生物燃料最新发展态势分析

书书书中国生物工程杂志　ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２８（８）：１４２～１４７生物燃料最新发展态势分析邓　勇　房俊民　陈　方　陈云伟　王春明（中国科学院国家科学图书馆成都分馆　成都　６１００４１）摘要　第一代生物燃料的生产工艺已经较为成熟，美国、欧盟和巴西等一些国家已经形成了较完善的产业链。以纤维素乙醇为代表的第二代生物燃料是更有希望的替代燃料，但目前还未获得关键性的技术突破，其大规模的商业化生产尚待时日。目前生物燃料正处于从第一代向第二代发展过渡的初期。各国纷纷将发展第二代生物燃料定为国策，为此制订了长期的发展规划与目标，并为生物燃料发展提供了良好的政策环境和大力的经费支持。各相关研究机构与企业也积极行动，力图解决生物燃料发展的各个关键问题。在此过程中，一些与生物燃料可持续发展有关的重要问题也引起了人们的关注。关键词　生物燃料　生物乙醇　生物柴油　纤维素乙醇中图分类号　Ｑ８１９收稿日期：２００８０４０２　　修回日期：２００８０５２４电子信箱：[e-mail]　　近年来，人们不断寻求解决方案，以有效应对能源、环境、气候变化等全球面临的一系列重大问题。生物燃料逐渐成为人们关注的焦点之一。　　生物燃料由生物质原料转化而来，包括生物气体燃料（如生物氢）、生物液体燃料（如生物柴油）、生物固体燃料（如薪柴）和生物质发电（如沼气发电）等。目前最普遍的生物燃料为生物柴油（产自植物油）和生物乙醇（产自糖和淀粉作物）。　　已有的研究表明，生物燃料的合理使用可以降低不可再生能源的消耗、减轻大气污染并减少温室气体排放，因此在一定程度上能够起到合理利用自然资源、保障国家能源安全和防止气候变化的积极作用［１］。但是生物燃料的开发与利用也可能产生负面影响，比如可能影响粮食生产，破坏生物多样性，产生新的污染物等［２］。因此，科学地发展生物燃料变得尤为重要。１　两代生物燃料的发展与比较［３～７］　　根据原料与生产技术的不同，生物燃料可分为第一代和第二代生物燃料。１１　第一代生物燃料　　第一代生物燃料的代表产品是通常所说的生物乙醇和生物柴油，前者由富含单糖、寡糖或淀粉的生物质原料经过发酵、蒸馏、脱水等步骤制成，后者为以动植物油脂为原料，经过酯交换反应（碱、酸、酶催化或超临界条件下）加工而成的脂肪酸甲酯（ＦＡＭＥ）或乙酯（ＦＡＥＥ）燃料。目前，巴西和美国依靠资源与技术优势，已成为世界上最大的两个生物乙醇燃料生产国，合计产量超过全球总产量的７０％。而德国的生物柴油生产能力在２００７年达到５００万吨（约合５８亿升），居全球首位。　　目前，发展第一代生物燃料生产所面临的主要问题之一是原料成本太高，特别是生物柴油，原料构成了成本的７０％。因此，进一步的发展需要深入进行生物质资源潜力评估、原料作物选育与基因改造及规模化种植（养殖）、原料利用技术改进、废弃油脂等可再生资源的收集与利用等研究。同时，还需要围绕生物燃料生产过程的全生命周期进行充分的经济技术分析和优化研究，开发廉价高效的新型催化剂，通过引入新工艺来优化流程并提高转化效率，以及回收和利用下游副产品。１２　第二代生物燃料　　第二代生物燃料的代表产品是纤维素乙醇，它由富含纤维素或半纤维素的生物质原料经过预处理、酶降解和糖化发酵、蒸馏、脱水等步骤制成。有时，人们２００８，２８（８）邓　勇等：生物燃料最新发展态势分析也将由纤维素类固态生物质经高温快速裂解、气化、冷凝后得到的生物质原油再经“气化－费托合成”等化工工艺处理后得到的精炼油产品———生物合成柴油视作第二代生物柴油。　　与第一代生物燃料相比，纤维素乙醇的原料来源更加广泛，综合性能更加优良。一般，纤维素乙醇生物炼制过程比第一代生物乙醇的合成多了两个步骤：生物质原料的预处理和纤维素、半纤维素的降解，这也是目前纤维素乙醇生产的难点与关键点之一。而整个炼制过程则涉及多个生物催化反应，它们可以按照多种方式组合，形成不同的工艺路线，如水解发酵二段法（ＳＨＦ）、同步糖化发酵（ＳＳＦ）、同步糖化共发酵（ＳＳＣＦ）、统合生物工艺（ＣＢＰ）等。　　