生质能源复习大纲

（答案仅供参考，可用自己理解的方式撰写）

名词解释、选择

生物质能：是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。

能源植物 ：广义：几乎可以包括所有植物。 狭义：是指那些利用光能效率高、可合成类似石油或柴油成分的植物以及富含油脂或者碳水化合物或者产氢的植物。

沼气：沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度等条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃性气体。

生物柴油：指以各种油脂(包括植物油、动物油脂、废餐饮油等)为原料，经一系列加工处理过程而生产出的一种液体燃料。属于长链脂肪酸的单烷基酯。

燃料乙醇：一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。燃料乙醇是燃烧清洁的高辛烷值燃料，是可再生能源。主要是以雅津甜高粱加工而成。

生物质发电 ：利用生物质资源进行的发电。一般分直接燃烧发电和气化发电两种类型，主要包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。

生物质直接液化是指在一定的温度和压力条件下，通过液化溶剂及催化剂的作用将生物质由固态直接转化为液态混合物的热化学过程。

RDF是垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel）的简称，具有热值高、燃烧稳定、易于运输、易于储存、二次污染低和二噁英类物质排放量低等特点，广泛应用于干燥工程、水泥制造、供热工程和发电工程等领域。

生物质压缩成型燃料技术：在一定的温度和压力下，利用木质素充当黏合剂，将各类分布散、形体轻、储运困难、使用不便的生物质原料（农作物秸秆、稻壳、锯木、木屑等）经过压缩成型和炭化工艺，加工成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料，以提高燃料的热值，改善燃烧性能，使之成为商品能源。也称为“压缩致密成型”、“致密固化成型”、“生物质压块”

林业废弃物：也称林业剩余物，是指森林采伐、造材、木材加工利用后的剩余物，包括枝桠、枝条、伐根、削头、灌木、枯倒木等。

生物质气化是秸秆等生物质原料在缺氧状态下加热，使较高分子质量的有机碳氢化合物链裂解，变成CO、H2、CH4等可燃性气体，转化成气体燃料的技术。

生物油（或称生物质裂解油）是将秸秆、木屑、甘蔗渣等农林废弃物通过高温加热分解为挥发性气体，再经冷却后直接提炼的一种液体。

生物质热解液化的定义：是指在缺氧条件下，在中温（500~650℃）、高加热速率（>1000℃/s）和蒸汽停留时间极短（1s以内）的条件下，将生物质直接热解，产物再迅速冷凝（通常在0.5s内急冷到350℃以下），使中间态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，从而得到液态的生物油。

生物燃料电池（biofuel cell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。

燃料电池（fuel cell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。

微生物燃料电池（Microbial fuel cells，简称MFCs）：是一种利用产电微生物在厌氧条件下将有机物中的化学能转化成电能的生物反应装置。

微生物油脂（microbial oils），又称单细胞油脂（single cell oil），是由酵母 、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源、氮源、辅以无机盐在菌体内产生的大量油脂。

纤维素是由D-葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键相连而成的长链大分子，通常一条链中有1万多个葡萄糖分子。

15. 半纤维素是一类杂多糖，由五碳糖和六碳糖组成的短链异源多聚体。

微生物油脂（microbial oils），又称单细胞油脂（single cell oil），是由酵母 、霉菌、细菌和藻类等微生物在一定的条件下利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源、氮源、辅以无机盐在菌体内产生的大量油脂。

