1.6 生物质能源的开发利用
1.6.1 生物质能源开发利用概述
伴随经济发展，在世界范围内的能源出现了紧张的问题，并伴有严重的环境污染，在这样的情况下，可再生的清洁能源的开发利用，不但能有效地减少环境污染问题，也将会缓解能源危机。我国的生物质能源利用技术起步比较晚，不过也取得了一些科研成果，主要有沼气技术、生物质固化成型技术、生物质气化技术、生物质柴油技术等。
新能源是指在传统能源以外的各种能源形式。其形式都是间接的或者直接的来自于太阳或地球内部所产生的能量。其中包括了太阳能、地热能、水能、风能和海洋能、生物质能等。我国对于太阳能、风能、水能等新能源的开发利用比较早，尤其是水能发电的技术现在已经相当不斐。
1.6.2 生物质能源开发利用的背景和特点
生物质能源开发利用是在21世纪经济全球化进程中，世界常规能源瓶颈阻击的背景下，能源开发利用遇到机遇和挑战、开发利用生物质能源对农村经济社会发展的影响的前提下，站在现实需求和可能需求的角度，对生物质能源开发利用的理论基础进行了分析，对国内外生物质能源开发利用的进展进行了评述；然后，在借鉴发达国家生物质能源开发利用的经验，剖析我国生物质能源开发利用的现状和问题、分析我国现有几种主要的生物质能源开发利用方式和已有政策支撑体系的基础上，构建了我国的生物质能源产业发展支撑体系，并对实现和完善这一体系提出了对策与建议；最后，对武汉市的生物质能源产业发展和三峡库区后续发展中的生物质能源林的开发利用进行了典型实证研究，以期对我国的生物质能源开发利用及其产业兴起有所促进和帮助。
早在20世纪七八十年代，由于全球能源危机，各国不得不努力寻找其他可替代能源，由此，对生物质能源材料利用的研究都十分重视。生物质能源的开发利用在不同国度，已成为农业可持续发展的战略方向。
德国于1993年成立了生物质材料和生物质能源研究中心，专门研究、开发促进和协调全国生物质能源作物的种植、开发以及新技术、新工艺的推广等。每年联邦政府拨款5500多万马克，用于生物质能源作物种植、研究和开发。在沼气发酵技术方面也取得了新的进展，2005年农户拥有800个沼气设备。
2003年法国耕地面积1180万hm2，其中种植能源植物90万hm2，占7.6%，种植最多的能源植物是油菜籽，其次是淀粉类植物、糖类植物。法国《可再生能源法》的实施是对生物质能源开发利用的进一步推动，他们通过挖掘能源植物种植潜力，使农业对全国能源做出了巨大贡献。
1.6.3 能源植物的开发利用
（1）能源植物定义。绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部，这种生物质能实际上是太阳能的一种存在形式。所以广义的能源植物几乎可以包括所有植物。植物的生物质能是一种广为人类利用的能源，其使用量仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消耗总量第四位。但以目前的技术水平，还不能将所有植物都用于能源开发。因此，一般意义上讲能源植物通常是指那些利用光能效率高，具有合成较高还原性烃的能力，可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含油脂、糖类淀粉类、纤维素等的植物。
（2）能源植物的分类。能源植物种类繁多，生态分布广泛，有草本、乔木和灌木类等。目前全世界已发现的能源植物主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝科、菊科、桃金娘科以及豆科，品种主要有绿玉树、续随子、橡胶树、西蒙德木、甜菜、甘蔗、木薯、苦配巴树、油棕榈树、南洋油桐树、黄连木、象草等。为了研究利用方便，这里按其使用的功能和转化为替代能源的化学成分将能源植物主要分为四类。
