生物能源中的生物工程与技术
能源是人类赖以生存和发展的基础。

然而，人们在利用能源的同时又给环境造成巨大的灾难。

如今，如何在不破坏环境的同时而更好的利用能源成为各国关注的焦点。

地球上亿年积累的化石能源——石油、天然气、煤等，仅能支撑300年的大规模开采就将面临枯竭。

如果按现有的开采技术和连续不断地日夜消耗这些化石燃料的速度推算，煤、天然气和石油的有效年限分别是100—120年、30～50年和18～30年。

显然21世纪所面临的严重危机之一是能源问题。

自人类迈进二十一世纪以来 开发新能源成为全世界解决能源问题的共同出
路。

与化石燃料相比 新能源具有可再生、对环境友好等特点 更符合人类可持
续发展的目标。

其中 太阳能、风能、地热能、水能和潮汐能 是开发较早的新
能源 已在实际生产生活中发挥了重要作用。

伴随着生物技术的飞速发展，生物能源成为一颗冉冉升起的新星。

关键词生物能源，生物技术，新能源
生物能源——又称绿色能源。

是指从生物质得到的能源，它是人类最早利用的能源。

古人钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在使用生物能源。

但是通过生物质直接燃烧获得能量是低效而不经济的。

随着工业革命的进程，化石能源的大规模使用，生物能源逐步被以煤和石油天然气为代表的化石能源所替代。

“万物生长靠太阳”，生物能源是从太阳能转化而来的，只要太阳不熄灭，生物能源就取之不尽。

其转化的过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物能的使用过程又生成二氧化碳和水，形成一个物质的循环，理论上二氧化碳的净排放为零。

生物能源是一种可再生的清洁能源，开发和使用生物能源，符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。

因此，利用高技术手段开发生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要部分。

当前生物能源的主要形式有四种：沼气、生物制氢、生物柴油和燃料乙醇。

1沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物发酵生成以甲烷为主的可燃气体。

沼气发酵过程可分为两个阶段，即不产甲烷阶段和产甲烷阶段。

沼气发酵产生的三种物质，一是沼气，以甲烷为主，是一种清洁能源；二是消化液（沼液），含可溶性N、P、K，是优质肥料；三是消化污泥（沼渣），主要成分是菌体、难分解的有机残渣和无机物，是一种优良有机肥，并有土壤改良功效。

利用生物强化技术和现代生物工程技术，提高反应器中的微生物浓度，加强沼气发酵的速率和底物的转化效率，包括投加高效或特殊的微生物制剂，加强对难降解的大分子物质或有毒有害物质的生物降解；投加复合的营养制剂，提高产甲烷细菌的增殖速率和活性。

现代分子技术如PCR技术、DNA杂交技术、电泳技术、生物芯片技术和基因标记技术等的发展已是日新月异，这为我们对厌氧颗粒污泥中复杂的微生物区系和多样性分析提供了行之有效的手段，有利于对微生物区系组成和随时间、空间的分布的深入了解，从而对发酵条件和发酵过程进行优化设计，缩短发酵时间，提高产气效率
厌氧污泥中绝大部分微生物利用依赖于培养的方法分离不出来，现代分子技术使我们有可能不通过培养，从厌氧污泥中直接克隆到具有特殊功能的基因，如降解性基因或编码活性成分合成的基因；利用现代分子技术还可以构建多功能的基因工程菌，比如将能够降解农药、苯环类物质或能够富集重金属的关键酶基因。

2生物制氢，生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢。

在生理代谢过程中产生分子
氢过程的统称。

迄今为止一般采用的方法有:光合生物产氢 发酵细菌产氢 光合生物与发酵细菌的混合培养产氢。

光合生物产氢利用光合细菌或微藻将太阳能转化为氢能[8 10]。

目前
研究较多的产氢光合生物主要有蓝绿藻、深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细
菌、夹膜红假单胞菌等[6 11]。

3发酵细菌产氢利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢
[8]。

能够发酵有机物产氢的细菌包括专性厌氧菌和兼性厌氧菌 如丁酸梭状芽
孢杆菌、大肠埃希氏杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌、白色瘤胃球菌、根瘤菌
等[6 11]。

