能源作物发展现状和商业化前景

产业趋势能源作物发展现状和商业化前景产业趋势能源作物发展现状和商业化前景于建荣　陈大明　江洪波（中国科学院上海生命科学信息中心，上海，200031）dio:10.3969/j.issn.1674-0319.2009.05.001生物质是植物通过光合作用而固定于地球上的太阳能，通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料替代矿物燃料，以减少人类对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费对环境造成的污染。其中，能源作物是指经专门种植，用以提供能源原料的草本和木本植物。利用山地、荒地等未利用土地，选择适合当地生长条件的品种进行培育和繁殖，可获得高产能作物，并大规模地转化为燃料乙醇和生物柴油等液体燃料。能源植物分为三类。第一类是富含碳水化合物的能源植物，包括表1　美国生物质能源开发现状与预期能　源汽油柴油甘蔗乙醇玉米乙醇甜菜乙醇小麦乙醇纤维素乙醇生物柴油（来源于动物脂肪）生物柴油（来源于植物油）2008年5月9110525～5060～8060～8070～9580～11040～5570～100价格(美分/升)2030年––25～3535～5540～6045～6525～6540～5040～75作者简介于建荣，硕士，研究馆员，硕士研究生导师。主要从事生命科学及相关学科领域，尤其是“人口健康与医药创新领域”、“先进工业生物技术领域”的学科情报和战略情报研究。联系电话：[phone]，E-mail：[e-mail]富含糖的能源植物，如菊芋、甘蔗、甜高粱等；富含淀粉的能源植物，如木薯、玉米、甘薯；富含纤维的能源植物，如芒果、桉树等。利用这些植物可得到生物柴油、燃料乙醇和燃气。第二类是富含油脂的能源植物，如油菜、向日葵、棕榈、花生等。这类能源植物既是人类食物的重要组成部分，也是工业用途非常广泛的原料。第三类是富含类似石油成分的能源植物，如麻风树、油楠、续随子、绿玉树、古巴香胶树等，可直接产生接近石油成分的植物，其主要成分是烃类，如烷烃、环烷烃等，富含烃类的植物是植物能源的最佳来源，通过脱脂的处理可作为柴油使用。1　世界能源作物的开发格局过去大约30年生物质液体燃料的研究和开发过程中，第一代生物质液体燃料技术主要以玉米、甘蔗、大豆油和棕榈油等为原料，生产燃料乙醇和生物柴油，但这些能源作物的大规模利用均存在着“与粮争地、与人争粮”等问题。第二代生物质液体燃料技术主要指以使用树木和草本植物等作为纤维素原料生产液体燃料，其中涉及能源作物的相关技术包括速生树种的改良、适于边缘性土地种植的能源作物等。尽管第二代生物质液体燃料技术还不成熟，但仍被广泛认为是最具潜力的能够替代（部分）石油液体燃料的可能途径。与之相对应的能源植物开发也就成为了研究重点。1.1　美国：利用遗传技术定向培育能源植物自20世纪70年代以来，美国15生物产业技术2009.05(9月).产业趋势就一直非常关注能源植物和生物质能的研究，目前已经对速生植物、纤维植物、油料植物、糖和淀粉类植物的生物产量、生长与栽培性状、遗传改良等进行了非常系统和深入的研究，从而为充分而有效地利用这些生物质资源积累了大量的研究成果和相关技术。无论是从现状还是从中长期战略考虑上看，美国能源作物的技术开发战略中均包括粮食作物和非粮作物，在此基础上对其进行全面的技术－经济评估①。从中可以看出，第二代的能源作物（产纤维素的能源作物）和甘蔗在预期的发展中占据成本优势。通过利用生物和化学方法详细了解植物细胞壁以及这些细胞壁在植物功能中所扮演的角色，了解糖发酵过程中控制优化及阻遏因素将是开发这类能源作物的前提。因此，近年来，美国设立了一系列能源植物基因组学和生物技术研究项目，开展有关能源植物遗传和基因工程改良以及定向培育能源植物的研究。