生物柴油开发研究进展与产业化发展策略

・油脂工程・　生物柴油开发研究进展与产业化发展策略　吴苏喜　・　董军英　官春云　（１．湖南农业大学油料作物研究所２．长沙理工大学生物与食品工程系）　【摘要】介绍了生物柴油的优越性和国内外开发利用现状，阐述了生物柴油的各种制备方法的　工艺原理和优缺点，展望了我国生物柴油产业的光明前景，并提出了近期发展策略。　【关键词】生物柴油；可再生能源；清洁燃料；进展；策略；产业化　中圈分类号：ＴＳ２２９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—１８０７（２００６）０２—００５６—０４　随着全球经济的发展，世界范围内的能源需求量日益　增加。而与之相反的是世界的石化能源（煤、石油、天然　２国内外生物柴油的开发利用现状　２．１美国　气等）储量正逐渐减少；同时，石化能源产品燃烧后排放　废气所引起的环境污染也是人类面临的一大问题。因此，　开发可再生、环保的替代性燃料已成为２１世纪人类的最　重要课题之一。在这种形势下。环保、可再生的生物燃料　美国是最早研究生物柴油的国家，从２Ｏ世纪７０年代　开始便成立了专门的生物柴油研究机构，并投入了大量的　人力物力。到２Ｏ世纪９０年代，环境保护和石油资源枯竭　两大难题越来越被关注，作为新能源研制和开发热点的生　物柴油进一步引起了国家的高度重视。政府通过政策优惠　手段使生物柴油迅速成为新经济产业的亮点。１９９２年，　美国的能源政策法案规定：２０００年用非石油燃料代替　１０％的发动机燃料，到２０１０年，这一比例将达到３０％。　１９９９年，美国前总统克林顿签署了开发生物质能的法令，　其中生物柴油被列为重点发展的清洁燃料之一而采取免税　政策。目前已有４个生产厂家，总生产能力达３Ｏ万ｔ／ｄ。　美国在利用生物技术开发油料植物方面投入了很大科研力　量。通过生物技术制成“生物微藻”，使脂质含量达到　４０％～６Ｏ％。政府采用补贴政策鼓励发展生物燃料作物，　主要是大豆、小麦等粮油作物。２００１年１１月，美国农业　部拿出１．５亿美元补贴乙醇生产厂，用以增加乙醇和生物　技术应运而生。生物柴油作为可替代石化柴油的清洁液体　生物燃料，具有巨大的潜力和广阔的市场前景。　１生物柴油的优越性　生物柴油是指由可再生的油脂原料经过合成而得到的　长链脂肪酸甲酯或乙酯，是一种可以替代石化柴油使用的　环保燃油。并且是环境友善的新型环保能源。生产生物柴　油的油脂原料可以是植物油脂（如大豆油、棉籽油、菜籽　油、米糠油、、棕榈油等）、动物油脂（动物脂肪）以及废　食用油等。　生物柴油具有石化柴油无法比拟的优越性。它含硫量　极低、含芳香烃量少、含氧量高、十六烷值高、闪点高、　废气逸出少；在生物柴油燃烧后逸出的废气中，微粒子、　碳氢化合物和一氧化碳含量少；此外，它还是一种对人畜　无毒的物质，使用环境友好而且具有一定的健康效应。与　其他替代燃料如压缩天然气、燃料乙醇等相比，使用生物　柴油的系统投资少，原有的引擎、加油设备、储存设备、　保养设备等基本不需进行改动；同时，它既可以作为燃料　使用，也可以作为添加剂与普通柴油以任意比例混合后使　用。　柴油的使用。　２．２欧洲　欧洲多以菜籽油为原料生产生物柴油，许多国家对此　给以减免税政策或者采用补贴制度，以便提高生物柴油的　竞争力，从而促进空气清洁并减少石油进口量。　１９８８年，德国聂尔公司诞生了生物柴油，其研制出　以菜籽油为原料提炼而成的洁净燃油。德国汽车制造商只　＜粮油加工与食品机械＞２００６年第２期　维普资讯 http://www.cqvip.com

