作者:中国农业科学院油料作物研究所 高级工程师 黄庆德
来源:《生物技术世界》2005年2期 中国科学技术信息研究所加工整理
生物柴油是生物质能的一种形式，其主要成份为通过动植物油脂转化而来的高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物，以其物化性能与石化柴油相近，并可以直接代替石化柴油或与普通石化柴油以任意比例互溶代替石化柴油使用而得名。由于得自于动植物油脂的生物柴油与得自于石油的石化柴油相比，生物柴油具有环境友好、在使用过程中降低有害废弃物排放等多方面环保优点，加之占世界能源消耗量40%的石油因资源量极为有限，造成原油和燃料油市场价格巨幅波动，生物柴油作为一种优质生物质可再生能源，自二十世纪九十年代以来在世界范围内形成了研究开发热潮，并已经形成快速发展的产业。
我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一，对能源的需求量长期持续高速增长，在现在的能源消耗构成中，除煤炭能够满足自给外，石油和天然气供给远远满足不了经济发展的需要，特别是石油，我国2003年消耗石油2.5亿吨，从国际市场上进口高达9,100万吨，国际依存度高达36.4%，从各种渠道得到的数据表明，2004年我国石油进口量将突破亿吨大关，达到1.2亿吨，石油的国际依存度也将突破40%。国际石油价格的高企，不仅增加了购买石油的外汇消耗，而且给我国经济的稳定发展造成不容忽视的负面影响。
在这样的背景情况下，开展可再生清洁能源研究对我国不仅具有非常重要的现实意义，同时还具有非常重要的战略意义。为此我国有相当一些科研人员和研究机构开展了这方面的研究工作，国家多年来也在各类政府资助的科研项目中予以立项和经费支持，取得了一大批具有价值的科研成果。本文对生物柴油技术和产业发展现状和发展趋势进行介绍和分析。
生物柴油技术现状
生物柴油经过多年的研究和发展，其生产技术和使用技术已经进展到相当的深度。早期利用油脂高温裂解生产汽油、柴油的技术，因转化率低、能耗高、经济性差而淘汰，现在生物柴油生产技术主要可以归结为两个方面：一是物理法生物柴油生产技术；一是化学法生物柴油生产技术。
物理法生物柴油生产技术
在物理法生物柴油生产技术方面，主要是利用了动植物油脂具有高能量密度和可燃烧的特性用于柴油代用燃料。由于动植物油脂具有粘度较高的特点，为了使其能够用于内燃机燃烧，一种方法是将植物油与石化柴油直接混合用于柴油代用燃料。Amans等在1983年将大豆油与2号柴油进行混合，然后在直接喷射的涡轮发动机上试验，结果表明，大豆油与2号柴油以l:2的比例可以得到很好地混合，降低了燃料油的黏度，并可直接用于农用机械的替代燃料。通常采用植物油与石化柴油5~30％的混合比，其性能与2号石油柴油的性能很接近。另一种方法是将动植物油制成微乳液，来解决动植物油的黏度高的问题。Georing等用乙醇水溶液与大豆油制成微乳液，Ziejewski等用冬化葵花籽油、甲醇、l一丁醇制成乳状液，Neuma等用表面活性剂（主要成分为豆油皂质、十二烷基磺酸钠及脂肪酸乙醇胺）、助表面活性剂（主要成分为乙基、丙基、异戊基醇）、水、石化柴油和大豆油制成可替代柴油的微乳液。我国江苏理工大学与德国ELSBETT公司合作，成功地开发了燃烧植物油的小缸径高速直喷内燃机，并在开发的车用内燃机上开展了用植物油做燃料的应用研究，成功地燃烧多种植物油。
化学法生物柴油生产技术
与物理方法不改变油脂组成和性质不同，化学法生物柴油技术就是将动植物油脂进行化学转化，改变其分子结构，使主要组成为脂肪酸甘油酯的油脂转化成为分子量仅为其三分之一的脂肪酸低碳烷基酯，使其从根本上改善流动性和粘度，适合用作柴油内燃机的燃料。酯化和酯交换是生物柴油的主要生产方法，即用（含或不含游离脂肪酸）的动植物油脂和甲醇等低碳一元醇（通常为C1-4醇）进行酯化或转酯化反应，生成相应的脂肪酸低碳烷基酯，再经分离甘油、水洗、干燥等适当后处理即得生物柴油。通过化学转化得到的脂肪酸低碳烷基酯完全具有石化柴油几乎相同的流动性和粘度范围，同时具有与石化柴油的完全互溶性，是一种良好的柴油内燃机动力燃料。生物柴油化学生产技术经过多年发展，已经形成比较完备的技术体系和方法，其技术根本点就在于采用不同的酯化或转酯化催化剂、工艺技术条件等将动植物油脂转化成生物柴油，在这些方面已有大面积的专利技术覆盖和公开发表的大量研究报告，涵盖了化学催化剂法、生物酶催化剂法、无催化剂法（在高温高压下进行）、常压法、加压法等生物柴油生产技术的各个方面，其生产原料包括动植物油脂和废弃食用油脂。在这些技术中化学方法的常压连续转酯化和加压连续转酯化等生物柴油生产技术，已在欧美等发达国家形成大规模工业化生产，代表了当今主流生物柴油技术，而且技术仍在不断发展。