①富含类似石油成分的能源植物。这类植物合成的分子结构类似于石油烃类，如烷烃、环烷烃等。富含烃类的植物是植物能源的最佳来源，生产成本低，利用率高。目前已发现并受到能源专家赏识的有续随子、绿玉树、西谷椰子、西蒙得木、巴西橡胶树等。例如巴西橡胶树分泌的乳汁与石油成分极其相似，不需提炼就可以直接作为柴油使用，每一株树年产量高达40L。我国海南省特产植物油楠树的树干含有一种类似煤油的淡棕色可燃性油质液体，在树干上钻个洞，就会流出这种液体，也可以直接用作燃料油。
②富含高糖、高淀粉和纤维素等。化合物的能源植物，利用这些植物所得到的最终产品是乙醇。这类植物种类多，且分布广，如木薯、马铃薯、菊芋、甜菜以及禾本科的甘蔗、高粱、玉米等农作物都是生产乙醇的良好原料。
③富含油脂的能源植物。这类植物既是人类食物的重要组成部分，又是工业用途非常广泛的原料。对富含油脂的能源植物进行加工是制备生物柴油的有效途径。世界上富含油的植物达万种以上，我国仅有千种，有的含油率很高，如桂北木姜子种子含油率达64.4%，樟科植物黄脉钓樟种子含油率高达67.2%。这类植物有些种类存储量很大，如种子含油达15%～25%的苍耳子广布华北、东北、西北等地，资源丰富，仅陕西省的年产量就达1.35万t。集中分布于内蒙、陕西、甘肃和宁夏的白沙蒿、黑沙蒿种子含油16%～23%，蕴藏量高达50万t。水花生、水浮莲、水葫芦等一些高等淡水植物也有很大的产油潜力。生存在淡水中的丛粒藻（绿藻门四胞藻目），就如同产油机，能够直接排出液态燃油。
④用于薪炭的能源植物。这类植物主要提供薪柴和木炭。如杨柳科、桃金娘科桉属、银合欢属等。目前世界上较好的薪炭树种有加拿大杨、意大利杨、美国梧桐等。近年来我国也发展了一些适合作薪炭的树种，如紫穗槐、沙枣、旱柳、泡桐等，有的地方种植薪炭林3～5年就见效，平均每公顷（10000m2，15亩）薪炭林可产干柴15t左右。美国种植的芒草可燃性强，收获后的干草能利用现有技术轻易制成燃料用于电厂发电。
（3）国内外能源植物研究开发和利用概况
①国际能源植物的研究开发和利用情况
国际上能源植物的研究始于20世纪50年代末60年代初，发展于70年代，自80年代以来得到迅速发展。1986年美国加州大学诺贝尔奖获得者卡尔文博士在加利福尼亚大面积地成功引种了具有极高开发价值的续随子和绿玉树等树种，每公顷可收获120～140桶石油，并作了工业应用的可行性分析研究，提出营造“石油人工林”，开创了人工种植石油植物的先河。至此在全球迅速掀起了一股开发研究能源植物的热潮，许多国家都制订了相应的开发研究计划。如日本的“阳光计划” 、印度的“绿色能源工程” 、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等。随着更多的“柴油树” 、“酒精树”和“蜡树”等植物的发现及栽培技术的不断成熟，世界各地纷纷建立了“石油植物园” 、“能源林场”等，栽种一些产生近似石油燃料的植物。英国、法国、日本、巴西、俄罗斯等国也相继开展石油植物的研究与应用，借助基因工程技术培育新树种，采用更先进的栽培技术来提高产量。
目前，美国已种植有100多万hm2的石油速生林，并建立了三角叶杨、桤木、黑槐、桉树等石油植物研究基地；菲律宾有1.2万hm2的银合欢树，6年后可收1000万桶石油；日本则建立了50000m2的石油植物试验场，种植15万株石油植物，年产石油100多桶；瑞士“绿色能源计划”打算用10年种植10万hm2石油植物，解决全国一年50%石油需求量；泰国利用椰子油制作的汽车燃料加油站，在泰国中部巴蜀府开始营业，成为世界上第一个椰子油加油站；巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的“乙醇种植”计划，2004年巴西的乙醇产量达146亿L，乙醇消费量超过122亿L，目前巴西乙醇产量占世界总产量的44%，出口量的66%；美国通过采用基因工程技术，对木质纤维素进行了成功的乙醇转化，从1980年到2000年的20年内，美国的燃料乙醇生产量由66.24亿L增加到617亿L。