・油脂Ｉ程・—————————————　嘲—啊　３生物柴油技术研究进展　生物柴油是植物柴油和动物柴油的总称。其具体的制　备方法有物理法、化学法、物理化学法和生物法。　３．１物理法　允许其生产的汽车使用从油菜籽提炼出的生物柴油，因此　德国人通常称生物柴油为“油菜籽甲酯（Ｉ　正）”。德国　生物柴油的生产能力在１９９５—２００１年间从ｌ１万ｔ增至　５３．３万ｔ。德国目前拥有８家生物柴油生产厂，现有９００　多家生物柴油加油站，并规定在主要交通要道只允许销售　生物柴油。　法国拥有７家生产企业，总生产能力４０万ｔ；意大利　３．１．１直接混合法　１９８３年，Ａｍａｈｓ等人将脱胶大豆油与２号柴油分别　以１：１和１：２的比例混合，在直接喷射涡轮发动机上进行　６００ｈ试验，结果是１：２者未发现凝胶和变混现象，并降　９家，总生产能力３３万ｔ；奥地利３家，总生产能力５．５　万ｔ；比利时２家，总生产能力２４万ｔ，并对这些生产企　业进行免税政策。一些汽车企业的汽车发动机只允许使用　生物柴油、减税政策等这些因素都促进了生物燃油的发　展。欧洲的疯牛病促使利用动物脂肪生产生物柴油得以发　展。据最新发表的“欧洲生物柴油市场”报告，为实现　“京都协议”规定的目标（在２００８—２０１２年，欧洲将减少　８％－－氧化碳排放量），欧盟将出台相应政策，使之有助于　生物柴油产量的大幅增加。目前，欧盟推广生物柴油的目　标是：到２００５年达到３５０万ｔ，２０１０年达到８３０万ｔ，努　力实现生物燃料替代矿物燃料比为：２００５年达２％，２０１０　年达５．５７％，２０２０年达２０％。　２．３其他国家　Ｅｔ本１９９５年开始研究生物柴油，在１９９７年建立了　２５９Ｌ／ｄ煎炸油为原料生产生物柴油的工业化实验装置。　目前，生物柴油的生产能力为４０万ｔ／￣ｌｚ。泰国发展生物　柴油的计划于２００１年７月发布，泰国石油公司承诺每年　收购７万ｔ棕榈油和２万ｔ椰子油，实行税收减免，泰国　的第一套生物柴油装置已投入使用。　２．４中国在生物柴油方面的进展　我国政府近年来支持开展了一些关于生物柴油的研发　工作，并把生物柴油列入国家有关科技攻关计划。“十一　五”发展纲要提出要发展石油的各类替代品，并将可再生　的生物柴油确定为国家产业发展方向。目前已在利用菜籽　油、大豆油、棉籽油等植物油及其油脚、餐饮废油（或地　沟油、泔水油）等为原料生产生物柴油方面取得了一些初　步研究成果。２００１年海南正和生物能源公司引进韩国技　术在河北邯郸建成年产１万ｔ生物柴油工厂、２００３年６月　８日四川古杉集团的年产３万ｔ生物柴油工厂在河北古杉　油脂化学有限公司投产，福建、北京等省市也已经建成一　定规模生产线。不过这些生产线目前均是利用垃圾油或植　物油脚生产生物柴油。湖南海纳百川生物工程公司（益　阳）正依托清华大学技术进行生物柴油中试和扩建，湖南　天源生物清洁能源公司已签约引进英国利奥有限公司技术　进行年产２０万ｔ野生豆类生物柴油项目的建设。　低了燃料黏度，可用于农用机械的替代燃料。现在，各国　通常采用５％－－３０％的混合比，其性能与石油柴油的性能　很接近。　３．１．２微乳液法　该法是将植物油与动物油混合制成微乳液，来解决动　植物油黏度高的问题。１９８２年，Ｇｅｏｒｉｎｇ等人用乙醇水溶　液与大豆油制成微乳液，Ｚｉｅｊｅｗｓｋｉ等人用冬化葵花籽油、　甲醇、１一丁醇制成乳状液，Ｎｅｕｍａ等人用表面活性剂　（主要成分为豆油皂质、十二烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇　胺）、助表面活性剂（主要成分为乙基、丙基、异戊基　醇）、水、炼制柴油和大豆油为原料，开发了可替代柴油　的微乳液体系。　３．２化学法　即发生化学反应的方法，化学法包括化学裂解法和化　学催化合成法。　３．２．１化学裂解法　该法是对植物油进行加热裂解，从而得到与普通柴油　性能相近的生物柴油。Ｓｃｈｗａｂ和Ｐｉｏｃｈ分别在这一方面进　行了探索，得到了较满意的结果。　３．２．２化学合成法　采用酸碱催化剂来促使生物柴油通过酯化或酯交换反　应而合成。目前，生物柴油主要是用化学酯交换法生产，　即用动植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者碱性催化　剂作用下进行转酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙　酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生产过程　中可循环使用，生产设备与一般制油设备相同，生产过程　中可产生１０％左右的副产品——甘油。