填空题、选择题

生物质的组成成分主要包括纤维素、木质素、甲壳素、淀粉和油脂等。

固定床气化炉的类型有上吸式、下吸式和平吸式。

固定床气化过程主要包括四个阶段：干燥层、热解层、氧化层和还原层。

气化效果的主要影响因素有反应温度、进风强度、物料高度和原料性质。

生物质燃烧技术包括层燃技术和流化床燃烧技术。

生物质气化过程所涉及的四个反应阶段分别是干燥、热分解反应、还原反应、氧化反应

生物质气化工艺按照气化剂的不同可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化、混合气体气化。

生物质气化效果的主要影响因素包括反应温度、进风强度、原料性质、炉内物料高度和。

生物质燃烧过程的三个阶段：预热干燥、挥发分析出燃烧与焦炭形成和残余焦炭燃烧。。

微藻通过光合作用固定二氧化碳的效率比陆生植物更高。

生物质固体成型机的类型主要有螺旋挤压式、活塞冲压式和压辊式。

生物质燃烧需要解决的主要问题有生物质的收集储运、碱金属问题和氯腐蚀问题。

生物质能的主要优点有清洁性、总量丰富、可再生性和燃烧容易等。

与陆生植物相比，薇藻光合作用固碳效率高主要是由于其反应物浓度高、产物浓度低、光照几率多、比表面积大和光合作用单位高。

按是否使用气化介质，气化工艺可分为热分解气化和气化介质气化。

沼气发酵过程的三个阶段包括液化阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。

木质素是生物质固有的最好内在黏结剂。

在生物质压缩成型过程中，木质素在温度和压力的共同作用下，才能发挥黏结功能，粘附和聚合生物质颗粒。

生物质压缩成型工艺主要包括常温成型、热压成型和炭化成型。

热压成型工艺一般包括原料粉碎、干燥混合、挤压成型、和冷却包装四个工序。

生物压缩成型的影响因素包括成型压力、原料含水率、原料颗粒度、黏结剂、原料种类、加热温度。

生物质压缩成型技术按照机械作用原理可分为螺旋挤压成型技术、活塞冲压技术、压辊式成型技术、环模压块成型技术和机械冲压成型技术。

影响糖化醪质量的主要因素包含哪些？（A）温度：60℃（58~62），过低易染菌，过高酶失活；（B）时间：20~30min，过短糖化度不足，过长酶活下降；（C）pH：3.8~4.5，抑杂菌，保酶活。

酶燃料电池（Enzymatic Biofule Cells，简称EBCs）：是以有机物为燃料，用酶作为催化剂，通过生物电化学途径，把燃料中的化学能转化为电能的装置。

内切葡聚糖酶：来自真菌简称EG，来自细菌简称Len，又称为C1酶。内切酶沿纤维素链长度方向，作用于链内部的非结晶区打开纤维素链，快速降低底物的聚合度。

外切葡聚糖酶：来自真菌简称CBH，来自细菌简称Cex，又称为Cx酶，外切酶作用于纤维素晶体部分，作用于线性的纤维素分子末端，主要产生纤维二糖。

β-葡萄糖苷酶（CB或GE，EC3.2.1.21）：水解纤维二糖和低分子质量的纤维糊精生成葡萄糖，以此防止纤维二糖的积累，解除其对外切酶的抑制作用。

简答题

简述能源植物的优点。

环保性。不含硫化物，因此不会形成酸雨。还可以通过生物降解，从而避免对土壤和地下水的污染。

低成本。能源植物的分布广，若能因地制宜地进行种植，便能就地取材生产燃料酒精或者生物柴油，不需要进行勘探、钻井、采矿和提炼等过程，也减少了长途运输、管道输送等成本。

可再生性：只要有光、水和土壤，它就能生长，取之不尽，用之不竭。

安全性：使用起来比核能安全，不发生爆炸、泄漏。

汽车使用乙醇汽油的好处。

乙醇汽油增加汽油中的含氧量，使燃烧更充分，有效地降低了尾气中有害物质的排放； 

有效提高汽油的标号，使发动机运行更平稳；

可有效消除火花塞、气门、活塞顶部及排气管、消声器部位的积炭，延长主要部件的使用寿命。

沼气工程的意义。

生产清洁能源—高效、可再生能源

治理环境污染—处理粪便、垃圾、有机废水、废渣

提高企业经济效益—综合利用、改善生产条件

形成新的产业—设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工

发展农村户式沼气具有极高的经济性和实用性。

简述沼气发酵的基本原理。

答：在沼气发酵过程中，主要有：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌”等五大菌群参与活动。

发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁 酸等和醇类及一定量的H2及CO2 以纤维素为例，反应过程如下：

（C6H10O5）+ nH2O  → n(C6H12O6) 