此外，还陆续发现了一些很有前景的能源植物资源。南美洲北部有一种本土植物——苦配巴（Copaífera L），主要生长在巴西亚马逊流域的密林和丛林中，其树高大，有粗大的树干和光滑的表皮，只要在树干上钻一个孔，就能流出金黄色的油状树液，每株成年树每年能产油10～15kg，成份非常接近柴油。阿联酋大学的瑟林姆教授等人发现了一种名叫“霍霍巴（Jojba）”的植物——希蒙得木（Simmondsia chinensis（Link）Schneider），生长在美洲沙漠或半沙漠地区，种子含油率达44%～58%，其油在国际上被誉为“液体黄金”“绿色石油”，广泛用于航空、航天、机械、化工等领域。产于澳大利亚的古巴树（又称柴油树），每棵成年树每年可获得25L燃料油，且这种油可直接用于柴油机。油棕榈树也是一种石油树，3年后开花结果，每公顷可年产油1万kg。柳枝稷（Panicum virgatum L.）是美国草原地区用于水土保持或作为牛饲料的乡土植物，自从发现它可被用来生产乙醇后，美国联邦政府认为这种植物具有成为能源作物的潜力并加紧了对这种植物的研究。澳大利亚北部生长的两种多年生野草——桉叶藤（Cryptostegia grandiflora R. Br）和牛角瓜［Calotropis gigantean（Linn.）Dryanderex Aiton f.］，其茎、叶含碳氢化合物，可以用于提取石油。这些野草生长速度极快，每周长30cm，每年可以收割几次。美国加州“黄鼠草” ［Ixeris chinensis（Thunberg）Nakai］，每公顷可生产1t燃料油，如果人工种植，草和油的产量还能提高，每公顷生长的草料可提炼出6t石油。日本科学家最近发现一种芳草类芒属植物“象草”，1hm2平均每年可收获12t生物石油，比现有的任何能源植物都高产，且所产生的能源相当于用油菜籽制作的生物柴油的2倍，但其投入不及种植油菜的1/3，因此是一种理想的石油植物。
②国内能源植物的开发利用现状
我国是“贫油大国”，也是世界能源消费大国。1993年我国由石油净出口国变为净进口国，石油进口量逐年上升，目前对石油进口依赖度已超过1/3。我国对能源植物的研究及开发利用起步较晚，与欧美发达国家相比还存在很大差距。但我国植物资源丰富，早在1982年分析了1581份植物样品，收集了974种植物，并编写成了《中国油脂植物》 《四川油脂植物》，选择出了一些高含油量的植物，如乌桕（Sapium sebiferum（Linn.）Roxb）、小桐子（Jatropha curcas L.）、油楠（Sindora glabra Merr.ex De Wit）、四合木（Tetraena monglica Maxim）、五角枫（Acer mono Maxim）等。已查明我国油料植物为151科，697属，1554种，种子含油量在40%以上的植物154种；新近调查表明，我国能够规模化利用的生物质燃料油木本植物有10种，这10种植物均蕴藏着巨大的潜力，具有广阔的发展前景。