目前纤维素乙醇生产成本较高，原因涉及原料的收集、运输、储存与预处理、纤维素降解、五碳糖转化、基础设施建设和运行等。为了发展纤维素乙醇，必须继续加强一系列研发工作，包括利用现代农业育种方法和基因工程技术发展可利用的战略能源作物、充分利用废弃生物质资源、完善预处理工艺、以及构建与培育高效发酵工程菌株以提高纤维素降解和木糖发酵的效率等。此外，还可以探索与其他高附加值化学品协同生产或采用循环工艺来提高全过程的经济可行性。１３　两代生物燃料发展特点比较　　生物燃料正在由第一代向第二代发展。第一代生物燃料的生产工艺已经较为成熟，美国、欧盟和巴西等一些国家已经形成了较完善的产业链。相反，目前第二代生物燃料的生产技术还未获得关键性的突破，大规模的商业化生产还有待时日。表１简要列举了两代生物燃料发展的特点对比。表１　生物燃料发展的特点比较Ｔａｂｌｅ１　Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｉｏｆｕｅｌｓ代表产品原料转化技术优点缺点第一代生物燃料第一代：生物乙醇富含单糖、寡糖或淀粉的生物质微生物发酵第一代：生物柴油富含动植物油脂的生物质酯交换技术与工艺较成熟，具有一定商业化基础缺乏原料优势；环境等负面影响有待评估第二代生物燃料纤维素乙醇富含纤维素、半纤维素的生物质预处理－酶降解－糖化发酵生物合成柴油几乎所有能利用的固态生物质热裂解－化工精炼原料来源丰富、可利用率高；产品性能好技术与工艺发展尚不成熟；生产成本尚高２　各国积极的政策与规划　　鉴于保障能源安全的极端重要性，许多国家都将发展生物燃料定为国策，并且制定了明确的发展目标。这种有利的政策环境非常有利于生物燃料的发展。　　美国总统布什在近年的国情咨文中提出“先进能源计划（ＡＥＩ）”，旨在帮助美国改变对外国能源的依赖。他还提出了具体的替代燃料目标，即“１０年内减少汽油消费２０％”，其中１５％来自替代燃料的使用。美国国会在２００７年７月通过２００７至２０１２年农业法案，增加了对可再生能源和特殊农作物等计划的投入，将主要发展可再生能源、生物基产品和可持续发展的新型生物质原料。２００７年底国会批准新能源法案，鼓励大幅增加生物燃料乙醇的使用量。此前，美国能源部还发布了指导美国替代能源研发方向的生物燃料发展路线图，指出将采取系统生物学的方法来克服纤维素乙醇开发的障碍，以最终实现纤维素乙醇的大规模商业化生产［８］。　　欧盟方面，出于保障能源安全和防止气候变化等目标，欧盟理事会于２００７年３月在欧盟首脑会议上通过了欧盟能源新政策，计划到２０２０年单方面将可再生清洁能源在全部能耗中的比例提高到２０％，将生物燃料在交通能源消耗中所占比例提高到１０％，同时将二氧化碳等温室气体的排放在１９９０年水平上削减２０％。欧盟委员会宣布将鼓励利用市场手段（税收、补贴和ＣＯ２排放协议等）、通过发展能源新技术和财政手段，确保提高生物燃料使用和降低温室气体排放，实现上述目标。　　英国政府于２００７年再次发布能源白皮书，表明英国将支持低碳技术并为投资保障良好的条件。同时，英国贸工部交通部发布“英国生物质战略”，指出要通过立法鼓励生物质生产和使用，鼓励生物燃料领域的技术创新，支持第二代生物燃料的开发［９］。将于２００８年４月生效的英国“可再生运输燃料法”规定，到２０１０年，生物燃料须占英国市场上销售的所有燃料的５％。英国政府在推动生物燃料发展的同时，也特别关注生物燃料可能产生的负面影响。布朗首相于２００７年１１月发表关于气候变化的主题演讲时表示，英国正在努３４１中国生物工程杂志ＣｈｉｎａＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．２８Ｎｏ．８２００８力促成可持续发展标准尽快在欧洲实施，而在该标准出台之前，政府不会支持生物燃料使用超出当前水平。　　德国政府在咨询过农业、汽车业和石油工业的意见后，于２００７年１１月公布了最新的生物燃料路线图，大幅度提高生物燃料发展目标［１０］：２０１０年生物燃料与汽油掺混的最高比例将从原来的５％倍增至１０％，２０２０年则为２０％，这是欧盟２０２０年目标的两倍。