黄日波:生化问题更宜生物学方法解决

2011-6-13 09:14 来源: 科学时报
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  受利比亚等国动荡局势影响,今年3月以来,国际原油价格一直在每桶100美元高位上动荡徘徊,5月27日,伦敦布伦特原油价格又越过每桶115美元,发展生物能源等可再生能源显得更为紧迫。近日,记者就此采访了广西科学院院长黄日波。

  记者:作为国家非粮生物质能源工程技术研究中心主任、非粮生物质酶解国家重点实验室主任,你怎么看待国际原油价格持续走高给我国发展生物质能源带来的挑战和机遇?

  黄日波:国际原油价格持续走高,给全球能源再次亮起了红灯,让世界各国进一步认识到加快发展可再生能源的急迫性。

  能源是人类社会赖以生存和发展的最基本的公用性资源,也是一个国家或地区经济和社会发展的基本资源保障。地球给予我们人类的能源资源主要分为两大类,一类是远古年代地球变迁形成的能源资源,称之为化石能源,主要是煤炭、石油和天然气,这些能源是不可再生的;另一类是可再生能源,包括生物能源、太阳能、风能、水能、海洋潮汐能等。人类社会的每一次进步,都与能源结构变更和能源技术进步密不可分。

  从远古到现在,人类社会主要经历了3次能源结构的变更。18世纪初以前为薪柴时期,人类利用火作为主要能源,生产活动主要依靠人力、畜力和简单的水力、风力。18世纪的工业革命,特别是蒸汽机和电的发明,促进了煤炭能源的利用与发展,人类进入了以煤和蒸汽机为主的煤炭时代。19世纪中叶,随着内燃机的发明,石油、天然气开始作为能源被广泛利用,推动了人类社会的飞速发展。直到今日,人类主要还是依靠化石能源,其中占比例最大的是石油,其次是天然气和煤炭。

  但化石能源是不可再生的,总有被用尽的一天。因原油短缺造成的能源危机,催生了可再生能源的发展。上世纪70年代发生的世界石油危机,促使世界主要发达国家开始重视发展可再生能源,其中也包括生物能源。现在,石油危机又来了,它必将加速我国可再生能源包括生物能源的发展。

  记者:作为新型可再生能源,非粮生物质能源在生物能源产业发展中具有怎样的地位和作用?

  黄日波:生物能源产业必须走以非粮生物质为原料的发展之路。特别是我国人口众多,人均耕地面积只有1.38亩,仅为世界平均水平的40%,以粮食为原料发展生物能源极不现实,必须依靠非粮生物质。

  可以这么说,在中国不依靠非粮生物质就不可能有生物能源产业的发展。

  目前,世界生物能源的主要生产国,除巴西主要以甘蔗为原料外,其余的多还是用粮食来生产燃料乙醇。如2009年,美国产燃料乙醇2200多万吨,主要原料是玉米;我国生产的170万吨燃料乙醇中,有150万吨是以小麦或玉米为原料,只有20万吨用木薯为原料。

  我认为,以粮食为原料生产燃料乙醇,这只是为推进生物能源产业发展的权宜之计。从保障粮食安全考虑,发展生物能源产业最终必须以非粮生物质特别是木质纤维为原料。

  我国地缘广阔,非粮生物质资源相当丰富,仅每年农业生产产生的农作物秸秆就有7亿吨,这是发展生物能源的极好原料。

  木质纤维燃料乙醇,被称为第二代燃料乙醇。目前,世界上生产木质纤维生物能源方法主要有两种,即热化学法和生物法(发酵法),但技术均未成熟,主要的问题是成本过高,无法产业化。解决木质纤维乙醇生产的关键技术难题,就成为科技工作者的重要责任。

  记者:发展我国非粮生物质能源的技术难点是什么?

  黄日波:发展非粮生物质能源的核心技术,主要涉及木质纤维热化学气化、分解技术,纤维素去结晶化技术、关键酶和微生物菌种的改造技术等。其中,酶和菌种的改造技术,又是实现生物质能源产业化的关键。

  2004年,我在中日韩国际酶工程学术会议上提出,解决生物化工中的一些问题,采用现代生物学方法比用传统工程方法效果会更好。这一观点已在实践中得到验证。

  过去,传统方法解决生物化工问题,是在高温、高压,大化学制剂量下进行,能耗高、污染大,对设备的要求也高。这不仅造成生产成本高,而且也给生产带来危险。

  现代生物学方法,主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和现代发酵工程等,通过研制、应用高效活力酶,可实现生化产品在常温、常压下生产,不仅降低了能耗和生产成本,也减少了生产中废弃物排放对环境的污染。它代表了绿色生物化工的方向。

  发展生物能源特别是木质纤维素能源产业,关键技术是对酶的改造和如何构造出适用于生产的高效工程菌株。对酶的改造,有3个重要的衡量标准:酶的用量,决定了生产成本;酶的质量,直接影响催化率高低;酶的稳定性,决定其能否用于工业生产。

  记者:国家非粮生物质能源工程中心在这方面取得哪些进展?

  黄日波:在木质纤维素去结晶化技术方面,我们发明了超高压爆破技术,能显著破坏木质纤维的超微结构,降低其结晶度,为建立具有工业价值的木质纤维去结晶化、水解糖化技术奠定了基础;在木质纤维热化学气化、分解技术方面,正在研究利用木质纤维材料气化形成合成气,通过膜吸附和微生物转化生产乙醇的工艺方法,木质纤维去结晶化的溶解技术等。

  酶改造方面,研究了酶的结构与功能关系,建立了许多酶的结构模型,探讨了酶在不同PH、温度条件下的结构功能关系,预测酶的结构变化和改造位点;菌株改造方面,针对目前乙醇生产存在的技术瓶颈,选育构建了一批乙醇发酵高产酿酒酵母菌株,其中一株已在广西一家企业使用,使酒精生产能耗降低30%,废水排放减少30%,新增经济效益1400多万元。

  记者:中心下一步有何打算?

  黄日波:中心下一步将根据我国生物能源产业10~15年发展需求,对非粮生物质能源,主要是木薯燃料乙醇、甘蔗糖蜜乙醇、生物废弃物规模化生产沼气等共性关键技术进行攻关,特别是要在突破制约木质纤维能源产业化技术瓶颈上下功夫,争取在二、三年内再取得一批研究成果。

  记者:对加快我国非粮生物质能源产业发展有何建议?

  黄日波:发展非粮生物质能源产业是一个系统工程,仅基础理论方面需研究的问题就很多,如酶的结构功能关系、乙醇发酵机理、菌株耐受性等;在应用基础研究方面,涉及酶、菌株的改造,发酵工艺、纤维素热化学分解等。近年来,我国对生物能源投入的研发经费大幅增长,取得了很大的成绩。但非粮生物质能源许多研发工作还刚起步,需要国家进一步加大科技投入力度,同时还需从政策上对这个新兴产业的发展予以扶持。