我国对能源植物的利用虽处于初级阶段，但生物柴油产业得到了国务院领导和国家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的高度重视和支持，并已列入国家计划。“七五”期间，四川省林业科学研究院等单位利用野生小桐子（麻疯树的果实）提取生物柴油获得了成功，中科院“八五”重点项目“燃料油植物的研究与应用技术”完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查研究，建立了小桐子栽培示范区。湖南省在此期间完成了光皮树制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究，“九五”期间根据《新能源和可再生能源发展纲要》的框架，在中央有关部委和地方制订的计划中，优先项目是：对全国绿色能源植物资源进行普查，为制订长期研究开发提供科学依据，运用遗传工程和杂交育种技术，培育生产迅速、出油率高，更新周期短的新品种，进行能源植物燃料的基础研究和开发研究，包括能源植物燃烧特性，提炼工艺及综合利用和开发。
中国工程院有关负责人介绍，中国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油替代品，将生物与现代化农业、能源与资源环境等项目列入国家“863”计划，把大力发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。据了解，“十一五”期间，我国规划生物柴油原料林基地建设规模83.91万hm2，原料林全部进入结实期后，将形成年产生物柴油125万多吨的原料供应能力。目前，已有一些颇具实力的企业和国外大型能源企业，进入麻疯树生物柴油这一领域，在各地筹建起有相当规模的生物柴油生产企业，预计未来全国麻疯树种植面积至少可达200万hm2以上，显示了良好的资源开发利用前景。
国内对能源植物产品研究与开发主要集中在生物柴油和乙醇燃料两类上。生物柴油的研究内容涉及油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及加工工艺和设备等。用于生产生物柴油的主要原料有油菜籽、大豆、小桐子、黄连木（Pistacia chinens Bunge）、油楠等。小桐子含油率40%～60%，是生物柴油的理想原料。海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建新能源发展公司都已开发出拥有自主知识产权的技术，并相继建成了规模近万t级的生物柴油生产厂。德国鲁奇化工股份有限公司、贵州省发改委、贵州金桐福生物柴油产业有限公司就中德合作贵州小油桐生物柴油示范项目签订了合作协议。西南生物柴油生产企业——华正能源开发有限公司，总投资8000万元，年生产能力可达2万t。
用于生物乙醇燃料加工的原材料主要有甜高粱、木薯、甘蔗等。其中甜高粱具有耐涝、耐旱、耐盐碱、适应性强等特点，成为当前世界各国关注的一种能源作物。我国种植的沈农甜杂2号甜高粱，收获后每公顷可提取4011L酒精。此外，我国自2000年开始启动陈粮转化燃料乙醇计划，目前已年产百万t燃料乙醇，在吉林、黑龙江、河南、安徽等省普遍推广燃料乙醇—汽油混合燃料。秸秆酶解发酵燃料乙醇新技术已经试验成功，山东泽生生物科技有限公司建成了年产3000t秸秆酶解发酵燃料乙醇产业化示范工程。
（4）生物能源的生产技术
①生物柴油生产方法
生物柴油的生产方法主要有化学法、生物酶法、超临界法等。
化学法：国际上生产生物柴油主要采用化学法，即在一定温度下，将动植物油脂与低碳醇在酸或碱催化作用下，进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸酯，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，生产过程中副产10%左右的甘油。但化学法生产工艺复杂，醇必须过量；油脂原料中的水和游离脂肪酸会严重影响生物柴油得率及质量；产品纯化复杂，酯化产物难于回收，成本高；后续工艺必须有相应的回收装置，能耗高，副产物甘油回收率低。使用酸碱催化对设备和管线的腐蚀严重，而且使用酸碱催化剂产生大量的废水，废碱（酸）液排放容易对环境造成二次污染等。
