1、“十二五”863 计划生物和医药技术领域专题项目生物能源关键技术研究与开发项目建议书- 1 -目 录摘 要.1一、项目提出的依据.2二、项目立项的意义、必要性和紧迫性.3（一）生物能源是引领能源战略新兴产业，应对国际竞争的迫切需要 .3（二）生物能源是保障国家能源安全，推动可持续发展的迫切需要 .4（三）发展生物能源是保护生态环境，建设低碳经济的迫切需要 .5（四）发展生物能源是调整农业产业结构，促进农民增收的迫切需要 .5三、项目相关领域的研发基础和相关发展趋势.6（一）研发基础.6（二）发展趋势.12四、项目领域的战略分析、发展思路、本项目的总体目标及考核指标.15（一）总体目标.15（二
2、）考核指标.16五、主要研究内容.17课题 1：基于酶和菌种改造的燃料乙醇节能减排关键技术.17课题 2：一步法生物加工 1.5 代燃料乙醇关键技术及示范.19课题 3：预处理、纤维素酶和混合糖发酵菌株构建平台技术 .21课题 4：纤维素乙醇技术开发及万吨级规模产业化示范.24课题 5：低成本微藻光自养培养及油脂制备关键技术开发及示范.25课题 6：低成本富油微生物培养及油脂制备关键技术及示范.26课题 7：适于广谱油脂原料的酶法生物柴油技术开发及示范.28课题 8：生物燃气菌群调控及高效产气关键技术.30课题 9：洁净生物燃气生产过程优化及示范.33课题 10：长链醇生物燃料生产关键技术及示
3、范.36六、项目主要的创新点和突破点.39- 2 -（一）创新点.39（二）突破点.39七、项目实施年限、经费需求、课题组织实施方式.40（一）起止年限.40（二）经费需求.40（三）课题组织实施方式.40附件：.411摘 要石油资源短缺已成为制约我国经济发展的瓶颈，国家高度重视可再生能源的发展，在国家中长期科学和技术发展规划纲要和国家可再生能源中长期发展规划中都明确提出了我国生物能源科技和产业发展的目标。发展生物能源对于保障国家能源安全，推动新能源战略新兴产业发展，改善生态环境，促进农民增收，都具有重要意义。“十五”以来，国家在 973 项目、 863 项目和科技支撑计划项目中，先后安排了一
4、批生物能源相关的基础研究、技术开发和工程示范项目，取得了良好进展。截止到 2009 年底，我国燃料乙醇产量已达到 172 万吨，生物柴油约 30 万吨，生物燃气约 120 亿立方米。本项目针对燃料乙醇、生物柴油和生物燃气三大主要生物能源产品及以丁醇为代表的长链醇类第二代生物燃料生产关键技术，组织有良好基础的优势科研单位和企业协作攻关。预计项目完成后，现有燃料乙醇生产发酵能耗降低 40%，水耗降低 20%；建立万吨级规模纤维素乙醇示范工程；建立总面积 10000 M2 的低成本能源微藻光自养培养示范基地，千吨级规模微生物油脂生物柴油中试装置，适宜于广谱油脂的万吨级规模酶法生物柴油示范工程；建设日
5、产洁净生物燃气10000 M3 的示范基地；培育 2-3 个产学研技术创新联盟，拉动生物能源产值约 300 亿；培养引进 8-10 名领军人才，申请 100 个左右发明专利，发表论文约 300 篇，其中 50%为 SCI 收录，培养博硕士研究生约 600人。本项目申请国家拨款 1.5 亿元，地方和部门配套 1.0 亿元，企业投2入 3.0 亿元，总经费投入 5.5 亿元。一、项目提出的依据目前，我国已成为世界能源消费大国，其中基于煤炭和石油的两大化石类能源占能源消费总量的比例高达 90%，但我国石油资源严重匮乏， 2009 年石油进口量已占石油消费总量的 50%以上。党中央、国务院高度重视包括
6、生物能源在内的各类可再生能源的开发利用。2005年 11 月国际可再生能源大会在北京召开，胡锦涛总书记在发来的贺词中指出：“加 强可再生能源开 发利用，是应对 日益严重的能源和环境问题的必由之路，也是人类社会实现可持续发展的必由之路。 ”在 2010 年4 月 22 日召开的国家能源委员会第一次会议上，国务院总理温家宝强调：“ 要加快能源 调整 优化结构，大力培育新能源 产业，下大力气落实2020 年非化石能源消费比重提高到 15%的目标；要提高能源科技的创新能力，支撑现代能源体系建设。 ”国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）明确将“ 可再生能源的低成本规模化开发利用”列