C6H12O6→ CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2 

产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下： 

CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH + CO2 + 3H2    

CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + 2H2 

耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。

2CO2 + 4H2 → CH3COOH + 2H2O

C6H12O6 → 3CH3COOH  

产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化成CH4/ CO2。产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下：

CH3COOH  →  CH4 + CO2

4H2 + CO2  →  CH4 + 2H2O

4HCOOH  →  CH4 +3CO2 + 2H2O

4CH3OH  → 3CH4+ CO2 + 2H2O

简述沼气发酵过程。

液化（水解）阶段

在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶(淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶)等，对有机物进行体外酶解，也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫液化阶段。

产酸阶段

这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。

产甲烷阶段

在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。

沼气发酵的基本条件。

适宜的发酵原料

质优足量的菌种

严格的厌氧环境

适宜的发酵温度

适度的发酵浓度

适宜的酸碱度

生物柴油的优点与缺点。

优点：1.具有优良的环保特性 2.具有较好的低温发动机启动性能 3.具有较好的润滑性能、安全性能、燃料性能、再生性能 4.无须改动柴油机 5.生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染

缺点：1.以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高 2.用化学方法合成生物柴油有以下缺点 3.低温启动性能不佳。 4.燃烧排放物中NOx 含量较高。 5.含有微量甲醇与甘油，会使接触的橡胶零件，如橡胶膜、密封圈、燃油管等逐渐降解。 6、油脂来源分散，品种复杂。

目前利用生物酶法制备生物柴油存在哪些亟待解决的问题？

答：（1）脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或转酯化有效，而对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，一般仅为40%-60%； （2）甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活 （3）副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性； （4）短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。

生物柴油的制备方法有哪些？

答：可分为两大类：物理法和化学法。

物理法：通过物理机械的方法,改变原料油脂或脂肪的黏度和流动性等得到生物柴油，包括直接混合法和微乳液法。 ①直接混合法: 将植物油与矿物柴油按一定的比例混合后作为发动机燃料使用。 ②微乳液法: 将动植物油与溶剂混合制成微乳状液也是解决动植物油高黏度的办法之一。

化学法：通过原料油脂或脂肪，与低碳醇在催化剂存在的情况下，进行化学反应生成相应酯的过程，分为高温裂解法和酯交换法。

目前，酯交换法是生产生物柴油的主要研究方向，包括酶促合成法、固体酸碱法、离子液体法、离子交换树脂法和超临界甲醇法。

酸碱催化酯交换的反应机理如何？

一、 酸性催化剂：质子先与甘油三酯的羰基结合，形成碳阳离子中间体。亲质子的甲醇与碳阳离子结合并形成四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成甲酯和甘油二酯，并产生质子催化下一轮反应。甘油二酯及甘油单酯也按这个过程反应。

二、 碱性催化剂：催化的酯交换反应中，真正起活性作用的是甲氧阴离子，它攻击甘油三酯的羰基碳原子，形成一个四面体结构的中间体，然后这个中间体分解成一个脂肪酸甲酯和一个甘油二酯阴离子，这个阴离子与甲醇反应生成一个甲氧阴离子和一个甘油二酯分子，后者会进一步转化成甘油单酯，然后转化成甘油。所生成的甲氧阴离子又循环进行下一个的催化反应。 

微藻作为生物柴油生产的优势与应用前景分析。

答：生产优势：

占地球表面积71%的是水体，每年能提供非常丰富的藻类生物量；

藻类容易繁殖，生长周期短，光合作用效率高；

藻类的生长繁殖不依靠土壤，不占用农业用地，而且其养殖过程可以实现自动化控制； 

藻类是一种单细胞生物，它没有叶、茎、根。 即没有无用生物量，整个藻体都可用于热转化。

藻类含有较高的脂类、可溶性多糖和蛋白质等易热解的化学组分；藻类热解所获得的生物质燃油热值高，平均高达33MJ/kg,是木材或农作物秸秆的1.6倍 。

藻类不含纤维素等难分解成分，易被粉碎和干燥，所需热解条件相对较低，可使生产成本降低；

藻类可塑性大，可以通过改变培养条件或诱导，提高其产油能力；

从藻类获取的油是没有污染、可再生的能量资源，它的应用不需要改变汽车、飞机的发动机。

前景分析：

和现已初步实现产业化的玉米等粮食作物制取生物柴油的方式相比，海洋微藻产量高，单位面积产量是粮食的几十倍，生长周期短、繁殖快，并且培养时间短，在很短的时间内可获得大量产品。

