引言
我国是一个农业大国,每年农作物秸秆的产量可达到7亿吨,相当于3.5亿吨的标准煤[1]。对秸秆资源进行经济合理化的利用是实现我国由传统农业向现代农业转变的重要保证之一。厌氧消化因具有负荷高、能耗低、运行成本低、可产生能源等优势而广泛应用于有机废弃物的处理[2]。秸秆属于木质纤维素原料,含有大量的难以被微生物降解的有机物,目前厌氧消化甲烷化对秸秆的去除率仅有30%~50%左右[3],因此如何将发酵后的沼渣进行资源化利用是一个亟待解决的问题。对于沼渣以及其他难被生物降解的生物质,先通过热化学的方法转化为合成气,然后再将合成气进一步转化为其他燃料和化学品,以此能够有效地利用生物质能,缓解资源的短缺。
1 合成气特性及其转化利用
生物质热解气化是在部分缺氧且高温的条件下将生物质转化为气态产物的过程,相对分子质量较高的碳氢有机化合物中的链断裂,转化为相对分子质量较低的H2、CO2和CO等[4]。合成气的组分随着热解气化工艺条件的变化而变化,例如以氧气或者水蒸气为气化剂时,气态产物的主要成分为CO和H2[4],但此工艺条件成本较高。因此从经济性上考虑,目前国内大多选择空气作为气化剂[5],合成气中除了含有体积分数为15%~22%的CO、8%~12%的H2以及10%~15%的CO2外,还有50%左右的N2。该技术的主要问题是合成气的热值低(低于5 MJ/m3,沼气约20 MJ/m3,天然气约35 MJ/m3),以及含有高浓度的CO,因此合成气不适合作为城市居民使用燃气标准。合成气作为一种廉价而丰富的化工原料,可进一步转化为甲烷、氢气、有机酸和醇等生物燃料和化学品。
目前合成气转化为化学品主要利用多相催化反应原理,该技术需要在高温高压的条件下进行,CO和H2的比例需要固定,并且催化剂易中毒。与化学催化过程相比,生物催化的反应速度虽然较慢,但是具有独特的优势:首先,生物转化可以在常温常压下进行,能耗和设备成本都会降低;其次,生物催化酶具有选择性,可以定向转化,减少发酵副产物;再次,微生物对合成气中的污染物具有一定的耐受性,因此在进入生物反应器前不需要对合成气进行完全净化,这就减少了气体在转化前的净化成本;最后,微生物转化合成气制取生物燃料和生物化学品不需要严格的CO和H2的比例[6-8]。基于此,本文主要综述了微生物转化合成气制取生物燃料和化学品的研究进展