能回收的酸堿催化劑，在生產(chǎn)過程中形成了三廢排放污染，同時(shí)還降低了動(dòng)植物油脂進(jìn)行生物柴油轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化效率，而生物酶技術(shù)還無法達(dá)到工業(yè)化實(shí)用水平，需要研究不使用化學(xué)催化劑或使用可完全回收催化劑的生物柴油綠色化生產(chǎn)技術(shù)；此外還存在生物柴油生產(chǎn)副產(chǎn)甘油的問題，雖然目前甘油是一種價(jià)值較高的化學(xué)品，但隨著生物柴油的大量生產(chǎn)，現(xiàn)有的甘油市場將難以承受生物柴油生產(chǎn)中大量副產(chǎn)品甘油的沖擊，因此需要考慮并研究甘油的開發(fā)和綜合利用技術(shù)。
促進(jìn)我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議
目前我國生物柴油產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了起步，并形成了四川古杉、海南正和、福建卓越等具有規(guī)模的生物柴油產(chǎn)業(yè)化示范生產(chǎn)工廠，但離真正的產(chǎn)業(yè)化還有很大的差距，還需要在產(chǎn)業(yè)促進(jìn)、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)范等方面開展大量的研究工作。
產(chǎn)業(yè)促進(jìn)
生物柴油產(chǎn)業(yè)目前剛剛處在起步階段，發(fā)展?jié)摿O其巨大，相對比較容易形成較大規(guī)模的可再生能源產(chǎn)業(yè)，具有帶動(dòng)農(nóng)業(yè)和能源業(yè)發(fā)展的能力。在產(chǎn)業(yè)形成和發(fā)展初期，國家進(jìn)行政策扶持，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展軌道極為必要。在這方面，可以借鑒歐美等發(fā)達(dá)國家發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)的政策和措施，并研究適合我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持、促進(jìn)政策。我們一方面可通過國家各種科技計(jì)劃引導(dǎo)資金投入，加大國家資金投入的力度來促進(jìn)生物柴油產(chǎn)業(yè)盡快形成規(guī)模；同時(shí)積極引導(dǎo)其它各種投資資金（包括民間投資）的投入，對生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)在稅收和補(bǔ)貼方面給予一定期限的實(shí)惠，使生物柴油的價(jià)格體系盡快形成，并增強(qiáng)生物柴油產(chǎn)品的市場競爭力。
產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和規(guī)模
目前以動(dòng)植物油脂為原料生產(chǎn)生物柴油，即使生物柴油價(jià)格按目前石化柴油價(jià)格上限定價(jià)也不具備經(jīng)濟(jì)上的可行性，如果需要長期靠國家政策補(bǔ)貼來發(fā)展，不可能形成一個(gè)健康發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，因此對生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃很有必要，同時(shí)生物柴油產(chǎn)業(yè)應(yīng)該有一個(gè)適度的發(fā)展規(guī)模。目前宜積極發(fā)展以各種廢棄油脂為原料生產(chǎn)生物柴油，這方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且還有一些新的技術(shù)在不斷研究和開發(fā)。我國現(xiàn)在每年消耗各種動(dòng)植物油脂在1,500~1,650萬噸，在油料加工和使用（包括食用和食品加工）過程中產(chǎn)生大量的廢棄食用油脂，如油料加工廠的各種油腳、煎炸廢油、泔水油等，其總量也在百萬噸以上，實(shí)現(xiàn)廢棄油脂的回收并用于生物柴油生產(chǎn)，既可以解決廢棄物排放對環(huán)境污染，同時(shí)還有一定的經(jīng)濟(jì)贏利，近期內(nèi)積極倡導(dǎo)在油料加工或油脂消耗比較集中的地區(qū)建設(shè)2~3家規(guī)模在1~2萬噸/年的生物柴油生產(chǎn)企業(yè)，爭取在2~3年時(shí)間內(nèi)在我國形成10萬噸以上的生物柴油規(guī)模，并形成以生物柴油加工企業(yè)為中心的多個(gè)區(qū)域市場。
在以上形成產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)上，以能源油料最新科學(xué)技術(shù)為先導(dǎo)，開始建立集約化農(nóng)業(yè)（或林業(yè)）生產(chǎn)能源油料基地，并轉(zhuǎn)化成生物柴油供應(yīng)市場，形成較大規(guī)模的農(nóng)業(yè)能源產(chǎn)業(yè)化基地。
產(chǎn)業(yè)規(guī)范
目前我國對生物柴油生產(chǎn)技術(shù)研究的較多，但基本上還沒有形成固定的生物柴油市場，生物柴油的使用性能尚需要通過應(yīng)用試驗(yàn)來摸索，建立統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)規(guī)范（包括產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用體系等）條件還不成熟?，F(xiàn)在宜積極探討美國、歐洲等生物柴油產(chǎn)業(yè)規(guī)范在我國的適用性，在生物柴油產(chǎn)品推向市場的同時(shí)，逐漸改進(jìn)完善，最終形成適用于我國的生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)規(guī)范。
結(jié)語
生物柴油作為一種優(yōu)質(zhì)和環(huán)境友好的可再生生物質(zhì)新能源，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)形成了可再生能源領(lǐng)域的研究開發(fā)熱潮，生物柴油在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)是市場普遍接受的實(shí)用產(chǎn)品。目前我國在生物柴油新能源領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化才剛剛起步，需要政府給予積極的政策扶持和引導(dǎo)，創(chuàng)造良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，同時(shí)科研單位加強(qiáng)生物柴油技術(shù)創(chuàng)新研究和應(yīng)用技術(shù)研究，多研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)適用技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界積極開拓生物柴油市場，相信通過社會(huì)各界協(xié)調(diào)一致的共同努力，在不久的將來，生物柴油必定能夠在我國能夠形成一個(gè)巨大的可再生能源產(chǎn)業(yè)。