生物酶法：针对化学法生产生物柴油存在的问题，人们开始研究用生物酶法合成生物柴油，即利用脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油对设备要求较低，反应条件温和、醇用量小、无污染排放。需以大豆油为原料，采用固定化酶的工艺，酶用量为油的30%，甲醇与大豆油摩尔比为12∶1，反应温度40℃，反应10h生物柴油得率为92%。因酶成本高、保存时间短，使得生物酶法制备生物柴油的工业化仍不能普及。此外，还有些问题是制约生物酶法工业化生产生物柴油的瓶颈，如脂肪酶能够有效地对长链脂肪醇进行酯化或转酯化，而对短链脂肪醇转化率较低（如甲醇或乙醇一般仅为40%～ 60%）；短链脂肪醇对酶有一定的毒性，酶易失活；副产物甘油难以回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对酶也有毒性。
超临界法：即当温度超过其临界温度时，气态和液态将无法区分，于是物质处于一种施加任何压力都不会凝聚的流动状态。超临界流体密度接近于液体，黏度接近于气体，而导热率和扩散系数则介于气体和液体之间，所以能够并导致提取与反应同时进行。超临界法能够获得快速的化学反应和很高的转化率。Kusdiana和Saka发现用超临界甲醇的方法可以使油菜籽油在4min内转化成生物柴油，转化率大于95%。但反应需要高温高压，对设备的要求非常严格，在大规模生产前还需要大量的研究工作。
②生物乙醇生产情况。生物乙醇的生产是以自然界广泛存在的纤维素、淀粉等大分子物质为原料，利用物理化学途径和生物途径将其转化为乙醇的一种工艺，生产过程包括原料收集和处理、糖酵解和乙醇发酵、乙醇回收等三个主要部分。发酵法生产燃料酒精的原料来源很多，主要分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素类物质原料，其中以糖质原料发酵酒精的技术最为成熟，成本最低。木质纤维原料要先经过预处理再酶解发酵，其中氨法爆破（ammonia fiber explosion，即AFEX）技术，被认为是最有前景的预处理方法。随着耐高温、耐高糖、耐高酒精的酵母的选育和低物流加工艺，发酵分离耦合技术的完善，工业发酵酒精的成本还将越来越低。
目前，德国开发利用的植物种类和途径是：
（1）油料植物。包括油菜、向日葵、蓖麻、红花、子粒、亚麻、大蓟、油橄榄等，主要利用上述植物的脂肪酸，可作燃料油、润滑油、油漆、洗涤剂和乳化剂等的原料。他们通过现代培育方法，改变籽粒油的脂肪酸结构，使其分子长链可以接近并代替本国不能种植的可可油。对菜籽油做动力燃料进行了多年的专题研究，现在菜籽油作为汽车燃料达到普及。
（2）淀粉和糖类植物。用小黑麦（小麦与黑麦杂交种）加工淀粉，淀粉在造纸、纺织、化工、建筑、轻工和医药工业中广泛应用。用淀粉类植物乙醇，可作为能源在许多领域广泛应用。每年用淀粉达48万t，其中20%来自玉米，其次是马铃薯和小麦。
（3）木质素类植物。包括枥树、柳树、桦树、高粱、荻等。植物能源植物，其经济的利用方式是直接燃烧，如何使其成为运输方便的商品，且清洁卫生，可代替燃油和煤，便于用户使用的新型燃料，这才是科学地开发利用研究的重点。通过科学家采用了多种尝试，将秸秆、木屑、树皮等压缩制条、块状燃料，用来烧饭取暖和发电。荻是一种禾谷类植物，其特性介于竹子和芦苇之间，含木质素多，每公顷可产40t，可作为“生物煤”代替原煤发电。