微藻在水域(淡水或海水均可)中生长繁殖，不依靠土壤，不存在与农业用地相竞争的问题，不占用耕地，不影响农业生产。

微藻的含油量相对较高，其生长繁殖和油脂的制备都可以实现工业自动化。

微藻个体小、木素含量很低，易粉碎干燥，用藻类来生产液体燃料所需处理和加工条件相对较低，生产成本与其他生物燃料原料相比相对较低。

微藻生长可以消耗大量的二氧化碳，并且在微藻培育过程中加人二氧化碳，可令微藻的产量大幅度增加，从微藻到油的生产过程也可以实现零排放，具有良好的环保效益。

生物质压缩成型的主要影响因素

生物质原料自身特性的复杂性及多样化，使得影响生物质压缩成型的因素较多。由于压缩条件、压缩方式、压缩对象等有较大的差异，因此对各因素的最优选择还不能实现统一，对生物质成型过程及产品性能产生影响的主要因素有原料种类、成型压力、原料粉碎粒度、原料含水率及加热温度等。

原料种类

  不同种类的燃料，其压缩成型特性具有较大差异，原料种类的不同不但影响成型的物理品质，如型密度、强度、热值等，还影响成型机的功耗和单位产量。在大量的农业废弃物中，一般木材肥料难压缩，而纤维素植物秸秆和树皮等容易压缩，在不加热条件下或温度较低时，较难压缩的原料就不易成型，秸秆等纤维素植物则较易成型；但加热条件下或温度较高时，由于木材废料含有较多的木质素，虽然其本身难以压缩成型，但木质素软化能起到黏结作用，在高温条件下成型反而容易，而植物秸秆和树皮等含木质素较少，黏结能力弱，成型反而没有木质原料成型棒结合得牢固，所以，原料种类对压缩成型的影响和成型方式有密切的关系。

成型压力

  成型压力是生物质原料压缩成型最基本的条件，只有施加足够的压力，原料才能被压缩成型。压力为物料在模具中成型提供必要的动力，使松散的生物质变得致密匀实，提高成型燃料的强度，压力过低将不能使原料压紧压实，严重时，不足以克服摩擦力，成型将无法进行。成型压力与模具的形状尺寸有密切的关系，原料从成型腔的一端压入，从另一端挤出（出料端直径小于进料端直径），这时原料的成型压力与原料所受的摩擦力相平衡。在压力较小时，密度随压力增大而大幅度增加，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢，不同的生物质成型所需压强具有区别，因此模具尺寸会有所不同，这将影响成型过程中生物质原料喂入前后的体积比及设备能耗。

原料粉碎粒度

  原料的粒度大小也影响压缩成型的效果，然而不同的压缩成型方式对粒度的要求不尽相同。对于某一确定的成型方式，原料的粒度大小应不大于某一尺寸。一般来说，粒度小的原料容易压缩，而粒度大的原料较难压缩。在相同的压力及其条件下，原料的粒径越小，其粒子的延伸率或变形率就越大，即粒径越小越容易成型。这种倾向在要求原料粒度较小的成型方式条件下较为明显。当原料的粒度较大时，成型机能耗打，工作不稳定，对于机械冲压成型，要求原料有一定尺寸或较长的纤维。原料粒度小反而容易脱落。对于螺旋挤压成型，原料粒度分布较大时，颗粒不均匀，容易导致成型物表面产生裂纹，密度、强度降低。