但化学法合成生　物柴油有以下缺点：对原料要求高、工艺复杂、能耗大、　色泽深、脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质、甲酯化　产物难于回收、生成过程有废碱液排放。　３．３物理化学法　即无催化剂的超临界流体技术法。为了解决酯交换反　应中遇到的成本高、反应时间长、反应产物与催化剂难于　＜粮油加工与食品机械＞２００６年第２期　维普资讯 http://www.cqvip.com

・油脂工程・　　分离等问题，开发了不使用催化剂的新工艺。Ｆｒｅｅｄｍａｎ　仍有许多疑难问题有待研究解决。４．２基因工程构建法　等人研究了在加热条件下大豆油与甲醇的酯交换反应，进　３．行了动力学的研究，得到了无催化荆条件下反应的特点。　醇油比２１：１、在２３５１２下反应１０ｈ，甲酯质量分数超过了　利用基因工程手段来构建生物体内的生物柴油。该法　通过改变脂肪酸生物合成途径而让脂肪酸甲（乙）酯化反　应发生在生物体内，从而为生物柴油的获取开辟了新的技　术途径。　８５％；醇油比２７：１、２２０℃下反应８ｈ，甲酯质量分数达　６７％。同时发现甘油二酸酯和甘油三酸酯的转化率明显高　于甘油一酸酯，即在无催化剂条件下，三步反应中前两步　反应进行得快，而最后一步反应则进行得很慢。Ｓａｋａ和　利用微藻工程及通过生物基因工程构建的微藻生产柴　油为生物柴油开辟了新的技术途径。　Ｋｕ￣ｌｉａｎａ提出了生产生物柴油的超临界法，反应在一个预　加热的间歇反应器中进行，反应温度３５０－－４００１２，压力　４５－６５ＭＰａ，菜籽油与甲醇的原料比为１：４２。　研究发现，经过超临界处理的甲醇能够在无催化剂存　在的条件下与菜籽油发生酯交换反应，其产率高于普通的　催化过程，并且反应速度快，同时还避免了使用催化剂所　必须的分离纯化过程，使酯交换过程更加简单、安全和高　效。但是其反应条件太苛刻，对设备要求太高，而且处理　量小且实现不了连续生产，因而难以实现工业化，其应用　前景堪忧。　３．４生物法　包括生物酶催化法和基因工程法。　３．４．１生物酶催化法　采用生物催化剂——脂肪酶来催化动植物油脂和低碳　醇间的转酯化反应以制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法　合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染物排放、　对原料油要求不高等优点。使用生物酶催化酯交换反应的　研究表明，脂肪酶是一种很好的催化醇与脂肪酸甘油酯发　生酯交换反应的催化剂。酶作为一种生物催化剂，具有较　高的催化效率，日益受到关注。目前，使用化学催化剂存　在的难以分离以及所需能量太大等问题，都可以通过使用　酶催化剂加以解决。例如以多孔高岭石作为载体的固定酶　催化剂与其他催化剂相比，不但寿命长、无需经常更换，　而且活性高、易于分离，是一种性能高且经济成本低的新　型催化剂。Ｂａｎ等人以橄榄油和油酸为原料进行酶催化反　应，产物中的甲酯含量达到９０％。　如何提高酶活性和防止酶中毒是生物酶催化法的关　键。北京化工大学生物化工系从能源——资源——环境一　体化系统出发，以廉价可再生的动植物油脂如菜籽毛油、　米糠毛油和煎炸废油等以及农作物发酵生成的乙醇等低碳　醇为原料，通过生物酶转酯化或酯化，生产环境友好的生　物柴油。目前已开发有新型脂肪酶异辛酯固化方法及酯化　工艺反应器，以制备高转化率的生物柴油。　关于酶法制备生物柴油，目前国内只有清华大学、北　京化工大学等极少数单位开展了一些探索性的研究工作，　４我国生物柴油产业化前景和发展策略　目前，我国生物柴油的产业化ＩＩＩＩＩＩ起步，与西方发达　国家相比差距很大。但我国有含油量１５％以上的油料植　物约１　０００种、含油量２０％以上的约３００种；我国杂交油　菜品种处于世界领先水平，油菜的种植面积及油菜籽总产　量居世界第一；同时，我国是食用油消费大国，２０００年　的食用油消费总量约为１　２００万ｔ，产生了约１０％即１２０　万ｔ废食用油，如加以回收利用，也可作为生物柴油原　料。