其中，基因组测序是这些能源作物研究工作的基础，目前，杨树基因组序列已完成了初步测定，桉树的基因组已被列入美国能源部2008年的基因测序计划，大量的能源植物EST数据库已经建立，美国能源部联合基因组研究所等机构的科学家也于2009年初完成了对高粱的全基因组测序和分析。根据2009年年初《科学》（Science）杂志的预测，美国将于2009年完成或发布玉米、大豆和谷子等农作物以及可用作生物燃料的一些植物等基因组测序成果。除基因测序外，与重要能源性状相关的基因发现和能源植物定向培育的研究工作也已在美国的多个实验室以及企业的研发机构中展开。例如，加利福尼亚州的Ceres公司选择了４种光合作用效率高、生长迅速的植物——柳枝稷、芒草、甘蔗和苏丹草（C4草），以期利用遗传技术创造能够在炎热、酷寒、干旱气候下甚至在盐碱地生长的品种。南卡罗来纳州的ArborGen公司则以桉树、白杨、火炬松和放射松为对象，采用类似Ceres公司的方法定向培育新品种。克雷格·文特尔的SyntheticGenomics公司则利用生物工程克服海藻油采集问题，使它们的外隔膜创造新的分泌通道，从而使油脂刚刚分泌就被海藻细胞排挤出来，漂浮到池塘表面。经过基因工程改造后，这些海藻能比它们的野生同类分泌更多油脂。1.2　欧盟：用于生物柴油、生物质发电和生物乙醇的能源作物分布欧洲在各国支持可再生能源发展的政策推动下，生物质能利用技术发展很快，生物质能在能源中比例迅速提高。目前，生物质能利用技术已成为最受欧盟国家重视的可再生能源技术之一。2003年，欧盟进行重大农业政策改革，2004年推出了一种名为能源作物升水的补贴，其目的在于鼓励农户播种甜菜、谷物以及油菜籽和生物质能源原料。欧盟是全世界目前生物柴油发展最好的地区，其主要生产原料为菜籽油。其中，德国是世界上最大的生物柴油生产国，也是欧盟中生物柴油利用最广泛的国家。油菜是德国目前最重要的能源作物，可用于提炼植物柴油，代替矿物柴油用作动力燃料。近年来，德国每年拨款40多亿欧元用于“工业作物”的研究和开发，并成立了生物原料和生物能源研究中心，专门负责相关方面的科研以及新技术、新工艺的推广。生物质发电技术的应用主要集中在丹麦、芬兰和瑞典等北欧地区，其中丹麦运行和在建的秸秆直燃热电厂较多，而芬兰和瑞典的生物质发电所使用主要能源植物为林木。这些主要是利用速生林切割成木片发电，用于储运、打包以及预加工过程的农业机械发展较为成熟。法国、西班牙和瑞典已生产和使用乙醇汽油，其他成员国如荷兰、英国、德国、奥地利等国家的农业部也已提出规划，要求发展燃料乙醇工业。欧盟生产生物乙醇的主要原料是甜菜和小麦。但是，从总体上看，与生物柴油产业相比，欧盟各国生物乙醇产业的发展规模相对滞后。欧盟消耗的生物乙醇不能自给，近年欧盟生物乙醇的进口量不断增加。1.3　巴西：甘蔗依然是主要的能源作物从1973年的第一次世界石油危机以来，巴西就努力减少对石油的依赖，并于1975年开始实施“国家燃料乙醇计划”，以甘蔗为原料生产16生物产业技术2009.05(9月).产业趋势能源作物发展现状和商业化前景燃料乙醇替代车用汽油。通过多年的研究，巴西已培育了大批的高产能源甘蔗品种，利用分子生物学技术来定向培育能源甘蔗的研究已取得了巨大的成功。2003年7月2日，巴西政府颁布法令，重新启动“生物柴油计划”，宣布从2007年开始必须在矿物柴油中掺加2%的生物柴油，到2012年增加到10%，其中原料为蓖麻、棕榈油、大豆、棉籽油、向日葵和玉米等。从可供能源作物种植的土地资源来看，巴西大部分地区都适宜种植大豆、棕榈、花生、蓖麻、向日葵等油料作物，仅在亚马逊地区，适宜种植棕榈的土地就达5000万公顷，完全可以形成能源产业规模。从甘蔗中提炼的乙醇燃料和从蓖麻、向日葵和废弃油脂中提炼的生物柴油，已形成巴西目前主要的两大类生物燃料。在生物质能源应用发展的同时，巴西的生物能源机构也一直没有停止相关研发工作，以使自身的生物能源技术始终走在世界前列。例如，创立于20世纪70年代的巴西圣保罗州蔗糖技术中心一直在开展提高乙醇生产效率的项目，其中也包括利用基因工程来提高甘蔗产量。