生物柴油使用技术
生物柴油使用技术与产业密切相关，使用技术的研究是技术走向产业化发展的必要前提条件，而产业发展又促进使用技术规范和标准的建立和完善。
物理方法生产的生物柴油因为是专门针对某种柴油机来开发或者改变柴油内燃机结构使其适合于使用生物柴油，因此物理法生物柴油均是直接使用，其使用技术本身就包含在生产技术之中。但物理方法生产的生物柴油是一种分散的多相体系，一直存在稳定性的问题，而且其物化性能指标难以控制。因此物理法生物柴油在生物柴油产业中所占比重很小。
化学法生产的生物柴油完全改变了物理法生物柴油的物性状况，成为完全均匀的液态产品，粘度也得到大幅度降低，而且能与石化柴油以任意比互溶形成单一的均相体系，其使用就方便多了。其使用技术更多地体现在生物柴油产品标准和规范上。美国更多地使用B20混合生物柴油，即将生物柴油以20%的比例加入到石化柴油中，并建成大量的B20生物柴油加油站，现在每年有40多万吨生物柴油配制成的B20混合生物柴油走向市场。而西欧一些生物柴油产业比较发达的国家如德国、奥地利等因政策原因，生物柴油价格低于石化柴油，则直接使用100%生物柴油，在加油站就可以购买这种产品，考虑到气候变化等原因，相应生物柴油采用与石化柴油类似的分类控制，以适应不同气温等气候条件下安全使用。
我国的技术研究和产业情况
在生物柴油方面，我国的技术研究并不落后于欧美等发达国家，从各种公开的文献资料上，涉及生物柴油的文献80余篇，涉及技术研究的文献20余篇，内容包括了生物柴油生产技术和应用研究的各个方面。张高勇等1989年就申请了脂肪酸烷基酯的生产方法专利，该项技术根据可得到动植物油脂含有游离脂肪酸的实际，设计了低碳醇蒸汽酯化然后生产脂肪酸烷基酯的技术方法。毕玉遂等于1995年申请了以棉籽油皂脚为原料合成脂肪酸甲酯的专利技术。由于我国国情所限，采用食用动植物油脂转化成生物柴油没有经济上的可行性，近年来以废动植物油脂为原料转化成生物柴油的技术被深入研究，叶活动等研究了废动植物油脂酯化然后通过蒸馏过程蒸出脂肪酸烷基酯生产生物柴油的技术，黄庆德等研究了高酸值动植物油脂共沸蒸馏酯化－甲酯化用于生物柴油生产的技术。随着生物技术的发展，近年来采用生物酶催化剂合成生物柴油的技术得到研究和发展，宗敏华、刘德华等通过研究，分别申请了国家发明专利，为了避免采用甲醇反应物等醇类以及副产物甘油等对酶催化剂活性的影响，刘德华研究了短链脂肪酸酯作为酰基受体的酶法生物柴油技术。
在技术研究取得进展的同时，我国生物柴油产业也已经起步，相继有四川古杉、海南正和等7~8家企业参与生物柴油产业开发。但我国生物柴油产量很少，目前还不能对生物柴油产量作出准确的数据统计，生物柴油还没有形成固定的区域市场，我们在产业方面非常落后。
我国生物柴油发展应解决的技术问题
随着我国经济的快速发展，我国石油能源供应大量依靠进口的局面在我国石油蕴藏量极为有限的情况下将会长期持续，科学家们也将不懈地致力于可替代新能源的研究和开发。生物柴油作为可再生生物质新能源，可望利用植物进行年复一年地通过吸收太阳能而生产，其发展前景自然极为广阔。但目前用于食用的动植物油脂还远远不能满足市场需求，以现有动植物油料生产生物柴油能源，即使在国际石油价格高达50美元/桶的情况下，也远远高于现有的普遍使用的石化能源价格，建立在现有动植物油料为原料的生物柴油能源生产，其竞争力受到严重制约。但在可再生能源具有非常庞大潜在市场需求的基础上，发展生物柴油能源关键是寻求适合于发展的合适途径。根据目前状况，结合科技发展趋势，我国生物柴油发展应解决好以下技术问题：
大力选育高产含油植物
从普遍的知识来讲，植物的种子或果实均含有一定数量的植物油，只是含油量高低和成份不同而已，这些植物油均可以转化为液态能源，这为生物柴油能源植物选育提供了大量的研究对象和基础，可以进行具有能源产量优势植物选育。作为能源用植物，对其植物油组成和营养性不进行限制，宜以单位面积能源产量（或能量）为目标，寻求高产能源植物选育技术上的突破。