原料含水率

  原料含水率对成型过程有很大影响，是生物质成型中需要控制的一个重要参数。原料的含水率过高或过低都不能很好地成型。当原料含水率过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从成型燃料中心排出，在成型套筒内汽化后易形成高压蒸汽。轻者会造成燃料开裂，表面非常粗糙，严重时，当蒸汽产生的压强大于成型套筒壁与生物质直接的摩擦力时，就会使成型套筒内已连续挤压成型的生物质棒爆炸为数段，从成型套筒内崩出，产生爆鸣，即发生“放炮”现象，不能正常成型。在相同成型温度下，含水率过高会降低无物料的传热速度，一部分热量消耗在蒸发多余的水分上，影响热量的传递并造成能量的不必要损失，当原料含水率太低时，使原料内颗粒间摩擦和抗压强度增大，造成太多的压缩能耗，成型也较为困难，因为微量水分作为一种必不可少的自由基，对木质素的软化、塑化有促进作用，有利于降低木质素的熔融温度，在压力作用下，能与果胶或糖类混合形成胶体也起到黏合剂的作用。对于不同的原料及压缩方式，成型适宜含水率有所不同。

加热温度

  生物质原料压缩成型过程中的加热，一方面可使原料中含有的木质素软化，起到黏合剂的作用，另一方面还可使原料本身是变软，增强物料的塑性和流动性，使物料粒子更易结合，容易压缩，加热温度不但影响原料的成型性，而且影响成型机的工作效率，成型时温度至少不应低于生物质的软化点温度。温度过低，不足以使木质素软化，即使有足够的压力，也不能将原料成型，而且功耗增加。虽然温度对压缩条件有利，但成型温度也不宜过高，过高的温度会造成成型燃料表面严重热分解，出现裂纹，且使成型压力减小，成型物挤压不实，从而降低了强度，导致容易断裂破损。加热温度一般调整在150～300℃之间。颗粒燃料成型虽然没有外热源加热，但成型过程中，原料同机器工作部件之间的摩擦作用也可以将原料加热，同样可使原料所含木质素软化，起到黏合作用。所以温度在生物质成型中是一个重要的影响因素。

黏结剂

  必须能够保证成型炭块具有足够的强度和抗潮解性，而且在燃烧时不产生烟尘和异味，最好黏结剂本身能够燃烧。

生物质气化与燃烧之间有何差异？（第六章）

简述流化床的优缺点。（第六章P115）

如果需要最大限度地提高生物油的产量，在设计生物质热解的工艺流程时应注意哪些问题？（第七章）

燃料乙醇具有哪些优、缺点？（第八章）

在整个酒精发酵过程中，根据酵母的生长繁殖情况，可分为哪3个不同的阶段，各自具有哪些特征？（第八章）

乙醇生产对微生物有哪些要求？（第八章）

二代燃料乙醇生产中预处理的目的是什么？（第八章）

纤维素原料（秸秆）发酵生产乙醇所面临的问题主要包括哪些？（第八章）

简述生物质压缩成型过程中粒子状态变化特征。（第十章）

什么是微生物燃料电池，具有哪些操作和功能上的优势？（第十一章）

什么是酶生物燃料电池，与微生物燃料电池相比，具有哪些方面的差异？（第十一章）

简述固体废物堆肥微生物燃料电池的特点。（第十一章）

微生物油脂具有哪些特点？（第十二章）

产油微生物必备的条件有哪些？（第十二章）

微生物产生油脂过程所涉及的两个主要催化酶是什么，分别发挥哪些作用？（第十二章）

简述微生物油脂的基本制备工艺流程。（第十二章）

微生物油脂制备过程中菌体预处理的目的是什么？有哪些方法？（第十二章）

在日常生产中，为什么很少直接利用纯培养的单菌进行木质纤维素的分解转化？（第十三章）

简述纤维素酶的三种主要组分及其作用。（第十三章）

实验题

微生物燃料电池

生物柴油

论述题

生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存起来的能量。可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。

    请问：（1）生物质能具有哪些特点？

         （2）我国生物质能的发展思路与原则是什么？

在我国制定的生物柴油原料发展战略中，将“废弃的地沟油”作为当前我国主要的生物柴油原料。然而，近几年来由于“变废为宝”的生物柴油陷入困境，其生产原料“地沟油”则同步呈现出愈发失控的状态。请以“废弃地沟油”原料为例，请分析说明目前我国生物柴油发展的制约因素与对策。

在众多的生物质能源中，你认为哪一种生物质能最具有发展前景？为什么？

请分析当前我国成型燃料产业发展中存在的问题及相关的解决措施。