1、能源作物开发利用技术目前世界上生物燃料乙醇发展较快,主要包括以甘蔗、甜高梁、甜菜等为原料的糖质作物,以玉米、木薯、甘薯等为原料的淀粉质作物,以秸秆、蔗渣等纤维素、半纤维素等为原料的三类生物燃料乙醇材料。 以前两类生物质为原料的乙醇发酵技术为成熟技术, 以秸秆、蔗渣纤维生产乙醇的技术尚处于中试阶段,产业化技术没有形成。年产量从2000 年的 1 390 万吨,增长到2005 年的 2 950 万吨。其中巴西约1 350 万吨,以甘蔗为原料;美国约1200 万吨,以玉米为原料。生物柴油年产量约200 万吨,主要集中在德国。我国生物液体燃料生产也取得明显进展,全国燃料乙醇生产能力达到132 万吨,已
2、在河南等9 个省的车用燃料中推广使用乙醇汽油。同时, 引进、育成了多个优良能源作物品种,并开展了一定规模的区域栽培试验和中试转化试点。一、甜高梁甜高粱 Sorghumbicolor(Moench)L ,也叫芦粟、甜秫秸、甜秆和糖高梁,属于碳四 (C4) 植物,是禾本科高梁属粒用高粱的一个变种, 具有光合速率高、 生长快、产量高的特点。对土壤的适应能力很强, pH从 5 08 5,均能很好生长。( 一 ) 国外开发现状巴西自 1975 年、美国自1978 年就开始种植甜高粱用于生产酒精。20 世纪 90 年代,乌拉圭仿效巴西,每年种植 65 万公顷甜高梁用于制作酒精燃料。俄罗斯、印度、日本也做了
3、大量研究和应用。( 二 ) 国内研究和开发现状自 20 世纪 70 年代后期,我国陆续从国外引进了丽欧、凯勒、雷伊等若干优良甜高梁品种。我国科学家培育出适于我国大部分地区种植的“醇甜系列”杂交甜高梁良种,茎秆产量、茎秆汁液锤度、籽粒产量和适应性,都达到国际先进水平,尤其适于盐碱地种植。北京泰天地能源技术开发公司、 清华大学等单位先后研究成功甜高粱茎秆固体和液体发酵制取乙醇技术;国内已在黑龙江、新疆、辽宁、内蒙古和山东等省、自治区建有多个甜高粱茎秆制取乙醇示范工程。北京绿恒益能源技术开发中心培育出“醇甜系列”杂交甜高粱早、中、晚熟优良品种。 黑龙江省四益乙醇有限公司在黑龙江桦川已建成年产5 00
4、0 吨甜高粱茎秆乙醇的示范工程。( 三 ) 我国开发潜力分析以新疆为例,适宜种植甜高梁的面积约53 万公顷,单产可达75 吨公顷以上,鲜秸秆总产4 300万吨以上,产甜高粱籽粒17 万千克以上。河北省黄骅等市县,适宜面积33万公顷以上。甜高梁茎秆中汁液约占 80,榨汁糖锤度 15一 22,甜高粱汁中糖分与甘蔗相比,还原糖的含量较高。美国甜高梁年乙醇产量达 6106 升公顷,而同为 C4 作物、号称太阳能最有效转化器的甘蔗只有 4 680 升公顷。甜高梁固体发酵生产乙醇所产生的酒糟渣是牛羊的理想饲料,甜高梁秆渣可用于生产优质纸浆。( 四 ) 经济效益分析甜高梁平均每公顷产鲜茎秆60 吨,籽粒4
5、500 千克。茎秆110 元吨,籽粒1100元吨,每公顷可获产值11 550 元。甜高梁每公顷成本6 885 元,纯收入4 665 元。酒精价格 5 000 元吨, 用玉米生产酒精的成本是4 500 元吨以上, 而用甜高梁秸秆加工酒精成本约为4 200 元吨。按平均每公顷产6 000 千克玉米计,每公顷玉米生产酒精1 800千克;而甜高粱秸秆在传统工艺条件下,每公顷可生产3 750 千克酒精。甜高粱生产燃料乙醇循环利用流程见图5 1。二、木薯木薯 (Manihotesculenta Crantz) ,又名树薯、 木番薯,大戟科木薯属多年生亚灌木,块根是其主要被利用的部位,淀粉含量比其他块根块茎