可见，我国发展生物柴油产业所需的原料资源非常充　足。　据有关部门预测，到２０２０年中国石油需求将达到　４．５亿ｔ／年，而届时我国石油年产量预计只有２亿ｔ左右，　将产生２．５亿ｔ的缺口。即使全世界的石油出口可供量都　给中国，也根本不可能满足我们的需求。而生物柴油具有　较低的运动黏度、高闪点、高十六烷值、高氧含量：不含　芳烃、易降解和环境友好等特点，可做为石油替代燃料。　可见，生物柴油具有广阔的产业化前景。　但是，目前生物柴油的生产成本较高，特别是原料成　本占生产成本的７０％以上。因此，我们应该采取以下策　略来促进我国生物柴油产业化的发展。　（１）政府采取相应的政策刺激生物柴油产业的发展。　目前，许多国家如美国、德国、法国、丹麦、意大利、爱　尔兰和西班牙等政府都采取了相应的减免税收的政策加以　扶植。我国也应采取相应的减免税政策；同时，政府应采　取措施在军队和政府等部门强制推广生物柴油；再者，政　府应努力促成生物柴油在加油站系统的销售。　（２）国家、企业应该加大资金投入，鼓励生物柴油原　料作物的科研开发与原料基地的建设，以保证生物柴油原　料的有效供给。首先，鼓励不适合传统农作物生产的边缘　性土地种植高产高油的油料作物；其次，引导地域广阔的　西部地区发展生物柴油原料作物；第三，充分利用我国广　阔的海洋资源，发展生物微藻工程。与此同时，建立完善　的管理机制，选择合适的发展模式，实现“国家、地方和　企业”、“工、农、林“的三结合发展道路。　维普资讯 http://www.cqvip.com

－油脂工程・　（３）政府、企业应尽快完善和出台生物柴油质量标　７　Ａｌｃｓｎｔａｒａ　Ｒ，Ａｌ＇ｉＫ）ｌ－ｅａ　Ｊ，Ｃａｎｏｅｒａ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　准，规范生物柴油市场。　ｂｉｏｄｉｅｓｅｌｆｒｏｍ　ｓｏｙｂｅａｎ　ｏｉｌ　ｕｓｅｄ　ｆｒ），ｉｎｇ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｔａｌｌｏｗ（Ｊ］．Ｂｉｏｍａｓｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｅｎｅｒｇｙ，２０ｏ０，１５：５１５～５２７．　（４）开展国际合作，引进国外的先进技术和资金。生　物柴油的开发利用是当今国际上的一大热点，我们应抓住　当前的大好时机，坚持自主开发与引进消化吸收相结合，　有目的、有选择地引进先进的技术工艺和主要设备及资　金，在高起点上发展我国的生物柴油产业。　参考文献　１黄忠水，纪威，李淑艳等．国外生物柴油的应用［Ｊ］．节能与环　保，２００３，３０（１）：３４－－３５．　２谭天伟，王芳．生物柴油生产与应用［Ｊ］．现代化工，２００２，２２　（２）：６～７．　８　ＦｒｅｅｄｍａｎＢ，ＢｕｌｔｅｒｆｉｄｄＲＯ，ＰｒｙｄｅＦ．Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒａｎｓ￣ｔｅｒｉｆｉｅａｔｉｏｎ　Ｋｉｎｅｔｉｅｓ　ｏｆ　ＳｏｙｂｅａｎＯｉｌ［Ｊ］．ＪＡＯＣＳ。１９８６，（６３）：１３７５～１３８０．　９　Ｓ．Ｓａｋａ，Ｄ．Ｋｕｓｄｉｍａ．Ｂｉｏｄｉｅｓｄ　ｆｕｅｌ　ｆｒｏｍ　ｒａｐｅｓｅｅｄ　ｏｉｌ　ａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｉｎ　ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｅａｌ　ｍｅｔｈａｎｏｌ（Ｊ］．Ｆｕｄ，２００１。８０：２２５—２３１．　１０金花．生物技术在石油化工领域的应用（Ｊ］．石油化工，２００３，　３２（５）：４４３－－４４７．　１１黄庆德．生物柴油生产技术及其开发意义［Ｊ］．粮食与油脂，　２００２。９：１５～１７，　１２王庆一主编．