生物汽油
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2023年3月19日发(作者：月牙城)生物柴油的工艺和研究现状
摘要：能源短缺和环境污染是目前人类社会面临的巨大挑战，为了维持人类的可持续发展，
生物柴油的应用和推广正是解决能源替代问题的最佳手段。本文将对生物柴油进行概述，包
括生物柴油的定义、来源、生产工艺、意义以及我国发展生物柴油的现状。
关键词：生物柴油；生产工艺；发展现状；意义
一生物柴油概述
生物柴油是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林
木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料通过酯交换工艺制成的
甲酯或乙酯液体燃料，是优质的石油柴油代用品，是典型的“绿色能源”，大力发展生物柴
油对经济可持续发展，推进能源替代，减轻环境压力，控制城市大气污染具有重要的战略意
义。
生物柴油诞生于1988年，由德国聂尔公司发明，它是以菜籽油为原料，提炼而成的洁
净燃油。其突出的环保性和可再生性引起了世界发达国家尤其是资源贫乏国家的高度重视。
西方国家为了发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励下采取了一系列的积极措施。为了便于
推广使用，美国、德国、意大利等国都制定了生物柴油技术标准，如美国权威机构ASTM
相继在1996和2000年发布标准，完善生物柴油的产业化条件，并且政府实行积极鼓励的方
式，在生物柴油的价格上给与一定的补助。欧洲和北美利用过剩的菜籽油和豆油生产生物柴
油并获得推广应用。目前，生物柴油主要用化学法生产，采用植物油与甲醇或乙醇在酸或碱
的催化剂和230-250摄氏度下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。现在
还在研究生物酶法合成生物柴油技术。与普通柴油相比较，生物柴油更有利于环保，是柴油
车尾气中有毒有机物排放仅为原来的1/10，颗粒物为20%，二氧化碳和一氧化碳比矿物柴
油要少约50%。但是与常规柴油相比较，生物柴油价格要贵1倍以上。
二生物柴油的优势
与常规柴油相比较，生物柴油具有下列性能：
1具有良好的环保性能。生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减
少约30%(有催化剂时可减少约70%)；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因
而产生的废气对人体的损害低于柴油。使用生物柴油可降低90%的空气毒性，降低94%的
患癌率；一氧化碳可减少10%的排放；生物柴油降解率高；
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；
4具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输，储存和
使用方面的安全性是显而易见的；
5具有良好的燃烧性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物微酸性，使催
1
化剂的发动机的使用寿命加长；
6具有可再生性；
7无需改动柴油机，可以直接添加使用；
8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-1-高动力性，并降低
尾气污染。
三生物柴油的来源
燃料油植物也称“石油植物”，系指那些可以直接生产工业用“燃料油”或经加工生产
“燃料油”的植物的总称。显然，大力引进，发掘，培育“石油植物”，使之像作物的春种
秋收一样，春播绿草，秋收“石油”，无疑具有能源革命的重意义。
石油植物的发现：美国加利福尼亚大学的化学家，诺贝尔化学奖得主梅尔温·卡尔文突
发奇想，决定寻找可以生产石油的植物，进而从地理“种”出石油来。以卡尔文为代表的研
究小组足迹遍及世界各地，从寻找产生类似于石油成分的树种入手，集中研究了十字花科，
菊科，大戟科等十几个科的大部分植物，分析了这些植物的化学成分。功夫不负有心人，历
经多年的寻觅，终于在巴西的热带雨林里发现了一种名为“三叶橡胶树”的高大常绿乔木。