6、作物都要高,被称为“淀粉之王”。木薯原产热带美洲,现已广泛分布于南北纬 30之间的热带和部分亚热带地区,与马铃薯和甘薯并称为世界三大薯类作物。木薯属于 C3 植物,但是其光合速率比普通 C3 植物高得多。在哥伦比亚国际热带农业研究中心的实验田中, 一个近似理想株型的杂种品系, 获得了 28 吨公顷干块根的产量,还有许多杂交品种的产量也超过 20 吨公顷干块根的产量。木薯具有易栽培、高度耐旱、耐瘠、病害少、易管理等优良特性,特别适宜土地贫瘠、干旱、酸性、富铝化的丘陵山地栽种,也可在荒坡地及零星边际土地种植或多种植物间种。(一 ) 国外开发现状目前,全球有中非洲和亚洲分别占90 多个国家种植木薯,
7、遍布非洲、亚洲、拉丁美洲和加勒比地区,其50和 20。世界木薯的主要加工产品是淀粉和酒精。 2003 年,世界鲜薯总产量的约 6被用来加工淀粉,木薯淀粉总产量 300 万吨,淀粉主产国是泰国、中国和印度尼西亚。目前,世界上大量利用木薯加工酒精的国家比较少,其中产量较大的国家是中国和泰国。( 二 ) 国内研究和开发现状我国从事木薯育种和生物技术研究的科研单位有中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所、 广西壮族自治区农业科学院亚热带作物研究所、中国科学院华南植物研究所等。木薯除约30用作饲料外, 其他 70主要是加工淀粉和酒精的原料。据广西木薯产业协会 2005 年统计,全国的木薯淀粉与酒精加工
8、厂多达200 多家,年木薯淀粉总产量近50万吨,年木薯酒精总产量40 多万吨,其中,包含了江苏和山东等沿海省份的非木薯产区,利用进口木薯干片生产的30 多万吨木薯酒精。我国近几年的木薯产业化发展较快, 据统计, 2005 年,中国木薯的总收获面积 435万公顷,鲜薯总产量 800 万吨。其中,广西和广东占全国总收获木薯面积的 85 9、鲜薯总产量的 87 9和总产值的 92 2。还可以向亚热带中、北部扩展,如江西、湖南、四川等的南部扩种,最大估计可达到 150 万 200 万公顷。(三 ) 经济效益分析根据国内 2005 年情况,按 72 吨鲜薯生产 1 1 吨酒精, 7 2 吨鲜薯价格为 0
9、 元左右,加工成本约为 800 元左右, 11 吨酒精再增加 100 元脱水费,即可加工成料酒精,总成本约为 3 400 元,燃料酒精的市场销售价约为 4 000 元吨。2 501 吨燃木薯生产燃料乙醇循环利用流程如图5 2。三、甘蔗甘蔗 (Saccharumsinense Roxb) 是禾本科甘蔗属多年生植物,现代甘蔗栽培品种为蔗属三元或四元种间杂交品种,具有生物遗传多样性、C4光合特性和生长巨型性,其光合强度之大和生物量之高堪称大田作物之首。普通甘蔗一般每公顷产量60 90 吨,而能源甘蔗可达 120 吨以上,成熟后的甘蔗糖分一般为125一 14,纤维含量一般为11512 5。种茎无性繁殖
10、,繁殖系数低,一般3 10 倍,一年新植,多年宿根。甘蔗是喜温性作物,要求年平均温度在1830,大于1O的活动积温在6 5008 000 范围内,生长量随着积温的增加而增加。13C以下停止生长或生长极慢。甘蔗分布在北纬 33至南纬 30之间, 以南北回归线之间比较集中, 主要生产的国家有巴西、印度、澳大利亚、古巴、泰国、中国、美国、墨西哥、南非、印度尼西亚、巴基斯坦、菲律宾等。2000 2004 年世界甘蔗生产面积平均2 000万公顷。 其中世界上甘蔗种植面积最大的国家是巴西,平均 518 万公顷;其次是印度 431 万公顷;中国 134 万公顷位居第三。我国甘蔗主要分布在北纬 24以南的热带