能源政策研究［Ｍ］．北京：能源政策研究编辑　部，２００１，７５．　１３　Ｇｅｒｈａｒｄ，Ｋｎｏｔ．ｈｅ，ｅｔ　ａ１．Ｔｅｅｈｎｉｅａｌ　ａＳｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｂｉｏ［ｈｅｓｅ１　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　３冀星．生物柴油技术进展与产业前景［Ｊ］．中国工程科学，　２００２，４（９）：８７－－９３．　［Ｊ］．ＩＮＦＯＲＭ，１９９６，７（８）：８２７－－８２９．　４韩德奇，生物柴油的现状与发展前景［Ｊ］．石油化工技术经济，　２００２，１８（４）：３４－－３６．　湖南省科技攻关计划资助项目；０５ＳＫ３０８５　收稿日期：２ｏ０５　１０—１８　５柏杰．发展生物柴油大有所为［Ｊ］．中国科技产业，２００２，９　（１９５）：６４．　６　Ｓｃｈｗａｄ　ＡＷ，Ｂｉｏｅｂｙ　ＭＯ，Ｆｒｅｅｄｍａｎ　Ｂ．Ｐｒｅｔｍｒａｔｉｏｒｔ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔ￣　作者简介：昊苏喜（１９６５一），男，长沙理工大学生物与食品工程系　刹教授，湖南农业大学油料作物研究所博士生，主要从事油脂工程　研克工作。　ｏｆＤｉｅｓｅｌＦｕｅｌｓｆｒｏｍＶｅｇｅｔａｂｌｅ　ｏｉｌｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，１９８７，（８６）：１３７２．　通讯地址：（４１００７６）长沙市天心区赤岭路４５号　（上接第４６页）　参数发生变化，包括系统的谐振频率、等效阻抗及换能器　功率超声波除了上述强化萃取应用之外，在粮油食品　工业中，其特殊的能量传递性质和空化作用超声波还可用　于许多方面，主要包括：超声除尘、超声过滤、超声物　化、超声乳化、超声陈化、超声粉碎、超声凝聚等。重视　对超声应用技术的研究，可以为传统粮油食品工业的发展　共振频率等的变化，这时超声波发生器的振荡频率应该能　随之跟踪变化，使之与换能器振动系统的谐振频率保持一　致。目前较好地实现频率自动跟踪的方式是采用锁相器构　成闭环。ＲＣ移相频率跟踪在±ｌｌｄｑｚ内变化，有时还发生　失谐现象，而锁相环路换能器频率在１００Ｈｚ内变化，当　调试在最佳状态时，可在１０Ｈｚ内变化，甚至在１Ｈｚ内变　化。锁相式频率自动跟踪式超声波发生器的电路除集成锁　相电路（由鉴相器、振荡器和低频滤波器组成）外，还包　注入新的活力。但值得指出的是，超声强化油脂萃取发展　至今大多仍停留在小、中试研究阶段，今后应把重点放在　工业化应用研究中，着力解决工业化和产业化应用中的关　键技术问题。　参考文献　１冯若．超声手册（Ｍ］．南京：南京大学出版社，１９９９．　２郭孝武．超声波技术在油脂加工提取中的应用（Ｊ］．中国油脂，　１９９６，２１（５）：３６￣３７．　括：开关电路、前置放大与整形电路、功放与匹配电路及　时控电路、稳压电路。其执行输出就是超声波换能器。　４结语　超声波技术是基于物理、电子和机械的一门共性的、　３郭孝武．一种提取中草药化学成分的方法——超声提取法［Ｊ］．　天然产物研究与开发，１９９９，１１（３）：３７－４０．　４朱国辉，丘泰球，黄卓烈．超声波在萃取中的应用［Ｊ］．声学技　术，２００１，２０（４）：１８８￣１９０．　通用的技术，超声波技术已广泛应用于理工农医等各个领　域中，在超声清洗、超声探测、超声乳化以及超声的声光　效应等方面的应用成果十分显著。因此把超声波作为粮油　加工特别是名优特色植物油脂加工工艺中的一种辅助手　段，对于提高工业生产效益、最大限度利用优质资源将有　着十分现实而重要的社会经济意义。　收稿日期：２００５—１１—０７　作者简介：膳红华（１９６８一），士，重庆潼南人，武汉工业学院机械　工程系制教授，硕士，研究方向为产品创新设计，机械振动。　通讯地址：（４３００２３）武汉市常青花园中环西路特１号　＜粮油加工与食品机械＞２００６年第２期