7、为优 先主题，并突出发展生物能源。 国家可再生能源中长期发展规划中也明确提出：“从长远考虑，要积极发展以纤维素类生物质为原料的生物燃料技术；到 2020 年，生物燃料乙醇年利用量达到 1000 万吨，生物柴油年利用量达到 200 万吨，沼气年利用量达到 440 亿立方米。 ”要实现这 一目标，迫切需要发展符合我国国情的生物能源产品生产原料，特别是以农作物秸秆为代表的木质纤维素类生物质资源和各类有机废弃物，开发生物能源产品生产创新技术，显著降低成本，提高生物能源产品与不可再生化石类能源3产品的竞争能力。二、项目立项的意义、必要性和紧迫性发展生物能源对于推动能源战略新兴产业发展，保障国家能源安全，
8、改善生态环境，促进农村经济发展，都具有重要的战略意义。（一）生物能源是引领能源战略新兴产业，应对国际竞争的迫切需要生物能源一直是欧美等发达国家能源战略的重要组成部分，美国政府能源部（Department of Energy, DOE）早在上世纪七十年代石油危机事件之后就建立了可再生能源国家实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL），对以农林废弃物为代表的木质纤维素类生物质资源生产以燃料乙醇为代表的液体燃料技术开发给予重点支持。2000 年 10 月，为了加快推进美国先进生物燃料技术开发和产业化，NREL 组建了国家生物能源中心（Nationa
9、l Bioenergy Center, NBC），为DOE 的生物 质开发计划（DOE Biomass Program）及预期目标的实现提供技术支持。金融危机爆发以来，新能源发展被提升到了前所未有的高度，新能源产业正孕育着新的经济增长点，同时也将成为新一轮国际竞争的战略制高点，美国总统奥巴马积极呼吁加快美国生物燃料的开发，以构建美国清洁能源产业基础，以期在新能源和环境问题上引领世界，政府研发投入不断增加，如 2009 年 5 月 6 日能源部长朱棣文宣布从“美国促 进经济 恢复行动（The American Recovery and Reinvestment Act）”资金中安排 7.865
10、亿美元支持先进生物燃料技术开发和生物炼制产业化示范（Advancing Biofuels R & D and Commercial-scale Biorefinery Demonstration Projects）。4欧盟国家对进口石油的依赖也越来越重，2007 年 27 个欧盟国家进口石油总量已经超过 6 亿吨，对外依存度接近 80%。为了应对这一挑战， 2006 年欧盟建立了生物燃料技术开发平台（European Biofuels Technology Platform, EBTP），随后制定了其生物燃料发展远景规划（Biofuels in the EU: A vision for 203
11、0 and beyond）。2009 年 10 月欧盟委员会发布“ 低碳技术发 展投资计划（Investing in the Development of Low Carbon Technologies, the SET-Plan）”，拟在未来 10 年内投入约 90亿欧元，支持生物能源技术开发，并针对欧盟区不同国家的地理环境、气候条件和基础设施状况，建立 30 个左右的生物能源中试、产业化示范及商业化规模生产装置。（二）生物能源是保障国家能源安全，推动可持续发展的迫切需要表 1 所示为 20002009年 10 年内我国石油消费结构。可见随着经济的持续高速发展，石油消费总量不断增加，而国内石
12、油生产只能维持在 1.8 亿吨左右，供需矛盾特别突出，从 2008 年开始，我国进口石油的比例已经超过 50%。 表 1：20002009年我国石油消费与进口情况统计（单位：亿吨）年份石油消费2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009总 量 2.22 2.17 2.31 2.52 2.91 2.99 3.22 3.46 3.69 4.08国内产量 1.63 1.64 1.69 1.69 1.74 1.80 1.84 1.87 1.80 1.89进 口 量 0.59 0.53 0.62 0.83 1.17 1.19 1.38 1.59 1.
