能源工业的功臣

第二节　能源工业的功臣

我们人类利用生物转化作用产生能源可以追溯到很久远的时代。火就是人类获得能源的第一项技术，距今足有40万年的历史，它是人类第一次利用生物能源的成果。古代神话传说中的女娲炼五色石补天，燧人氏钻木取火，不正是讲的生物能源的利用吗？到了今天，能源已成为全球性的重要问题了。

人类面临着能源日益枯竭的严峻问题。印度著名的物理学家巴巴预测，亚洲和远东地区会在30年内把能源消耗殆尽；南美和中美为40年；中东为65年。若干年后呢？我们将依靠什么生活？于是寻找替代能源，尤其是在24小时内耗费掉又能在同一时间内生产出来的能源，一时成为人们的讨论热门话题。

在日常生活和工农业生产中，我们采用的能源来自四个方面：一个是化石能源，即煤和石油；第二个是水力、风力、潮汐，主要用作水力发电；第三个是原子能，它将在本世纪发挥巨大的作用；最后一个就是再生能源。是植物（包括农作物、森林、牧草、藻类等）利用太阳能，进行光合作用所积累的有机物，这是家庭生活的主要能源，也是今后值得重视并进行合理利用的能源，因为它是植物对太阳能的捕捉，取之不尽，用之不竭，所以，它是人类寻找的重要的替代能源，也是生物工程的主要研究对象之一。

对再生能源的利用

再生能源实质上是生物量能，是光合作用的产物，它不仅可以再生，而且产量极大：一年中地球上绿色植物利用太阳能、二氧化碳和水，转化成碳水化合物（如淀粉、蔗糖等）和其他有机物（如蛋白质、油脂等）所积累的生物素共有1720亿吨！相当于目前世界能源消费量的十多倍。它们除了供做食物、饲料、燃料和工业原料等之外，其余的96—97%作为废弃物或垃圾白白扔掉了。而那些似乎是廉价的纤维物质如稻草、麦秆、玉米秸、木材等，多数被农家当作柴禾，一烧了事，而事实上，这样燃烧时有9／10的热量都被浪费掉了。

如何提高生物量能的利用率？这个问题引起了世界各国的重视。运用现代生物工程技术是解决这一问题的根本途径。美国能源部专门成立了“生物量能局”，制订了联邦生物量燃料计划；法国1985年从稻草中转换得到相当于50万吨石油的能源；日本也制订了两个生物量能研究计划——“绿色能源计划”和“生物量能转换计划”，并已经付诸实施。

每年工农业生产的和废弃掉的纤维素物质量极大，如美国每年废弃5．5亿吨木质纤维素，另外还有像城市废旧报纸、包装材料、木屑、农产品下脚料等废弃物。这些东西如得不到合理、及时的处理就会愈来愈多、泛滥成灾，成为环境污染的一个重要方面；如果运用合理的生物技术，将它们转化成各种有用的产品，包括沼气、酒精、有机酸、单细胞蛋白等，就可以做到化废为宝，一举数得。在这里，我们将着重介绍利用生物量生产酒精和沼气。

1．酒精的生产

20世纪70年代中期，由于石油价格不断猛涨，石油能源日渐枯竭，工业发达国家运用化学合成法依靠石油生产酒精的比重又很大，对石油输入的依赖程度更加严重。于是，他们迫切需要一种替代性能源。一个时兴的办法是用酒精代替部分燃料油，即酒精与汽油混合后的醇汽油。巴西在这方面做得卓有成效：他们利用自己独特的气候、地理条件，用甘蔗汁、糖蜜、木薯作为原料发酵生产酒精。目前，他们已经实现了用10%酒精掺合的醇汽油燃料，1985年酒精的产量达105亿升，使石油的进口从1979年的5000万吨下降到1982年的4000万吨。并给500万人创造了就业机会。巴西的成功带动了一些工业发达国家纷纷效仿，现在大约已有20个国家正在生产或研制发酵酒精，以解决本国的部分能源需要。

酒精发酵受到高度重视还有一些更直接的原因：如生产技术已过关，固定化活细胞连续生产的新工艺使酒精生产中糖的转化率、发酵容器的效率都大幅度地提高，发酵时间大大缩短。酒精不仅是无污染能源，而且也是可再生的能源。醇汽油在略加改装的汽车上就能使用，另外，生产酒精的原料来源充足也是一个重要原因。