11、、亚热带地区,包括广西、云南、广东、海南、福建、台湾、四川、江西、贵州、湖南、浙江、湖北等 12 个省、自治区。目前,广西、云南、广东三个优势产区占全国 85,其次是海南和福建。( 一 ) 国外开发现状20 世纪 70 年代,美国植物生理学家M(高贵种 ) 同热带杂草杂交,育成一种生物量达A1exanderAG 教授利用甘蔗属的S.OFFICINARU240270 吨公顷, 总可发酵糖量达每公顷48 55 吨干重的非食用甘蔗新品种。用此种甘蔗为原料进行燃料乙醇的中间试验,每公顷年产 271 吨的能源甘蔗最终可生产296 吨燃料乙醇。 但是, 由于全球蔗渣木质纤维酶解糖化产业化技术尚未形成,该生
12、产线至今未投入商业化生产。至 20 世纪 80 年代,美国、巴西、印度等国科学家调整育种目标,培育出 RB72454、RB85 5536 和 SP94 115 等一批糖、 能兼用的甘蔗新品种,支持以甘蔗为原料的糖、酒联产计划。巴西是世界上发展甘蔗乙醇最早和最成功的国家,从1978 年实行“甘蔗乙醇计划”以来,甘蔗面积从66 万公顷,扩大到2006 年的 658 万公顷;甘蔗总产从045 亿吨增加到4 50 亿吨;蔗糖总产从450 万吨增加到2 500 万吨;燃料乙醇产量从无增加到157 亿升,占世界燃料乙醇总产420 亿升的 374,成为世界第一生物能源大国,现有350 家甘蔗加工企业。 20
13、06 年新建 41 个甘蔗乙醇、 制糖工厂, 建成后可增加7 000 万吨的甘蔗加工能力,其中 2 3 是生产燃料乙醇。与此同时,巴西还在加快燃料乙醇专用管道的建设,以提高乙醇的运输能力。目前,巴西甘蔗平均单产86 93 吨公顷,比我国高16 23 吨公顷,全国原料蔗平均蔗糖分15以上, 比我国高07 个百分点 ( 绝对值 ) 以上。 近年,由于世界油价飙升,全球对乙醇需求急剧增加。为此,澳大利亚、泰国、印度、南非、哥伦比亚和中美洲国家纷纷学习巴西经验。近几年,巴西政府还特别注重扩展新能源的海外出口市场,已将日本、中国、俄罗斯、印度、南非和美国等列为巴西未来燃料乙醇的出口市场。( 二 ) 国内
14、研究和开发现状在品种选育方面,“十五”期间,由福建农林大学主持,利用远缘杂交、系谱选择与分子标记辅助鉴定,培育出福农951702、福农 9l 4621、粤糖 93 159、粤糖 94 128、桂糖 94 116 等一批糖、能兼用甘蔗新品种。蔗茎产量达95120 吨公顷,平均蔗糖分 15 0以上,最高16 8一 186。抗花叶病、抗旱甘蔗转基因系产量提高20一30,锤度提高23 个百分点 ( 绝对值 ) 。在能源甘蔗的高效产业化技术和周年供应系统方面也进行大面积示范。在发酵技术方面,利用甘蔗清汁发酵生产燃料乙醇技术( 已获国家发明专利 ) ,采用双流加连续发酵技术进行中试,结果表明,每12 吨甘