这是一种能生产“石油”的奇树，人们只需要在它的树干上打一个洞，就会有胶汁源源不断
地流出来。卡尔文博士对这种胶汁进行了化验，发现其化学成分居然与柴油有着惊人的相似
之处，无需加工提炼，即可充当柴油使用。1986年，美国率先进行人工种植“石油植物”，
每公顷年收获“石油”120到140桶。随后，英国，法国，日本，巴西等国家也相继展开了
“石油植物”的研究与应用，建立起“石油植物园”，“石油农场”等全新的“石油”生产基
地。
“石油植物”新能源的特点：1石油植物是一种独特的绿色清洁能源，对于保护环境有
着重要的意义；2石油植物分布广泛，成本低廉，易于推广；3石油植物生长迅速，规模化
生产可以保证其产量；4是有植物使用起来比核电能源安全的多，不会发生爆炸，泄露等安
全事故；5开发石油植物，还能逐步加强世界各国在能源方面的独立性，减少对石油市场的
依赖，可以在能源供给，稳定经济发展发面发挥积极的作用。由此看来，“石油植物”的研
究与开发是解决未来能源问题的重要途径之一。
四生物柴油的生产工艺
1直接混合法
在生物柴油研究初期，研究人员将天然油脂与柴油，溶剂或醇类混合以降低其黏度，提
高挥发度。将脱胶的大豆油与2号柴油按1:2的比例混合时不会出现润滑油变浑以及凝化现
象，可以子作为农用机械的替代燃料。但是由于很多实验中，直接混合的柴油容易出现变浑
的现象，这是这类方法的缺点。
2微乳液法
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将动植物油与溶剂混合制成微乳状液是解决动植物油高粘度的办法之一。微乳状液是一
种透明的，热力学稳定的胶体分散系，是由两种不互溶的液体与离子或非离子的两性分子混
合而形成的直径在1-150nm胶质平衡体系。Neuma等（2001）使用表面活性剂（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（成分为乙基，丙基和异戊
基醇），水，炼制柴油和大豆油为原料，开发了可替代柴油的新的微乳状液体系，其中组成
为柴油3.160g，水0.050g，异戊醇0.338g，十二烷基碳酸钠0.676g的微乳状液体系的性质
与柴油最为接近。
3高温裂解法
最早对植物油进行热裂解的目的是为了合成石油。研究人员对大豆油热裂解的产物进行
分析，发现烷烃和烯烃的含量很高，占其总质量的60。。还发现裂解产物的黏度是普通大豆
油的1/3，但是该黏度值还是远高于普通柴油的黏度值。在十六烷值和热值方面，大豆油裂
解产物与普通柴油相近。1993年，Pioch等对植物油经催化裂解生产生物柴油进行了研究。
将椰油和棕榈油以SiO2/Al2O3为催化剂，在450摄氏度裂解。裂解得到的产物分为气液固
三相，其中液相的成分为生物汽油和生物柴油。分析表明，该生物柴油和普通的生物柴油性
质非常接近。
4酯交换法
目前生物柴油主要是用化学酯交换法生产。即用动物、植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇
在60-70℃进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯。酯交换反应生产生物柴油用催
化剂植物油酯交换制备脂肪酸甲酯，反应时间短，成本较低，产品价格低廉。但是它也存在
着明显的缺点，酯交换要在减压条件和高温下分两步完成，不易除去游离酸和水分，催化剂
不易分散均匀，温度条件选择不恰当时可能发生几何或位置异构反应，导致收率降低。在后
处理过程中需要洗涤酸碱（常用磷酸、硫酸、盐酸和有机磺酸作催化剂），产生大量的工业
废水，造成环境污染。而且工艺复杂，醇必须过量，反应物中游离脂肪酸与水的存在对酯交
换反应有妨害作用，过量的醇必须回收，必须有相应的醇回收装置，而且能耗高。生产实践
中，普遍采用的方法是利用植物油或动物脂肪的酯交换反应制备生物柴油。
4.1酯交换原理
酯交换也称为醇解或转酯化，是用另一种醇置换甘油酯中的醇，是用的醇是1-8个碳原
子的一级或二级的一元脂肪醇。其中甲醇和乙醇使用较多，其极性短链有利于反应的进行。
酯交换后得到长链脂肪酸低碳醇酯，相对分子质量在300左右，接近柴油的相对分子质量，
理化性质（如黏度）接近柴油，燃料性能（如十六烷值）同柴油物较大差别。酯交换法也是