但是最近生物燃料在德国已经失去了免税的资格，第二轮生物燃料税增长计划也于２００８年１月开始。到目前为止，德国政府仍拒绝考虑工业界关于对该税进行重新考虑的呼吁。　　我国的《生物产业发展“十一五”规划》把生物能源列为重点发展的九大专项之一。２００７年９月，国家发改委发布《可再生能源中长期发展规划》，宣布到２０１０年中国的生物柴油年利用量将达到２０万吨；２０２０年，生物柴油年利用量将进一步达到２００万吨。新发布的《中华人民共和国能源法》草案指出，国家鼓励在保护生态环境的基础上发展包括生物质能在内的可再生能源，并将对新能源“依法实行激励性的价格政策”。２００７年下半年，面对粮食价格大幅上涨的形势，国家发改委及时下发《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》，要求不再建设新的以玉米为主要原料的燃料乙醇项目；原则上不再核准新建玉米深加工项目。国务院也提出，要严格控制油菜转化生物柴油项目。这是国家对生物能源行业发展的重大调控措施，对生物燃料行业的正确发展将起到重要的引导作用。３　研究与开发获得支持３１　基础研究　　各国纷纷采取行动，支持第二代生物燃料相关的基础研究。２００７年６月，美国能源部与农业部宣布联合投入８３０万美元，用于对１１个生物燃料研究项目进行为期３年的资助，寻找开发网茅、水稻和柳枝稷等可再生生物质资源的新方法；２００８年３月，美国能源部与农业部又宣布为２１个生物质研发与示范项目提供为期３年、总共１８４０万美元的资助，旨在克服高效率、低成本地生产生物基产品和生物燃料过程中的关键障碍；２００８年２月，美国能源部还宣布已选定４个项目，提供为期４年、总额为３３８０万美元的资助，重点开发将纤维素生物质转化成糖类的酶系统。　　美国政府还通过新建生物燃料研究机构来促进该领域的发展。２００７年，美国能源部投入超过４亿美元，建立三个新的生物能源研究中心，即生物能源科学研究中心、大湖生物能源研究中心、联合生物能源研究所。它们的主要研究内容包括重新设计生物质过程工程，开发新型、更有效的植物纤维素乙醇生产技术和其他生物燃料新技术，在全国范围内实现商业化生产纤维素乙醇和其他生物燃料等。这三个中心将与众多美国国家研究机构、大学和相关公司合作，并集合不同领域的科学家团队［１１］。　　在我国，第二代生物燃料的研发也引起各相关部门的重视。其中中国科学院在“三期创新”中，除加强原有研究力量外，还新建了“青岛生物能源与过程研究所”、“天津工业生物技术研究与发展中心”等多个研究单元，将在生物资源、微生物转化、生物过程工程等方面开展研究工作。２００７年年底，中国科学院还启动“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”重大项目，将针对由木质纤维素生产燃料乙醇的关键技术瓶颈，开发具有自主知识产权与市场竞争能力的重大创新技术。各方面的共同努力将有利于我国发展可再生能源，改善能源结构，保障能源安全和粮食安全，实现环境与经济协调可持续发展。３２　产业化推进　　２００７年５月，美国政府签署一项２０亿美元的行动计划，用于建设生物精炼厂和生物制品厂。生物能源方案批准一项总额达４５亿美元的经费用于生物质研究以及为生物设备建设作贷款担保。这项贷款担保计划至少可以兴建１４个工厂。　　欧盟通过第六框架计划支持２００６年５月启动的ＢＩＯＣＯＵＰ项目，目的是发展一系列的工艺，将生物质原料用于传统的石油炼制厂，在生产生物液体的同时，生产能源和化学品。　　２００７年，欧盟通过第七框架计划又推出为期４年、总投入１３００万欧元的生物精炼项目，致力于建立大型生物精炼厂，以大量生产高价值的化学制品和液体运输燃料。该项目汇集了众多欧洲领先的生物能源研究机构。４　企业行动　　在美国能源部的支持下，两家酶生产商杰能科公司和诺维信公司各自改进了纤维素酶的活性，使当前的生产成本比２００１年降低了３０倍，从而使低成本地生产纤维素乙醇有了可能。　　２００７年５月，德克萨斯Ａ