15、蔗生产1 吨乙醇。同时还筛选了一批耐35、耐酒精浓度15 17的优良菌株。( 三 ) 我国开发潜力分析甘蔗是一种适应性广、抗逆性强、适应山坡地、沙洲地和盐碱地等边际性土地生长的高生物量、高可发酵糖量作物。我国南方桂、滇、粤、琼等均可规模化集中种植。其中桂中南、滇西南和粤西三个优势区域占全国种植面积的70。甘蔗糖是乙醇发酵的直接底物,比淀粉发酵乙醇节省了淀粉合成与糖化两个耗能生化过程, 应用甘蔗生产乙醇能量效率最高,为玉米乙醇的5 倍。在国内每吨甘蔗乙醇的原料成本为 3 900 元 (300 元吨,甘蔗) ,而玉米乙醇的原料成本则为4 800 元 (1 500元吨,玉米 ) 。( 四 ) 经济效
16、益分析以粤西湛江2006 2007 生产季北坡蔗区1 1 万公顷甘蔗为例,种植甘蔗农民每公顷支出费用按肥料费5 250元、机耕费 525 元、种苗费 2250 元、收割费 40 元吨、到厂运输费 10 元吨计, 每公顷甘蔗总支出为13 650 元,当年生产季平均每公顷产量达1125吨计,如甘蔗收购价为280元吨,种甘蔗每公顷纯收入17 850元。甘蔗乙醇的经济效益,按吨蔗价280 元计, 12 吨甘蔗可生产 1 吨燃料乙醇,主原料甘蔗成本 3 360 元,其他加工车间成本、辅料成本、财务成本、折旧等费用不超过600 元,吨燃料乙醇生产成本3 960元,国家对企业燃料乙醇的结算价是91 号汽油批
17、发价 (4 890 元吨 )X0 911,约为4 454 8 元吨,盈余 494 8 元。甘蔗糖酒联产循环利用流程如图5 3。四、甘薯甘薯 Jpomoeabatatas(L)Lam 是旋花科甘薯属的一个栽培种,具蔓生习性的一年或多年生草本植物。 世界上甘薯目前种植面积约 900 万公顷, 90以上种植面积集中在发展中国家。( 一 ) 国外开发情况2005 年世界上共有 113 个国家栽培甘薯,亚洲栽培面积为578 7 万公顷,占世界总面积的 66 3,栽培面积较大的国家有中国、越南、印度尼西亚等。非洲栽培面积为253 5 万公顷,占世界总面积的29 0。我国占有世界甘薯 85产量,国外种植面积
18、较小,尚未有主要选用甘薯作为能源原料作物的国家。日本雾岛酒业株式会社为日本最著名的造酒企业,其原料大部分选用甘薯,年产值达 23 亿日元。( 二 ) 国内研究和开发现状徐州甘薯研究中心现已培育成能源乙醇专用品种徐薯22。中国科学院成都生物研究所承担的“甘薯高效低能耗贮存技术与高效燃料乙醇转化技术研究”,掌握了高效、低能耗的甘薯淀粉贮藏技术;通过对已有的酵母菌株的选育与改造,获得高浓度乙醇发酵酵母菌株,并通过代谢控制研究开发出高浓度乙醇发酵技术。甘薯可提供较富裕原料的主产区划为两个大区:苏、鲁、皖、豫中原地区,湘、鄂、川、渝西南地区。甘薯产量高。 我国甘薯每公顷平均产量 215 吨。据河南南阳天
19、冠集团资料,2 9 吨甘薯干可生产 1 吨乙醇,而玉米生产同样数量的乙醇需要 3 2 吨。28(三 ) 经济效益分析每公顷约需种苗900 元,肥料450 元,基本不施用农药,投工75 个合计 1 800元,其他 300 元,合计 3 450 元。以河南天冠集团提供的资料分析,每生产1 吨燃料乙醇所需鲜甘薯约855 吨、甘薯干2 8 29 吨。每吨鲜甘薯收购价为380 元,原料成本为3250元,加工销售综合成本850 元,成本合计4 099 元。销售价目前与汽油同价。国家每吨补贴l 000 元左右,以天冠集团为例,如无国家补贴,企业无利润。我国西南地区甘薯收购价每吨 250 300 元,企业可维持收益平衡。甘薯脱毒技术可大幅度提高单产,增幅达 20以上,但由于缺乏必要的管理措施,种薯检测无严格的标准,省、地、市、县均出售脱毒薯,质量得不到保证。甘薯生产燃料乙醇循环利用流程如图5 4。