中国的生物质能开发：中国于2005年2月28日第十届全国人大第十四次会议通过，出台了《可再生能源法》，并自2006年1月1日起实施。本法规定的生物质能，是指利用自然界中的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源。规定能源作物，是指经专门种植，用以提供能源原料的草本和木本植物。规定植物液体燃料，是指利用生物质资源生产的甲醇、乙醇和生物柴油等液体燃料。规定了可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等非化石能源。也就是规定了可再生能源开发利用的范畴。
1.6.4 生物柴油的开发利用
现今，生物油不仅作为食用油使用，而且还作为许多化工产品、化妆品和工业产品的原材料，以及用于生产润滑油和生物柴油。我国以研究开发利用的生物柴油主要有菜籽油生物柴油、大豆油生物柴油、亚麻油生物柴油、花生油生物柴油、棕榈油生物柴油、橡胶油生物柴油、小桐子油生物柴油、餐饮业废油生物柴油。淀粉类乙醇作为车用燃料的比重2006年已超过20%
生物柴油技术：
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” 。目前，巴西正在大力推广生物柴油生产，以减少石油进口。美国能源部正在集资发展生物质能，要求到2010年，美国生物质能的使用量增加2倍，生物柴油也被列为生物质能之一。
目前，国际上对生物柴油的开发形势看好，而制造生物柴油的途径主要有三条：一是利用食用油生产生物柴油；二是利用甘蔗渣发酵生产柴油；三是利用“工程微藻”生产柴油。
法国全国各地有1800个生物柴油站，可提供倒装的和散装的柴油，平均不到2km的距离就有一个生物柴油加油站。
日本每年的食用油消费量为200万t，产生的废食用油达40万t，为生产生物柴油提供了原料。借助酶法即脂酶进行酯交换反应，混在反应物中的游离脂肪酸和水对酶的催化效应无影响。反应液静置后，脂肪酸甲酯即可与甘油分离，从而可获取较为纯净的柴油。利用此种方法生产生物柴油有几点值得注意并有待研究解决：①不使用有机溶剂就达不到高酯交换率；②反应系统中的甲醇达到一定量时，脂酶就失活；③反应时间比较长；④一般来说，酶的价格较高。
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。
除植物油酶法生产生物柴油外，也有报道利用甘蔗渣为原料发酵生产优质柴油的研究成果，据称1t甘蔗渣的能量与1桶石油相当（每桶等于31．5加仑，每加仑等于3．7853L）。如加拿大一家技术公司正在将这一成果转化为生产力，已建立每天6桶生物柴油的装置，以蔗渣为原料生产柴油，并计划扩建成每天25t工业规模的生产装置。但是，采用什么微生物发酵生产柴油？产出率如何？没有见到具体报道。
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，还将进一步修饰ACC。
上述生物柴油制造方法——酯交换法，所生产的生物柴油应该称为脂肪酸某酯，和石化柴油的主要成分有本质区别，而真正的生物柴油应该和石化柴油的主要成分是一致的，都是长链烷烃。比如人造金刚石的成分和结构与天然金刚石就是一致的。目前重庆有个专利技术生产的生物柴油就能够达到国家GB 252-2000（0号）柴油标准，专利号为CN2006 1 0054327.2。生产过程中伴随有一定比例的汽油产生，却没有甘油这种副产物产生。
总之，柴油是目前城乡使用较为普遍的燃料，通过生物途径生产柴油是扩大生物资源利用的一条最经济的途径，是生物能源的开发方向之一。能源生物技术必将得到发展，“无污染生物柴油”也必将得到更广泛的应用。
生物柴油生产原料和生产技术：