工业化生产所采取的主要工艺，其应用性很强，因此得到了较为普遍的推广。我们可以把它
具体分为酸碱催化法，，酶催化法和固体催化剂催化法等。
4.2酯交换的催化形式
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在研究生物柴油的早期，常采用酸催化酯交换反应。酸催化剂一般采用硫酸，盐酸和磷
酸。Widyan等曾对相同浓度的硫酸和盐酸催化酯交换反应作过比较，发现以硫酸作为催化
剂时结果较好。当原料中游离脂肪酸和水含量较高时酸，催化较为合适。当植物油为低级油
时，在酸性条件下可使转酯化反应更完全，Serio等就利用新型Lewis酸催化废食用油进
行反应，反应效果较好。然而酸催化法反应速度慢，耗时长，转化率也不是很高，而且需要
大量的醇，过量的醇使得甘油的回收困难，同时对温度要求较高，加上产品中的酸会腐蚀
发动机的金属部件。因此，一般不直接选择酸作为催化剂。在酯交换反应中使用碱“氢氧化
钠，氢氧化钾，甲醇钠和甲醇钾”等作为催化剂，这是目前最为常用的生产生物柴油的方法。
碱催化酯交换反应存在催化速度较快，醇用量较小，成本低等优点。其中甲醇钠在用于制备
生物柴油的碱催化剂中活性较高，但碱催化脂交换受原料的影响大，遇水会降低活性，并
且研究发现，在生产生物柴油的反应条件相同时，0.5%的甲醇钠与1%。的氢氧化钠催化所得
结果相差不大。因此在实际应用中，一般选择选用氢氧化物作为催化剂。在菜籽油精制过程
中产生的油脚和皂脚也是很好的制备原料其低廉的成本和简单的工艺给该项研究提供了很
好的选择。目前，由两步法制备生物柴油是研究低成本油制备生物柴油的重点。而如何有效
地降低原料的酸价，提高碱催化效率是研究者需要解决的问题。化学法合成生物柴油虽然较
为普遍，但也有不少缺点，主要表现为：工艺复杂，醇必须过量，而且回收能耗大，由于不
饱和脂肪酸在高温下易氧化，导致产物颜色较深，分离提纯过程操作困难最终有废碱液排
出。采用酶催化剂可克服上述缺点。
4.3游离脂肪酶作为催化剂
由于脂肪酶提取，纯化过程比较复杂，价格相对普通的酸碱催化剂要高得多，酶还易受
外界环境，如温度pH值有机溶剂等的影响而失去催化活性，而且用作催化剂时不能够在反应
结束后有效地分离出来,无法重复使用，无疑提高了生产成本,成为限制其应用于工业化生产
的
5生物柴油的生物酶合成法
生物酶法合成生物柴油，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应
的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。由
于利用生物酶法合成生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、无污染物排放等优点，具有环
境友好性，因而日益受到人们的重视。但利用生物酶法制备生物柴油目前存在着一些亟待解
决的问题：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%；甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活；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；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。这些问题是生物酶法工业化
生产生物柴油的主要瓶颈。
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酶法生产生物柴油主要技术经济指标有：采用固定床式酶反应器，以植物油及废油等为
原料生产生物柴油，转化率均可达到95%以上，最高转化率可以达到96％；建立了生物柴油
精馏装置，分离精制收率高于86％，分离后产品中甲酯含量大于97%，分离后产品各项指标
完全符合德国生物柴油生产标准(DIN5160697)；建立了年产500t的生物柴油中试生产装置。
反应器内固定化酶使用寿命超过20天；以地沟油为原料生产生物柴油，成本约为3058元／t，
以普通菜籽油为原料生产生物烧油，成本约为4300元／t；燃烧性能明显优于0号柴油。在0
号柴油中添加20％生物柴油的燃烧试验表明，燃烧尾气中有毒物质的排放降低35%以上。