与光合细菌一样 发酵型细菌也能够利用多种底物在固氮酶或氢酶
的作用下将底物分解制取氢气 光合生物与发酵细菌的混合培养产氢由于不同菌体利用底物的高度特异
性 它们能分解的底物是不同的。

要实现底物的彻底分解并制取大量H2 应考
虑不同菌种的共同培养。

Yokoi H.等采用丁酸梭菌( Clost ridiumbutylicm )、
产气肠杆菌( Enterobacter aerogenes) 和类红球菌( Rhobacter sphaerbdies)
共同培养 从甜土豆淀粉残留物中制取H2 可连续稳定产氢30 天以上 平均
产氢量为4.6molH2/mol葡萄糖 是单独利用C.butylicm产氢量的两倍。

原因
在于C.butylicm 产生的淀粉酶能降解淀粉成葡萄糖来产氢 E.aerogenes中不
含淀粉酶 只能直接利用葡萄糖产氢。

而在两者代谢的过程中 葡萄糖降解除
了产生H2 还产生两者不能利用的小分子有机酸 使培养基的pH值下降 偏
离了微生物的最适生长条件 从而使氢气产量下降。

但当三者共同培养时 葡萄糖降解产生的有机酸能被R .sphaerbdies降解 从而使培养基pH值保持恒
定 葡萄糖能够被充分利用 产氢量大大提高[11]。

生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料，也称之为"再生燃油"为了提高柴油生产效率，采用酶固定化技术，并在反应过程中分段添加甲醇，更有利于提高柴油的生产效率。

这种固定化酶(脂酶)是来自一种假丝酵母(Candidaantaretica)，由它与载体一起制成反应柱用于柴油生产，控制温度30℃，转化率达95%。

这种脂酶连续使用100天仍不失活。

反应液经过几次反应柱后，将反应物静置，并把甘油分离出去，即可直接将其用作生物柴油利用"工程微藻"生产柴油是柴油生产一项值得注意的新动向。

所谓"工程微藻"即通过基因工程技术建构的微藻，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。

美国国家可更新能源实验室(NREL)通过现代生物技术建成"工程微藻"，即硅藻类的一种"工程小环藻"(Cyclotellacryptica)，在实验室条件下可使脂质含量增加到60%以上(一般自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%)，户外生产也可增加到40%以上。

这是由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质累积水平方面起到了重要作用。

目前正在研究合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步将修饰的ACC
催化的一系列有机质分解代谢的生化反应过程。

发酵底物可以是糖类、有机酸或氨基酸
其中最重要的是糖类 包括五碳糖和六碳糖。

由葡萄糖降解为丙酮酸的过程称为糖酵解
包括四种途径 EMP途径、HMP途径、ED途径和磷酸解酮酶途径 其中EMP 途径最重要
一般乙醇生产所用的酵母菌都是以此途径发酵葡萄糖生产乙醇四、乙醇发酵的微生物学基础
发酵法 就是利用微生物 主要是酵母菌 在无氧条件下将糖类、淀粉
类或纤维素类
物质转化为乙醇的过程。

实质上 微生物是这一过程的主导者 也就是说微生物的乙醇转
化能力是乙醇生产工艺菌种选择的主要标准。

中国的人口众多,能源问题也一直困扰中国。

在中国,有一个和谐的农业环境,希望能开发出一种新的可再生能源,使旧能源能够得到充分的利用。

对中国来说,乙醇是一种可再生能源,可以利用中国的农业资源,无限度地开发,并且得到充分的利用,也可以使不可再生能源得到高效地、充分地利用生物能源的综合开发利用是我国的一项既定国策 我国政府历来高度重视。

生物资源中蕴藏着不可估量的潜力 国内外科技工作者对生物资源的开发利
用已经做了大量的研究工作 取得了丰硕的成果。

近年来 随着生命科学、生物
技术、营养学、现代化工、食品科学等学科的不断发展 对生物资源中的活性成
分有了新的认识 为生物资源的开发利用拓宽了思路 注入了新的活力 展示了
广阔的前景。

中国是粮食大国 资源丰富多样 但由于人口的众多 同时也是资源匮乏
的国家 发展生物能源十分符合我国国情。

对此农业部成立了生物质工程中心
目的是加强农业生物质技术研究 在生物能源的开发等方面取得突出进展 并使
我国在未来达到国际先进水平。