（1）生产原料
生物柴油是由植物油或动物脂的脂肪酸单酯组成的一种可替代柴油燃料。目前，大多数生物柴油是由大豆油（菜籽油、棕榈油等）、甲醇（乙醇、异丙醇）和一种碱性催化剂生产而成的。然而还有大多数的不易被人类食用的废弃油脂也能够转化为生物柴油。处理这些废油脂的问题是它们通常含有大量的游离脂肪酸，而不能用碱性催化剂转化为生物柴油。这些游离脂肪酸同碱性催化剂反应生成皂，抑制了生物柴油、甘油和洗涤水的分离。开发合适的工艺是用酸性催化剂预处理这些高FFA原料使不能形成皂物质，该工艺能够从多品种原料，包括这些高游离脂肪酸原料生产生物柴油，可以先用酸性催化剂预处理高游离脂肪酸原料，然后用碱性催化剂进行转酯化反应。工艺过程包括从大豆油、黄色脂（9%FFA）和褐色脂（40%FFA）生产生物柴油。
对于甲基酯作为替代柴油燃料的研究已经进行了很多年，在最近几年间该工作随着生物柴油广泛宣传而得到了更深的了解。以前生物柴油的生产都是基于从大豆油、菜籽油、棕榈油等精炼油为原料来制取脂肪酸甲酯。然而，高价的食品级精炼油因其成本因素限制了其用于柴油发动机。降低原料的成本对于长期推广生物柴油的商业应用前景是非常必须的。降低该燃料成本的一种方式是使用废油脂和工业用动物脂这些廉价的原料。目前，工业用动物脂和餐饮废油是作为动物饲料和制造皂及其他工业使用出售的。如果FFA值小于15%称为是黄色脂，在夏季，动物脂的FFA值可能会超过30%。随着季节的变化，在较高的环境温度下会导致加速动物尸体的腐败。这些低质的脂肪可以混合低FFA脂肪作为黄色脂出售，或者直接降价作为褐色脂。
餐饮废油和工业动物脂相对于食品级大豆油来说成本是非常低的。这些废脂由于含有较高的游离脂肪酸，在使用碱性催化剂时易形成皂类物质而不能直接转化为生物柴油。在生产过程中皂能阻止生物柴油从甘油中的分离。改进的工艺是利用酸性催化剂处理使不能形成皂，酸性催化剂对于甘三酯转化为生物柴油的作用是很慢的。然而，酸性催化剂对于FFA转化为酯的作用表现非常明显。所以对于处理废油脂生产生物柴油必须先用酸性催化剂预处理工艺使FFA转化为酯，然后通过碱性催化剂将甘三酯转酯化反应。酸催化工艺的不利之处是FFA同醇反应产生水，这抑制了FFA的酯化和甘油的转酯化反应。可以在酯化反应后对物料进行脱醇、脱水处理。
（2）生产工艺
该生产工艺是由两个单元组成：预处理单元是为了降低废油脂的FFA值小于1%；酯交换反应为主单元。当使用较低FFA值原料时，如精炼豆油，仅使用主单元就足够了。当使用高FFA值原料时，在进入主反应单元之前必须通过预处理单元。
①预处理单元
高FFA原料（黄色脂或褐色脂）储存在带加热、搅拌、锥底的储罐内。动物脂原料罐使用加热器保持温度，以防止凝固。通过循环泵提供搅拌。用过滤器从黄色或褐色脂中除去不溶性物质，如肉和骨的碎屑。将准备好的醇同酸性催化剂的溶液用泵加到反应器中。该过程的搅拌是通过泵打循环来实现的，在预处理过程的混合物温度通过安装在循环回路上的加热器保持在一定温度。
当FFA同醇反应生成酯的时候，产物中会生成水。必须从预处理后的物料中将水分离出来，因为它会抑制以后的反应进行。当第一步预处理达到稳定状态后，将反应物转到不锈钢沉降罐中。该罐是用于将甲醇—水混合物从原料中分离出来。经过一定的停留时间后，甲醇和水上升到罐的上部，在那儿它们作为一单相除去。安装在罐上的液位控制器控制螺线管上的阀门将甲醇—水排入废料罐中。进入甲醇—水混合物处理和甲醇回收工艺。
对于第二次预处理过程，是用泵将原料从第一次预处理沉降罐打回到预处理反应罐，并且加入甲醇—酸混合物。用泵在一定温度下循环混合物，然后泵送该混合物到不锈钢沉降罐中进行第二次沉降过程。在这时候，原料中的游离脂肪酸值已经被降到了1%以下。用泵将预处理后的原料从第二次预处理沉降罐中打入到主反应罐中。
