生物催化致力于能源清潔

生物催化是指利用酶或生物有機(jī)體(細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等)作為催化劑進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程， 通常酶的催化速率可達(dá)無機(jī)催化劑的一百萬倍以上。在環(huán)境污染比以往任何時(shí)候都更受關(guān)注的當(dāng)下，生物催化受到了國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注，尤其是在利用生物催化低能耗、低成本得到可再生能源方面。我國已在生物催化領(lǐng)域取得了可喜進(jìn)展。

1)合成氣生物發(fā)酵制烷烴

利用合成氣生物發(fā)酵制備烷經(jīng)和醇類的技術(shù)越來越受到研究者的重視。合成氣可通過煤、天然氣以及生物質(zhì)原料氣化得到，利用生物方法進(jìn)一步處理合成氣， 有利于對煤炭和秸稈的清潔高效利用。

中國石油大學(xué)(北京)新能源研究院以合成氣為發(fā)酵原料氣體制取甲烷，使用方法工藝簡單，成本較低。相較于工業(yè)合成氣,生物甲烷化過程具有常溫常壓操作等優(yōu)點(diǎn)，所得沼氣可用于城市燃?xì)狻?/p>

研究中，科研團(tuán)隊(duì)使用模擬合成氣為發(fā)酵原料氣，在氣體組成V(H2)∶V(CO)∶V(CO2)為5∶4∶1 ，氣體容積為5 L，連續(xù)反應(yīng)逐漸增大進(jìn)氣量條件下，觀察到甲烷轉(zhuǎn)化率最大。當(dāng)H2、CO和CO2進(jìn)氣量分別為5,4,1 cm3/min，反應(yīng)器攪拌轉(zhuǎn)速在300 r/min情況下，氫氣和一氧化'碳的轉(zhuǎn)化率分別為96.5%和90.6%。產(chǎn)氣穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)甲烷含量為43%, 甲烷的容積產(chǎn)氣率為25.8 mL/(L·h)。研究發(fā)現(xiàn)，提高攪拌轉(zhuǎn)速、加強(qiáng)菌種與氣體接觸，可以提高甲烷轉(zhuǎn)化率。當(dāng)提高轉(zhuǎn)速至500 r/min時(shí)，氫氣和一氧化碳轉(zhuǎn)化率為100%，但產(chǎn)物氣體中仍能檢測到一氧化碳成分; 繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速至800 r/min時(shí)，反應(yīng)底物完全轉(zhuǎn)化，甲烷的容積產(chǎn)氣率可達(dá)180 mL/(L·h)。

2)廢機(jī)油變身高價(jià)值油品

回收廢棄機(jī)油通過改質(zhì)，可以得到相對高附加值的油品。但是，以往相關(guān)工藝復(fù)雜，既需要專用設(shè)備和專用催化劑，且對環(huán)境影響不小。通過更環(huán)保的方法，將廢機(jī)油改質(zhì)成高附加值油品，符合生態(tài)環(huán)保的發(fā)展方向。

微藻是一類在陸地、海洋分布廣泛，營養(yǎng)豐富、光合利用度高的自養(yǎng)植物，從中得到的脂肪酸可轉(zhuǎn)化成生物柴油；在沸石催化劑作用下，微藻通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可生產(chǎn)出汽油型燃料。

河南理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)將兩者相結(jié)合，以小球藻為原料，廢機(jī)油為介質(zhì)，使用間歇式反應(yīng)釜進(jìn)行加氫催化連續(xù)深度改質(zhì)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。該團(tuán)隊(duì)連續(xù)進(jìn)行4次改質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一次油品產(chǎn)率較低，輕質(zhì)組分為35%, 重質(zhì)組分為8.3%，之后3次輕質(zhì)油產(chǎn)率均70%～80%，重質(zhì)油在7.5%～9.0%。元素分析結(jié)果顯示，從第3次改質(zhì)開始，油品氮硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))已經(jīng)降到50×10-6以下，具備生產(chǎn)高質(zhì)量生物柴油的可能。

3)生物制氫低本降耗

由于熱值高，燃燒僅生成水，氫能被譽(yù)為最清潔的燃料。與其他制氫方法比，生物制氫具有低成本、低能耗和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)， 備受科研人員重視。

北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院用其前期從活性污泥中分離得到的兩株兼性厭氧的產(chǎn)氫氣新菌為研究對象，分別研究了以淀粉為底物進(jìn)行的單獨(dú)和混合發(fā)酵產(chǎn)氫條件，找到了最佳發(fā)酵條件。研究結(jié)果顯示，兩株細(xì)菌利用淀粉的單獨(dú)和混合發(fā)酵均在35 ℃以下，有較高的產(chǎn)氫率，且混合發(fā)酵的值最高為1 mol葡萄糖產(chǎn)1.67 mol的H2；兩株菌在利用淀粉混合發(fā)酵產(chǎn)氫過程中表現(xiàn)出協(xié)同作用；當(dāng)代謝途徑轉(zhuǎn)向產(chǎn)乳酸時(shí)，氫氣的產(chǎn)量受到嚴(yán)重抑制。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在800 r/min的條件下可獲得較高的產(chǎn)氫得率。他們通過對發(fā)酵條件優(yōu)化，確定了兩株細(xì)菌直接利用淀粉進(jìn)行單獨(dú)和混合發(fā)酵產(chǎn)氫的最佳溫度和攪拌轉(zhuǎn)速。