作为洁净、节约能源的酒精发酵工业，显然是众望所归、大有前途的产业。

2．沼气的生产

沼气发酵是自然界屡见不鲜的厌氧消化现象，湖面、池塘、水面冒出来的气泡，中间就含有这种可燃气体，古代人将这种气体燃烧称为“鬼火”。

如今这种能燃出“鬼火”的沼气，通过发酵工农业废物和生活废水的方法生产出来，作为一种重要的能源，正得到迅速发展。沼气作为一种新能源，不仅有助于解决目前的能源危机，还能在生产过程中与环境污染治理紧紧地结合在一起：利用工农业固体废料、废液、生活污水为原料进行工业规模生产甲烷燃料气体（沼气），既解决了工农业和居民生活用的部分能源，又净化了环境，减轻了污染威胁，真可谓一举两得。

沼气发酵可以发生在污水消化池、湖泊池沼和河底、稻田、垃圾坑以及动物的反刍胃和人的肠道中。其生化反应过程大致分为三阶段：第一阶段是在发酵和水解菌的作用下，降解生物高分子如纤维素、蛋白质等，产生氢、二氧化碳及一些挥发酸和乙醇；第二阶段是在乙酸产生菌的作用下，把上述产物转化为乙酸；第三阶段是在沼气产生菌（包括多种甲烷菌）的作用下，使沼气最终生成。

生产沼气的技术和设施经过多年不断的改进、完善（例如将固定化技术引入到净化环境污水、生产甲烷气体燃料中）已进入第二代，不仅产气量提高了10倍多，而且以往一些难以被分解的物质也降服了。

现在沼气的应用已非常广泛。美国一个牧场兴建了一座年产气11．3万立方米的甲烷气体工厂，足够供应一万户居民的能源需要；芝加哥污水处理站号称是全世界最大的甲烷生产工厂，日产甲烷气体10万立方米；印度以牛粪为原料，发展农村沼气，已由政府资助推广全国；联合国在孟买建立了沼气研究中心；前苏联对沼气的开发研究也有多年历史，许多农庄都建有沼气池。另外，沼气发电也将变为现实。

除了发酵法生产酒精和沼气外，另一种替代能源——氢气，由于产热值高、无毒，和煤、石油等普通能源相比，燃烧后不给环境带来任何污染，而成为另一具有诱人前景的研究课题。科学家们研究用固定化深红螺菌等可利用葡萄糖产氢的细菌生产氢气，日本则用蓝绿藻制成光合器，能在阳光下光解水产生氢；另外，也有科学家在研究利用固定化氢化酶产氢。只是，目前氢的生产还缺乏现实可行的方法，短期内难以投入实际应用。

酒精、沼气、氢气这些可再生能源的应用，不仅使我们节约了传统能源，而且作为新开发的能源在能源工业中占有越来越重要的地位。而在使人类获得能源方面，还有一种不可小看的方法——利用微生物开采石油。它同样为人类节约能源做出了贡献，而且从某种意义上来说，也是一种新能源的开发。

微生物采油

石油井的产油，如果靠的是油层的天然压力，叫作一次采油；油井压力下降时用注水等方法开采为二次采油；近年来出现的微生物采油等新方法就是三次采油了。

由于采油技术的局限，油井中有60%—70%的石油无法开采出来而成为“死井”，而运用生物工程技术手段有可能把这些死井救活。微生物采油已在一些国家见到了成效，引起了石油工业界的广泛兴趣。

微生物采油的第一项专利是美国微生物学家柏尔在1946年提出的，但当时并未引起人们的注意。40年后，全世界进行微生物采油的试验已达数百次。试验过程一般是这样的：在地面用人工方法扩大培养采油微生物，然后，把微生物连同营养物质一起注入油井中，封井3—6个月，再进行采油。这种采油方法工艺简单，操作方便，成本也很低廉，而且半年后平均可以增产260%！而每桶石油开采费用只增加不到50美分。美国在1981年时就已经利用微生物采油试验获得了价值6亿美元的石油。

目前在石油钻井和提高石油采收率方面，美国的细菌多糖——黄杆胶因其效率高而受到世界各国石油工业界的青睐。

微生物采油给从“死井”中救活占储量过半的、粘滞性极强的油层带来了曙光，也引起国际石油界人士的广泛重视，他们纷纷投资于生物工程，研究更加理想的微生物采油工程菌。

可见，在能源方面，生物工程技术使再生能源放出更加迷人的光彩，既节约了传统能源，又可以开发新能源，而且对提高石油开采率做出了重大贡献，使我们有充分的信心面对能源危机——“临危而不惧”。