②转酯化单元（主）
大豆油在室温下储存在锥底罐中。如果是大豆油用于转酯化反应，则使用泵输送大豆油到主反应器中。如果是预处理后的高FFA原料用于转酯化反应，则用泵将预处理后的物料从第二步沉降罐中转入。转酯化反应发生在带有搅拌器的不锈钢反应釜中。用泵将甲醇加入到反应器中。同时将准备好的醇与催化剂的混合溶液加入到反应器中。反应物搅拌一定时间，然后将该混合物转入到分离罐中进行甘油分离和酯洗涤。相分离后用泵将甘油转入到粗甘油储存罐中。随后进行甘油的精制、脱醇、水蒸发回收利用。
在除去甘油后，洗涤酯除去残留的催化剂和皂。为了更好的洗涤效果，需要使用软化水和水加热器来处理洗涤水。在反应釜的顶部安装了四个喷头以使洗涤水能够雾化并均匀分布在酯的表面。洗涤水设定在一定的温度。温水比冷水在从酯中除去皂和游离甘油效果更为理想。用泵循环洗涤水，将洗涤废水排出并将反应后的酯经干燥后送到储罐中。将从高FFA值原料和植物油制得的生物柴油的储罐分开。用泵输送成品生物柴油到装置外部的储罐和装桶。当输送到外部储罐时用过滤器将酯进行过滤。
（3）工艺操作和分析豆油制备生物柴油
该工艺是在主反应器中室温下将KOH溶解到甲醇中。配料量为：181.2kg大豆油，39.4kg甲醇和1.8kgKOH。然后室温下将大豆油加入到反应罐中，并且混合搅拌。每间隔1h将该混合物样品取出，用AOCS法测定酯小样中的总甘油值。从测定数据可以得到，在4h后反应基本上完成。然而反应终点时的总甘油值依然很高。对于燃料级生物柴油总甘油值需要小于0.24%。其原因是反应釜的搅拌程度不够。经过改进后，总甘油值低于了要求的值。
尽管一级反应能够生产到低甘油值的燃料，但是增加二级转酯化能够用于降低生物柴油过高的总甘油值，并且能够保证最终产品具有稳定的低甘油值水平。
当发现生物柴油的生产不能得到总和游离甘油指标时，将生物柴油再次同新鲜甲醇—KOH溶液反应。在经过第二步转酯化后，生物柴油的总甘油值很容易达到0.24%的指标。但是当油中所含的磷量较高时，磷会破坏催化剂和降低酯收率。
1.6.5 沼气的开发利用
在21世纪的前十年中，沼气的开发利用达到显著的效果，源于沼气的电能和热能属于最佳选择的再生能源。能够对垃圾、生物质和食物残渣以及人畜粪便进行无害化处理的沼气设备，特别是沼气技术在农村受到极大欢迎。堪称是解决“三农”问题的最佳方案。在大多数畜养农户中使用沼气设备，可以将大量的有机废弃物（一头500kg的牛一天产生45kg有机肥）转化成电能和热能以及高质量的经济肥料，可替代石化肥料，减少温室气体排放。农户可通过沼气设备、沼气池建造计划项目从国家及地方政府那里得到补贴。因沼气而获利的农户经营规模要在5～15个大家畜单位以上，一个大家畜（一头牛）单位为500kg标准牛。
我国对沼气的开发利用从20世纪80年代开始，在农村建设户用沼气池，生产沼气燃料，解决农村燃料问题，“九五”期间实施农村能源综合项目建设，以沼气为纽带的“三位一体”即“沼气池、暖棚圈舍、厕所”和“四位一体”即“沼气池、暖棚圈舍、厕所、蔬菜大棚” 。“十五”“十一五”期间的“六小公益”项目和农村沼气国债项目的“一池三改”沼气工程及联户沼气工程，养殖场大中型沼气工程建设。沼气的开发利用，国家在农村实施的“生态家园富民计划”即以沼气建设为核心的农业基础建设大大促进了农村生产环境的改善，生活方式的转变，生活质量的提高，真正达到了使农户实现“家居温暖化、环境清洁化、庭院经济高效化、农业生产无害化”，形成农户基本生活、生产单元内部的生态良性循环，取得了改善环境、增加农民收入的目的。
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