近来，巴西最大的甘蔗乙醇生产集团德蒂尼还宣布，已经掌握从植物纤维素中提取乙醇的技术，将从2012年起正式利用植物纤维素作为原料生产乙醇，预计此后5年内具备日产5万升植物纤维素乙醇的能力。这意味着，第二代能源植物在巴西的种植范围将扩大。1.4　中国：能源植物资源库的开发利用中国生物质能源发展有两条途径：一是增加生物质能源资源量；二是提升技术水平。其中，增加生物质能源资源量的关键在于能源植物的研究和开发利用。由于中国耕地有限，发展生物质能源首先要保证粮食安全，要立足于“不与粮争地、不与人争粮”，在多为干旱、盐碱、瘠薄的边际土地上发展生物质能源，更需要选择高光效、高生物量的能源植物，通过提高单位土地面积上生物质的积累来实现：通过发掘速生、抗极端逆境的新物种、新种质、新基因资源，在分子水平上筛选培育高光效、能量密度高、抗逆性强、不危及生态的高产优质能源植物新品种，并通过基因转导创造新物种，从而形成适合中国国情的能源植物资源库。目前，中国共有约4.3万种植物，约4000种具有能源开发价值。包括糖类能源植物（甜高粱、菊芋等）、淀粉能源植物（木薯、甘薯等）、纤维能源植物（芒草等）、油脂能源植物（麻风树等）、烃类能源植物以及薪柴类能源植物和能源藻类。此外，近年来，中国也从国外引进了一些新的能源植物品种。例如，中国从南美洲、非洲、东南亚引进的50多个淀粉含量高、抗逆境能力强、产量高的木薯新品种，经培育筛选可望使适宜生长在南方的木薯能够向北种植推移，特别是能够在荒漠土地上大量繁殖。这些植物，构成了中国特有的多样性能源作物资源（参见表2）。这些多样性化的能源植物资源为中国发展生物能源提供了巨大的宝库。以生物柴油为例，国内富含油脂的大科有6种，涉及几十种含油能源作物（参见表3）。但是，目前，这些能源作物的定向培育和生物质开发大多处于基础研究阶段，有待进一步深入。2　能源作物的技术开发无论是能源作物还是可用于能源开发的微生物，目前生物质原料供应的核心问题是高效能源植物（微表2　中国不同地区的能源植物资源举例区域华南地区华中地区西南地区北方地区能源作物木薯桉树麻风树菊芋能源作物举例生物能源生物乙醇生物柴油生物柴油生物柴油能源植物种类热带植物亚热带植物高原和高山植物温带植物17生物产业技术2009.05(9月).生物、藻类等）的能量富集机理与高效品种的培育。2.1　能源植物种质库的建立和种质资源评价目前国内外已研究或开发的能源植物有几十种，主要涉及灌木与草本植物，灌木中有柳树和杨树等，草木中包括细叶芒、柳枝稷和芦苇等，作物中有甜高粱、油菜、甘蔗、甘薯和木薯等。如前所述，由于各国在自然环境、技术水平、产业形式、社会环境和国家政策等方面的差异，各国的能源作物主体有所不同。产业趋势表3　国产富含油脂的大科②科名大戟科樟科茶科芸香科葫芦科卫矛科含油量*幅度/%7～7213～6710～6411～5618～7110～58平均含油量*/%404039333644含油10%以上种数424329282926占国产种比例**/%121314202613含油10%以上属数251035136占国产属比例**/%394320214554含油主要属乌桕属（Sapium6/9）***野桐属（Mallotus6/40）石栗属（Aleurites1/1）油桐属（Vernicia2/2）樟属（Cimmamomum7/46）山胡椒属（Lindera13/54）木姜子属（Litsea12/54）茶属（Camellia22/70）厚皮香属（Ternstroemia3/7）石笔木属（Tutcheria4/6）吴茱萸属（Euodia9/25）花椒属（Zanthoxylum13/45）西瓜属（Citrullus1/2）南瓜属（Cucurbita3/3）栝楼属（Trichosanthes7/20）南蛇藤属（Celastrus6/20）卫矛属（Ruonymus15/125）含油主要种　油桐、石栗、木油桐