6生物柴油的“工程微藻”法
“工程微藻”生产柴油，为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可更新实验室
(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”。在实验室条
件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上，户外生产也可增加到40%以上，而一般
自然状态下微藻的脂质含量为5%-20%。“工程微藻”中脂质含量的提高主要由于乙酰辅酶A
羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂质积累水平方面起到了重要作用。目
前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，还进一步
将修饰的ACC基因引入微藻中以获得更高效表达。利用“工程微藻”生产柴油具有重要经济
意义和生态意义，其优越性在于：微藻生产法生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农
业资源；比陆生植物单产油脂高出几十倍；生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒害气
体，排入环境中也可被微生物降解，不污染环境，发展富含油质的微藻或者“工程微藻”是
生产生物柴油的一大趋势。
五生物柴油在中国的发展现状
目前中国经济发展中面临着的问题有：能源安全，面临挑战；环境保护，迫在眉睫；“三
农”问题。我国是一个石油净进口国，石油储备又很有限，大量石油进口对我国的能源安全
造成威胁。环境问题日益严重。我国47个环境重点保护城市中，有2/3空气质量不达标，
其中18个城市空气质量超过二级标准。大量的二氧化碳排放造成了温室效应。我国是一个
农业大国，大批的农业人口流向城市，加上城市下岗未能就业的人员，使城市待业人数增多，
增加了社会的不稳定因数。生物柴油具有可再生，清洁和安全三大优势。生物柴油对我国农
业结构调整，能源安全和生态环境综合治理有十分重大的战略意义。这使得中国发展生物柴
油是必然的。
目前我国发展生物柴油的现状为：2001年南海正和生物能源有限公司在河北邯郸建成
年产1万吨生物柴油的实验工厂；2002年8月，四川古杉油脂化学公司以植物油下脚料为
原料成功开发出生物柴油；2002年9月，福建省龙岩市建成年产2万吨生物柴油装置；据
预测，2010年我国生物柴油生产能力可达20万吨；2020年生产能力将达到200万吨。
目前我国的生物柴油的开发和利用还处于发展前期，要从总体上降低生物柴油成本，使
5
其在我国能源结构转变中发挥更大的作用，只有向基地化和规模化方向发展，实行集约经营，
形成产业化，才能走符合中国国情的生物柴油发展之路。
六我国生物柴油产业发展中纯在的问题和解决办法
生物柴油产业发展主要问题之一是成本高。因此，采用廉价原料,提高生物柴油生产过
程的转化率，是降低生物柴油成本的主要方面，也是决定生物柴油能否实用化的关键。
另外，研究人员也进行一系列降低生物柴油成本研究：首先，在生物柴油原料方面，广
开来源途径，选择较廉价原料：①食品和餐饮企业的生产废油以及地沟油、泔水油为原料；
②动植物油厂的油脚和皂脚为原料；③更多采用非食用油脂作为原料，如：小桐子、油桐子、
文冠果、乌桕子等林木油料。其次，在生产技术方面，对不同原料进行不同的工艺技术，使
生产费用下降。最后，国家政策支持。国家给予适度财政补贴和税收优惠，使生物柴油生产
更具有竞争力；同时制定生物柴油发展规划，大力培育生物柴油是消费市场。
七展望
面对能源和环境这两大世界所关注的问题，寻找合适新型的燃料已经刻不容缓。生物柴
油的开发从各种角度来看都是十分必要的，是很有发展潜力的。目前我国生物柴油难以大规
模应用，其原因主要在于生产成本高和生产工艺不成熟，只有通过不断的努力改进，才能使
得生物柴油发挥其应有的作用。我们作为一名从事林产化工专业的人，一定要抓住机遇，迎
接挑战，为生物柴油的广泛应用奉献自己的力量。
参考文献：
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