13、89 2.19进口比例（ %） 26.6 24.4 26.8 32.9 40.2 39.8 42.8 46.0 51.3 53.6发展生物能源，逐步减轻对进口石油的依赖程度，已经成为国家5能源安全及经济可持续发展的重大需求！（三）发展生物能源是保护生态环境，建设低碳经济的迫切需要据 2009 年国际能源署（International Energy Agency, IEA）发布的燃料燃烧二氧化碳排放 2009（CO2 Emissions from Fuel Combustion, 2009 Edition），2007 年中国 CO2总排放量为 60 亿吨，主要来自能源生产与消费，占全球排放的 2
14、1%，超 过美国成 为世界上 CO2 排放第一大国。2009 年 11 月 25 日国务院召开常务工作会议，研究部署应对气候变化工作，决定到 2020 年我国控制温室气体排放的行动目标：单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 4045%。由于全球温室气体总量的 60%以上来自能源生产和消费领域，而生物能源产品具有碳排放中性的特点,其生产和消费中产生的 CO2释放到大气环境中后，可以被植物光合作用吸收，不会导致大气环境 CO2 的净增加，是实现温室气体减排目标的根本出路！（四）发展生物能源是调整农业产业结构，促进农民增收的迫切需要生物能源生产原料主要来自农业，发展生物能源，可以转变传统
15、种植业“粮 经饲” 三元 结构为“粮经饲能”四元 结构，为农村开辟新兴产业，有效延长农业产业链，提高农产品附加值，增加农村就业机会，增加农民收入。以纤维素乙醇为例，7 吨秸秆就可以生产 1 吨乙醇，按年产 500 万吨纤维素乙醇计算，则需要秸秆约 3500 万吨，平均每吨秸秆的价格在 300 左右，仅此一项就可为农民增收 100 亿元以上。6三、项目相关领域的研发基础和相关发展趋势生物能源包括生物燃料、生物燃气和生物氢能，生物燃料主要指燃料乙醇和生物柴油，由于以丁醇为代表的长链醇作为发动机燃料的性能优于燃料乙醇，被认为是具有发展前景的第二代生物燃料。目前国内外燃料乙醇主要以糖质和淀粉质原料生产
16、，即第一代燃料乙醇，其大规模发展一方面会影响粮食安全，另一方面扩大原料种植面积会破坏生态多样性。利用以秸秆为代表的木质纤维素类生物质生产的纤维素乙醇，被称为第二代燃料乙醇，但木质纤维素类生物质加工转化难的问题十分突出。基于能够在不适宜于粮食作物生长的边际土地上种植，生物量产量高且易于加工转化的原料如甜高粱茎秆和菊芋块茎等生产的燃料乙醇，被称为 1.5 代燃料乙醇。（一）研发基础1、淀粉质原料燃料乙醇技术我国“十五 ”期间试点建 设大型燃料乙醇装置，目前已 经形成了总量 172 万吨的燃料乙醇生产能力，不仅积累了发展燃料乙醇这一最主要生物能源产品的经验，而且乙醇发酵关键技术和大型装置建设的工程化
17、技术都取得了重大突破。淀粉质原料高浓度乙醇发酵技术取得突破：在我国发展燃料乙醇之前，乙醇发酵行业发酵终点乙醇体积比浓度一般在 810%，不仅发酵醪精馏能耗高，而且吨乙醇生产排放的废糟液高达 1215吨，废糟液处理设备投资大，运行能耗高的问题更突出。在国家“十五” 重点科技攻关项目“ 生物能源生 产关键技术” 和工业 界的共同支持下，大连理工7大学、江南大学和广西科学院等单位开展了高浓度乙醇发酵的研究工作，取得了突破性进展，目前我国乙醇发酵技术发酵终点乙醇体积比浓度已经达到 15%以上，工业生产装置连续发酵乙醇体积比浓度已经提高到 1213%，燃料乙醇生产的能耗显著降低。高温乙醇发酵技术进一步降
18、低燃料乙醇能耗：酵母乙醇发酵一般在 3032C下进行，而循环冷却水在夏季高温季节无法达到冷却发酵装置需要的温度，燃料乙醇装置只能采用投资大且运行能耗高的制冷系统制备低温水来保持正常运行，高温发酵是解决这一问题的唯一选择，目前国内几套大型燃料乙醇装置的发酵温度已经提高到 34以上。2、纤维素乙醇技术与欧美等发达国家相比，我国这一领域的基础研究和应用技术开发工作起步较晚。2004 年国家 973 计划立项支持了“秸秆资源高值化关键过程的基础研究” ，由中科院过程工程研究所 联合山东大学、中科院微生物所和清华大学等单位承担，围绕秸秆组分分离机制及其反应性、纤维 素氢键网络破裂和短纤维形成机制及秸秆分级转化过程工程基础理论等关键科学问题开展研究，取得的进展为秸秆类生物质预处理和综合利用技术的开发奠定了良好基础。2008 年中科院知识创新工程重大项目“纤维 素乙醇高温发酵和生物炼制”启 动， 经过二年多的努力，在原料 预处理、纤维素酶生产菌株筛选及液体深层发酵、混合糖发酵菌株构建、技术集成与系统优化等方面都取得了较好研究进展。与此同时，浙江大学等单位在国家 863