大力发展生物工程技术应用于能源植物油生产
生物工程技术大大改变了农作物种植方式，并大幅度提高农作物产量，对传统农业生产形成了巨大冲击，转基因大豆、转基因棉花等作物的产量优势更是传统农作物所难以比拟，但存在安全性的问题。作为用于能源生产的植物油，对其含有的植物油品质或结构将不再要求，以生物工程技术来发展生物柴油能源产业，其技术上有实现的可能性和具有非常现实的发展前景。
生物柴油生产需要开发创新性技术
在现有生物柴油生产技术方面，普遍以动植物油脂为原料采用酯化或转酯化等化学过程将油脂转化成脂肪酸单烷基酯，这一过程目前还需要使用不能回收的酸碱催化剂，在生产过程中形成了三废排放污染，同时还降低了动植物油脂进行生物柴油转化的转化效率，而生物酶技术还无法达到工业化实用水平，需要研究不使用化学催化剂或使用可完全回收催化剂的生物柴油绿色化生产技术；此外还存在生物柴油生产副产甘油的问题，虽然目前甘油是一种价值较高的化学品，但随着生物柴油的大量生产，现有的甘油市场将难以承受生物柴油生产中大量副产品甘油的冲击，因此需要考虑并研究甘油的开发和综合利用技术。
促进我国生物柴油产业发展的建议
目前我国生物柴油产业已经有了起步，并形成了四川古杉、海南正和、福建卓越等具有规模的生物柴油产业化示范生产工厂，但离真正的产业化还有很大的差距，还需要在产业促进、产业规划和规模、产业规范等方面开展大量的研究工作。
产业促进
生物柴油产业目前刚刚处在起步阶段，发展潜力极其巨大，相对比较容易形成较大规模的可再生能源产业，具有带动农业和能源业发展的能力。在产业形成和发展初期，国家进行政策扶持，促进产业进入快速发展轨道极为必要。在这方面，可以借鉴欧美等发达国家发展生物柴油产业的政策和措施，并研究适合我国生物柴油产业发展的扶持、促进政策。我们一方面可通过国家各种科技计划引导资金投入，加大国家资金投入的力度来促进生物柴油产业尽快形成规模；同时积极引导其它各种投资资金（包括民间投资）的投入，对生产生物柴油的企业在税收和补贴方面给予一定期限的实惠，使生物柴油的价格体系尽快形成，并增强生物柴油产品的市场竞争力。
产业规划和规模
目前以动植物油脂为原料生产生物柴油，即使生物柴油价格按目前石化柴油价格上限定价也不具备经济上的可行性，如果需要长期靠国家政策补贴来发展，不可能形成一个健康发展的产业，因此对生物柴油产业发展进行规划很有必要，同时生物柴油产业应该有一个适度的发展规模。目前宜积极发展以各种废弃油脂为原料生产生物柴油，这方面的技术已经比较成熟，而且还有一些新的技术在不断研究和开发。我国现在每年消耗各种动植物油脂在1,500~1,650万吨，在油料加工和使用（包括食用和食品加工）过程中产生大量的废弃食用油脂，如油料加工厂的各种油脚、煎炸废油、泔水油等，其总量也在百万吨以上，实现废弃油脂的回收并用于生物柴油生产，既可以解决废弃物排放对环境污染，同时还有一定的经济赢利，近期内积极倡导在油料加工或油脂消耗比较集中的地区建设2~3家规模在1~2万吨/年的生物柴油生产企业，争取在2~3年时间内在我国形成10万吨以上的生物柴油规模，并形成以生物柴油加工企业为中心的多个区域市场。
在以上形成产业基础上，以能源油料最新科学技术为先导，开始建立集约化农业（或林业）生产能源油料基地，并转化成生物柴油供应市场，形成较大规模的农业能源产业化基地。
产业规范
目前我国对生物柴油生产技术研究的较多，但基本上还没有形成固定的生物柴油市场，生物柴油的使用性能尚需要通过应用试验来摸索，建立统一的产业规范（包括产品质量标准、应用体系等）条件还不成熟。现在宜积极探讨美国、欧洲等生物柴油产业规范在我国的适用性，在生物柴油产品推向市场的同时，逐渐改进完善，最终形成适用于我国的生物柴油质量标准和产业规范。
结语
生物柴油作为一种优质和环境友好的可再生生物质新能源，已经在世界范围内形成了可再生能源领域的研究开发热潮，生物柴油在欧美等发达国家已经是市场普遍接受的实用产品。目前我国在生物柴油新能源领域技术和产业化才刚刚起步，需要政府给予积极的政策扶持和引导，创造良好的产业发展环境，同时科研单位加强生物柴油技术创新研究和应用技术研究，多研究开发具有自主知识产权的先进适用技术，产业界积极开拓生物柴油市场，相信通过社会各界协调一致的共同努力，在不久的将来，生物柴油必定能够在我国能够形成一个巨大的可再生能源产业。
